2020年3月16日，国际著名科学杂志PNAS在线发表了我院翦知湣教授与合作者的研究成果：“Half-precessional cycle of thermocline temperature in the western equatorial Pacific and its bihemispheric dynamics”。
热带太平洋的厄尔尼诺－南方涛动（El Nino-Southern Oscillation，ENSO）是现代年际尺度全球气候变化的重要来源，对我国的旱涝、寒潮等灾害天气有重要影响，例如1998年长江流域洪水的罪魁祸首就是一个超级暖的ENSO事件（赤道东太平洋海温偏暖），而2008年我国南方暴雪天气则来自于一个冷ENSO事件。当前全球变暖情景下，类似极端灾害在未来是否会越来越多？要准确理解ENSO和太平洋的海气耦合动力机制，更好地预测未来变化，需要借鉴地质历史中ENSO的长期演变特征、找出其背后的物理机制和驱动来源。
图1MD01-2386站点位置（上图）及其浮游有孔虫壳体镁钙比指标重建的赤道西太平洋表层与温跃层之间的垂向温差（下图A）、垂向温差与ENSO强度指标——赤道海表温度纬向温差（下图B）之间的半岁差周期联系。灰色线代表原始数据，红色和蓝色线代表灰色线在半岁差周期上的带通滤波结果。
赤道西太平洋次表层海水（特别是垂向温度变冷最剧烈的“温跃层”），在热带太平洋的海－气耦合系统中具有重要作用，对东太平洋表层海水的变化有直接作用，也是预警ENSO变化的最佳对象：每次暖ENSO发生之前（即冷ENSO期间），热带东太平洋海表温度比正常情况要偏冷，西太平洋上层海洋却异常偏暖（由西向东的海表温差增大），由于温跃层变暖幅度远大于表层海水，西太平洋的垂向温度差就会减小、反映温跃层深度不断增大。随后，西太平洋温跃层变化会以海洋波动的形式向东传播，导致下一次暖ENSO发生。然而，不管是现代观测还是古海洋学，受研究手段限制，首先关注的都是海表温度变化，次表层海洋变化研究仍然有很大不确定性，赤道西太平洋温跃层的古海洋学研究已经成为国际热点，正在逐步深入探索。
本文利用赤道西太平洋暖池区MD01-2386站的深海沉积物样品，同时分析了浮游有孔虫表层属种（G. ruber）和温跃层属种（P. obliquiloculata）的壳体氧同位素指标和镁钙元素比值指标，重建了过去142000年以来十年际分辨率的表层海水温度和温跃层海水温度演变历史，首次发现赤道西太平洋的温跃层温度、及其相对于海表温度的垂向差值，都呈现出显著的半岁差周期旋回（图1A）。所谓“半岁差”，即岁差周期（19000或23000年）的一半，约9400年或12700年。与此同时，尽管赤道太平洋东、西两侧表层海水温度都没有这种半岁差周期，两者之间的纬向海表温度差值（代表ENSO强度）却呈现出显著的半岁差周期波动（图1B），且与暖池区垂向温差的半岁差周期波动反相变化。这种半岁差周期的反相关系与现代年际尺度变化类似，反映轨道时间尺度上暖池区温跃层的波动可能直接与ENSO相连。
为检验上述古海洋指标重建结果，本文还利用完全海气耦合模式（CESM）进行了瞬变数值模拟，结果发现暖池区温跃层的半岁差周期主要源自于地球运行轨道参数的周期性变化，特别是岁差周期。因为岁差调控着大气层顶部接收的太阳辐射量变化，引起副热带－热带之间的上层海洋温跃层环流圈变化；进而，由于岁差辐射量在南、北半球反相变化，两个半球温跃层环流圈对赤道西太平洋温跃层温度产生相反的影响。但这种影响并非完全相互抵消，两半球反相的岁差周期变化的叠加效应就产生了太平洋上层海洋温度变化的半岁差周期（图2）。这样，南、北半球的温跃层环流圈类似于轨道岁差驱动热带太平洋ENSO的“海洋隧道”，暖池区温跃层则是两条隧道的“核心枢纽／中转站”，对全球气候变化起着关键作用。
图2 CESM海气耦合模式输出的太平洋海温类ENSO型的半岁差周期变化特征：（A）沿120米水深的水平剖面，（B）沿赤道的东－西向垂直剖面。红色背景代表变暖，蓝色背景代表变冷，黄色五角星代表古海洋重建数据的站点位置（赤道西太平洋MD01-2386站、赤道东太平洋TR163-22站）。
事实上，相较表层海温，热带西太平洋的温跃层海温已经被发现更直接地受太阳辐射量岁差周期控制，从而成为古气候演变的米兰科维奇理论中的一个关键环节。本项研究的发现，从实证记录出发，辅以数值模拟，理论上佐证了副热带－赤道“海洋隧道”对赤道太平洋海－气耦合系统的调控机制，进一步表明在轨道尺度上暖池温跃层决定着热带太平洋的类ENSO动力过程，从而为更深入地理解ENSO的过程和机制提供了古海洋学和古气候学的新证据。
本文第一作者及通讯作者为我院翦知湣教授，合作者包括我院王跃、党皓文、金海燕和殷雅倩，以及美国加州大学圣巴巴拉分校David W. Lea教授和美国俄亥俄州立大学刘征宇教授。该项研究得到国家自然科学基金委（41630965，91958208，91428310，41606045，41606049和41630527）、科学技术部（2018YFE0202401）、自然资源部（GASI-GEOGE-04）等项目的资助。
PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,《美国科学院院报》）是国际顶尖综合性学术期刊之一，2019年最新发布的影响因子为9.58。
全文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/03/11/1915510117
撰稿：王 跃
编辑：高小丰
审核：拓守廷