北大西洋海表面温度多年代际变异的形成机制研究

The instrumental record of global surface temperature since 1850s shows a secular global warming trend modulated by the multidecadal variability with a period of 60-70 years, mainly from the North Atlantic sea surface temperature, hence called Atlantic multidecadal oscillation (AMO). AMO is nonetheless of major socio-economic importance because it is linked to important climate phenomena such as North Hemisphere mean surface temperature, Atlantic hurricane activity and Sahel rainfall, and it hinders the detection of anthropogenic signals since its positive (negative) phase exaggerates (obscures) the global increase in temperatures due to human-induced global warming. Understanding the mechanism and dynamics of AMO remains a challenge and one of the key problems of global change community. .Based on the investigation of global sea surface temperature, it is shown that AMO could be established by two orthogonal processes without the characteristic of a period of 60-70 years. These two processes may be closely related to the air-sea interaction and the meridional overturning circulation in the North Atlantic, respectively. This proposal will test this hypothesis through the analysis of observations, reanalysis datasets, and the sensitivity model experiments, to reveal how the time scale of AMO is established. The output of this study will benefit the global climate models and the projection of future climate change.

过去一百五十多年来全球变暖趋势上叠加着一个具有60-70年准周期的振荡，主要来源于北大西洋海表面温度的多年代际变异（AMO）。AMO不仅与北半球平均表面温度、北大西洋飓风、撒哈拉沙漠降雨等重要气候现象密切相关，而且其正（负）位相会显著加强（减弱）全球变暖的效应，给区分人类活动对气候变暖的贡献带来很大困难。因此，关于AMO形成机制的研究一直是全球变化研究的关键科学问题之一。本申请基于对全球海表面温度的分析发现，AMO的时间尺度可能是由两个并不具有60-70年周期特征的物理过程共同作用的结果，这两个过程可能分别对应于北大西洋海气相互作用和北大西洋经向翻转环流变异。本申请将通过分析观测、再分析数据和敏感性数值实验检验这一科学猜想，揭示AMO多年代际变异时间尺度的形成机制，为提高全球气候系统的预测能力提供依据。

过去一百五十多年来全球变暖趋势上叠加着一个具有60-70年准周期的振荡，主要来源于北大西洋海表面温度的多年代际变异（AMO）。AMO的正（负）位相变化会显著加强（减弱）全球变暖效应，给区分人类活动对气候变暖的贡献带来很大困难。因此，关于AMO形成机制的研究 一直是全球变化研究的关键科学问题之一。.本项目深入开展了AMO的特征和机制分析，指出大西洋的多年代际变异是大西洋海洋环流（特别是大西洋经向翻转环流AMOC）和大西洋海气相互作用的共同作用形成。其中，AMO与AMOC之间的位相关系受全球气候变化的调制：在工业革命前，AMO与AMOC处于同位相关系；而随着温室气体排放，表面辐射作用增强，AMOC的变化会通过调制向深层海洋热输送的变化影响表面温度变异，从而逐渐形成AMOC与AMO之间的位相差。观测数据显示，自1950年以来，AMO与AMOC之间的位相差大约接近90度。我们也发展了理论模型重现了观测给出的AMOC与AMO之间的位相关系。夏季北大西洋涛动（sNAO）的位相转换会影响大西洋海表面温度、格陵兰冰盖表面温度的变化，这种位相转换在2013-2016年间非常明显，导致格陵兰冰盖表面温度出现显著降低、格陵兰冰盖融化速度显著减缓。.基于上述研究成果，项目提出了深层海洋热输送影响全球表面气候变化的科学猜想，凸显了海洋环流在全球气候变化中的作用，并且明确了这种影响机制的作用时间尺度，是进一步提升气候模式模拟能力的科学基础。项目相关研究成果在Nature杂志发表第一作者论文1篇，取得较广泛的关注和讨论；在Nature Communications、Journal of Climate、Climate Dynamics、Environmental Research Letter、《科学通报》等国内外主要学术期刊发表论文8篇，完成了项目预期的研究目标。.项目提出了更深入的科学问题，包括未来二氧化碳排放趋于稳定，实现碳达峰和碳中和时，AMOC的变化对全球气候的影响作用是什么？深层海洋热输送的物理机制所适用的时间尺度是什么？AMOC的变化是否会影响全球海平面变化？这些问题的深入研究，将逐步形成关于大西洋经向翻转环流与全球气候变化的系统理论，并逐步完善关于海洋在全球气候变化中作用的科学认识。