中国海洋大两院士首揭蝴蝶效应和厄尔尼诺现象对全球变暖的影响学术资讯

来源：中外学术情报

厄尔尼诺和拉尼娜统称为厄尔尼诺-南方涛动（ENSO），不仅具有高度后果性，而且具有很强的非线性性。例如，发生在赤道东太平洋的厄尔尼诺现象最大的暖异常要大于以赤道中太平洋为中心的拉尼娜的最大寒冷异常。相关的大气非线性热阻尼在厄尔尼诺期间使赤道太平洋变冷，而在拉尼娜期间则变暖。在温室气候变暖下，气候模型预计发生强烈的厄尔尼诺和拉尼娜事件的频率会增加，但不同模型之间的变化差异很大，这部分归因于内部变异。
2020年9月2日，中国海洋大学蔡文炬院士及吴立新院士共同通讯在Nature 在线发表题为“Butterfly effect and a self-modulating El Niño response to global warming”的研究论文，该研究表明就像蝴蝶效应一样，对相同初始条件的无穷小随机扰动会引起完全不同的初始ENSO变异性，这会系统地影响其对一个世纪后温室变暖的响应。这种ENSO随时间变化的自调节为理解气候变化中多个时间尺度上ENSO的变化动力学提供了不同的视角。
另外，2020年5月29日，中国海洋大学张钰团队在Science 在线题为“Strengthening of the Kuroshio current by intensifying tropical cyclones”的长文报道，该研究涡流的大量消散以及对反气旋涡流消散的强烈偏见与热带气旋活动直接相关。在台湾东部，近几十年来热带气旋呈显著加剧趋势，海洋呈现出相应的正PV异常上升趋势。由涡流向西传播，正的PV异常数量不断增加，影响了洋流，导致平均流向下游加速。这与减少流域规模的风应力相反，并且对温带海洋和气候具有潜在的重要变暖影响。总的来说，自1960年代初首次发现以来，中尺度涡旋一直是海洋环流的动能。该研究已经证明了热带气旋与涡流场的实质性衰减之间的联系，从中涡流逐渐将能量转移至较小的规模，从而更易于分散和混合。此外，由于热带气旋发生的季节变化，这种衰变过程具有明显的季节性，这加快了规模较小的能量级联以及深海中相关混合的增强。最后，该研究结果表明，热带气旋对涡旋场的修正通过改变黑潮的运输方式，在热带气旋与气候变化之间产生了积极的反馈。

厄尔尼诺和拉尼娜事件影响全球的极端天气，生态系统和粮食生产，但其影响高度不对称。例如，在1997年的强烈厄尔尼诺事件期间，赤道东太平洋发生了异常高的海面温度（SST），在厄瓜多尔和秘鲁北部引发了洪水，并向热带汇合带和南部赤道方向移动。太平洋融合区，导致整个太平洋发生灾难性的洪水和干旱。但是，在1998年的拉尼娜（LaNiña）强烈事件期间，赤道中太平洋发生了最大的冷异常，导致西太平洋的强烈对流，造成了灾难性的洪水，严重的食物短缺和水传播的流行病的蔓延，
这种不对称影响是由非线性厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）动力学控制的，表现为东太平洋（EP）和中太平洋（CP）ENSO体制，其特征分别是赤道东太平洋和中太平洋的海表温度异常。在厄尔尼诺CP事件期间，西太平洋大气深对流的东移是有限的，暖水向东异常对流是主要现象。
在拉尼娜CP事件期间，太平洋中部的赤道热跃线比正常情况要浅，这通常是由于先前厄尔尼诺 EP事件的放热所致，这促进了冷异常的快速增长，导致太平洋中部的负SST偏斜。在正常寒冷和干燥的东部太平洋地区，由于浅层气候平均温跃层的有限向上位移，限制了冷异常的增长。相反，这种环境有利于在厄尔尼诺EP 期间形成强烈的暖异常和深层大气对流。这会触发非线性的Bjerknes正反馈，其中纬向风的响应会随着正SST异常而非线性增加，从而导致正SST偏斜。
对于该研究首次发现并提出，厄尔尼诺可以通过气候系统的非线性作用“记住”其过去的表现并对其将来变暖下的响应做出相应调整。通过对历史与将来温室气体强迫的气候模型进行若干次重复试验，每次试验只在初始条件中增加一点随机的微小扰动，研究发现模型气候系统接下来厄尔尼诺的演变发展都会截然不同（类似于“蝴蝶效应”）。
在这看似杂乱无章的演化过程背后却蕴含着深刻的内在联系：如果初始阶段的厄尔尼诺较为活跃（变率较强，发生频率较高），则在一个世纪以后的全球变暖下厄尔尼诺的变率增加幅度较小，反之亦然。本研究认为，导致这种变化的原因在于起始阶段较活跃的厄尔尼诺会使得热带海洋向大气输送更多的热量，这就延缓了全球变暖引发的上层海洋层结增加，进而减缓海洋-大气之间的耦合效率，从而使得厄尔尼诺的变率增加减缓。这一厄尔尼诺现象的自我调节机制在国际主流气候模式中均得到了验证。
上述研究成果的发现为认识气候变率尤其是厄尔尼诺事件在跨时间尺度以及气候变化背景下的调整演化提供了全新的视角，为理解气候模式对未来预测的差异化结果提供了合理的科学解释，对国际社会应对气候变化与制定气候政策具有重要指导作用。

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