深时厄尔尼诺-南方涛动模拟研究

国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”胡永云教授团队使用地球系统模式对2.5亿年以来的ENSO活动开展了系统模拟研究，发现厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象自2.5亿年以来一直存在，揭示了ENSO振幅的演变与温跃层深度和大气随机扰动的变化密切相关，这一结果为未来气候态下的ENSO预测和不确定性约束提供了重要的启示。研究成果以Persistently active El Niño–Southern Oscillation since the Mesozoic为题，于2024年10月21日在线发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）。

现代ENSO是热带太平洋海气相互作用的结果，是年际时间尺度最强的气候模态，对于调控全球气候系统起到重要作用。过去的2.5亿年经历了巨大的气候变化和海陆分布变化，研究深时冷暖期ENSO活动对预测未来ENSO及其对全球气候的影响具有重要的借鉴意义。系统地数值模拟研究不仅有助于我们理解ENSO在地质时间尺度上的演变，通过与地质记录对比和检验，还可以验证现有的ENSO理论，包括ENSO与气候平均态之间的关系，从而更好地约束未来的ENSO预测。

使用海气耦合地球系统模式（CESM1.2.2），胡永云团队针对过去2.5亿年开展了系列模拟试验（每1千万年一个气候平衡态试验）。在2.5亿年前（250 Million years ago (Ma)，海陆分布为一个潘基亚超大陆和一个泛大洋，全球平均地表温度（global mean surface temperature, GMST）为25.5 °C（图1A），比工业革命前（pre-industrial, PI）时期高出十多度（图1C）。在潘吉亚超大陆的裂解后， GMST为19.7 °C（图1B，150 Ma）。尽管不同地质时期温度变化巨大，海陆分布存在巨大差异，盛行东风下的赤道太平洋“暖池-冷舌”海温分布和“西深东浅”的温跃层倾斜结构基本维持不变（图1A-F，图2A）。

2.5亿年以来，海表温度年际变率最大值一直位于赤道东太平洋（120°W附近，图1G-I，图2B），说明2.5亿年以来一直存在ENSO活动。PI时期的ENSO振幅最弱，为0.6 °C，150 Ma最强，为1.3 °C（图1H和I）。在没有深入分析研究之前，一个似乎合理的推测是，深时ENSO振幅变化与GMST或赤道洋盆宽度等有关，但实际分析表明，ENSO振幅与GMST、赤道纬向海表温度梯度以及洋盆的宽度之间并不存在显著相关性（图2C、2D）。

根据现代ENSO的充电振子（Recharge Oscillator, RO）理论模型，线性Bjerknes stability index（BJ index）能够解释2.5亿年以来ENSO振幅变化的57%方差，其中纬向平流正反馈和温跃层正反馈的贡献起主导作用。其中，正反馈受赤道西太平洋温跃层深度的调控，当温跃层较深时，赤道温跃层东西倾斜程度对海表风应力的响应减弱，从而使纬向平流正反馈和温跃层正反馈的强度减弱，导致ENSO振幅减弱，反之亦然。此外，ENSO振幅还受大气随机扰动的影响。在大气随机扰动较强的时期，ENSO振幅较强，反之亦然。线性增长率和大气随机扰动相互独立，两者能够解释2.5亿年以来ENSO振幅变化的76%方差。

该研究是在国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）资助下完成的。全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2404758121。