本站讯 近日，由中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室张绍晴教授团队联合国际国内相关团队在全球海洋经向翻转流研究方面取得新进展。研究基于自主创新的2个独立耦合同化系统及其产生的多圈层耦合再分析数据集，揭示了过去80年发生的火山爆发事件会在全球海洋经向翻转流上打下深刻的烙印，从而影响后续几十年的气候变率。Nature Communications期刊以“The Coupled Reanalysis Global Meridional Overturning Circulation Imprinted by Historic Volcano Eruptions（《耦合再分析揭示全球海洋经向翻转流对火山事件的深刻印记》）”为题，对成果进行在线报道。
全球海洋经向翻转环流（GMOC）是承载全球上层海洋与深层海洋、热带与极地海域物质能量循环的 “主动脉”。大量研究表明，GMOC对全球及区域气候均有重要影响。然而，由于模式和观测系统的不完备，人们对GMOC历史演变的认识，一直处于比较模糊的状态。目前，将大气海洋观测信息融入多圈层耦合模式是重建地球气候系统历史状态的有效途径，但对GMOC的历史重建因为要求再现海洋垂直运动，而海洋垂直运动与海洋整体的垂直层结密切相关，深海观测信息的缺失和模式在深海的模拟偏差，导致获得贴合历史演变的海洋层结极其困难，这是GMOC历史重建工作亟需突破的关键瓶颈。
为突破这一瓶颈，研究团队首先针对GMOC空间结构和时间变率缺少直接观测验证的问题，创新研发了2个独立耦合同化系统来互为验证，以评估把控耦合再分析的不确定性。随后，发展了包括气候态逼近补偿在内的多尺度耦合同化算法，通过对1945年后的大气海洋观测资料进行同化，创建了2套80年来地球气候系统多圈层协同演变的耦合再分析数据集，定量评估其对GMOC的重建能力。结果表明，2套重建的耦合再分析数据集中的海洋层结特征高度吻合并与观测一致（图1a–h），GMOC平均态结构和时间变率可清晰演示其历史演变特征。进一步追踪多圈层信号传播路径（图1i–l）发现，历史火山爆发引发的辐射强迫会引起GMOC 的显著变异。以1991年皮纳图博火山（The Mt. Pinatubo）爆发事件为例，该火山活动造成北大西洋海温冷却，加深该区深对流，进而诱发持续数十年的经向翻转环流异常。
图1. 两个耦合再分析中趋同的全球经向翻转环流（GMOC）平均态和变率及相关的主要物理模态
研究分析了GMOC与相关物理模态之间的协同变化关系，进一步揭示了由北大西洋深层模态水（NADW）、热带混合扩散过程以及南极绕极流剩余环流主导的北大西洋、热带海洋区域和南大洋的翻转流分支的相互作用。本研究发展的多尺度耦合同化算法通过约束风场显著改善了南大洋风驱环流的模拟，并通过同化次表层温盐、约束深海偏差，优化了北大西洋和热带的跨等密度面混合过程，使南大洋、热带海洋和北大西洋翻转流变率的模拟能力得到大幅度提升，从而显著增强了重建的GMOC对火山爆发等重大历史事件的代表性。2套耦合再分析可复现20世纪后半叶三次历史强火山爆发的全球海温冷却信号（图2a–c），1982年埃尔奇琼与1991年皮纳图博火山的冷却叠加，催生了一个超强的年代际尺度北大西洋海温冷异常，以2~3年垂直输运驱动NADW显著增强（图2d），该显著增强的NADW对GMOC跨年代际变率产生实质性影响。
研究进一步剖析大气环流与海表浮力通量的响应过程，揭示不同火山事件对GMOC的差异化影响机制，指出北大西洋涛动（NAO）与南半球环状模（SAM）是调控GMOC火山响应强度的关键大气背景模态。1991年皮纳图博火山爆发对应NAO正位相，形成有利的环流背景并显著增强北大西洋深对流，使GMOC呈现出最为剧烈的响应特征；而在1963年阿贡火山爆发期间，NAO与SAM同步处于负位相，双重环流抑制效应大幅削弱了北大西洋深层水的生成强度（图2g）。从海洋动力过程来看，火山气溶胶的辐射效应可通过扰动北大西洋海表浮力通量、改变区域跨等密度面混合强度，调控高纬深对流的发生和演变，最终影响GMOC的年代际变率。
图2. 二十世纪下半叶北大西洋深层水（NADW）对大型火山爆发事件的响应
本研究利用耦合资料同化与再分析技术，探讨全球海洋经向翻转环流及相关物理模态在多尺度时间范围内的演变特征，以强火山爆发这一外部强迫因子为切入点，探讨其对GMOC数十年尺度变化的可能影响。研究结果有助于增进对气候系统内部多尺度过程的理解，多圈层信号溯源也为极端气候事件的可预报性研究提供了新的视角。研究工作得到了崂山实验室科技创新项目、国家自然科学基金、山东省泰山学者等基金的共同资助。
文：侯霞
编辑：刘莅
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