Nature：近千年印度洋偶极子变化规律

来源：中科院地质地球所

Nature：近千年印度洋偶极子变化规律

印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）是指印度洋西部和东部海表温度差，通过海气耦合作用，对印度洋盆周围地区气候和环境产生重要影响。简单的类比，可以把IOD看作是印度洋的厄尔尼诺-拉尼娜现象。Saji et al.（1999）发现并定义了IOD事件（图1）：当正IOD（positive IOD, pIOD）事件发生时，西印度洋海温偏高，东印度洋海温偏低，会导致印太暖池海温偏低，印度洋沃克环流减弱，引起亚洲、澳洲、非洲气候的变化（例如东非的暴雨、印度尼西亚和澳大利亚南部干旱）。有研究指出：pIOD发生时，导致澳大利亚干旱，有助于丛林大火的发生（Cai et al., 2009）。值得注意的是，2019年是pIOD事件，同年澳大利亚的丛林大火持续数月。

图1  6次IOD正相位的海温分布（Saji et al., 1999）

关于IOD事件的变化历史、发生机制以及未来可能的变化，虽然开展了大量的研究，目前对上述科学问题的认识，还不全面。IOD作为一种气候震荡现象，会受到自然气候变率和人类活动的共同作用。器测资料表明，自1960年以来，pIOD事件的频率显著增加，其原因可能是全球变暖导致的，气候模式的结果揭示出未来全球增温的场景下会导致pIOD事件的频率增加（Cai et al., 2014）。Abram et al.,（2008）基于印度洋珊瑚重建IOD过去160年的变化历史，揭示出1960年以来pIOD事件的频率显著增加。过去280年云南地区季风降水重建结果表明，自1970年以来干旱事件增多，原因在于pIOD事件的增多（Xu et al., 2019）。上述pIOD事件增多的原因仍有争议，人类活动导致，还是自然变率的结果，还很难说。一方面气候模式会高估pIOD事件的频率和强度（Abram et al., 2020），另一方面现代观测记录受到人类活动和自然变率的共同影响，很难区分二者的贡献。因此，长序列IOD变化历史的重建，获取其自然变率的变化，对评估其现在和未来的变化尤为重要。 

图2 利用印度洋东部珊瑚氧同位素重建了过去千年IOD变化历史（Abram et al., 2020）

Abram et al.（2008）利用印度洋东部和西部珊瑚重建东西印度洋的海表温度，进而获取了IOD在过去160年的变化历史。由于无法在印度洋西部获取千年的珊瑚样品，也就无法基于印度洋东部和西部的海温差重建IOD近千年的变化。Abram et al. (2020) 发现印度洋东部珊瑚氧同位素与IOD关系一致性很好，可用于重建IOD的变化。因此，Abram 团队利用该地的珊瑚氧同位素重建了过去千年IOD变化历史（图2），成果发表于Nature。

研究结果表明：pIOD事件发生的频率确实在1960年以来有显著的增加，但近年来pIOD事件的强度并没有超出过去1000年自然变率的范围。1997年是近年来最强的pIOD事件（图3a），但其强度仍弱于1675年的pIOD事件（近1000年强度最大的pIOD事件，图3b）。1675年气候外强迫因素并没有显著变化，发现该年的pIOD事件与外强迫因素（例如火山活动等）无关，揭示了即使在没有气候外强迫要素的显著影响下，气候系统内部就可以产生极端的pIOD事件。

图3 印度洋东部珊瑚氧同位素记录的1997年（a）和1675年（b）pIOD事件（Abram etal., 2020）

Abram 团队又对IOD的变率（以30年标准差来衡量）进行了分析，发现近50年来IOD的变化幅度增大，但并没有超过过去1000年的自然变率（图4b，蓝线）。17世纪中下叶IOD的变化幅度为近1000年中最大值，高于近50年的变化幅度，而17世纪中下叶全球温度明显低于近50年（图4a）。通过地质记录和气候模式IOD变率与ENSO变率的对比，发现地质记录和气候模式里IOD变率与ENSO变率具有较好的一致性（图4c），揭示了印度洋和太平洋海温变化的耦合关系。

图4 不同记录的对比。a.全球温度变化；b.IOD（蓝色）和ENSO（红色）的变率（30年滑动标准差）；c.地质记录重建IOD和ENSO的变率关系；d.东西太平洋温度差；e.中太平洋型ENSO与东太平洋型ENSO的比值；f.显著性估计（Abram et al., 2020）

上述研究的开展，首次重建了过去1000年IOD的变化历史，揭示出无明显气候外强迫变化下，气候系统也会产生极端的pIOD事件。

Abram N J,Gagan M K, Cole J E, et al. Recent intensification of tropical climatevariability in the Indian Ocean[J]. Nature Geoscience, 2008, 1(12): 849-853.

Abram N J,Wright N M, Ellis B, et al. Coupling of Indo-Pacific climate variability overthe last millennium[J]. Nature, 2020, 579: 385–392.

Cai W,Cowan T, Raupach M. Positive Indian Ocean dipole events precondition southeastAustralia bushfires[J]. Geophysical Research Letters, 2009, 36(19).

Cai W,Santoso A, Wang G, et al. Increased frequency of extreme Indian Ocean Dipoleevents due to greenhouse warming[J]. Nature, 2014, 510(7504): 254-258.

Saji N H,Goswami B N, Vinayachandran P N, et al. A dipole mode in the tropical IndianOcean[J]. Nature, 1999, 401(6751): 360-363.

Xu C, AnW, Wang S Y S, et al. Increased drought events in southwest China revealed bytree ring oxygen isotopes and potential role of Indian Ocean Dipole[J]. Scienceof The Total Environment, 2019, 661: 645-653.