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中全新世以来太阳活动驱动的太平洋上层水体变动 ---- 来自 UViC 瞬变模拟的启示

中全新世以来太阳活动驱动的太平洋上层水体变动 ---- 来自 UViC 瞬变模拟的启示. 王跃 (1) ， 翦知湣 (1) ， 赵平 (2) ， 肖栋 (2) （ 1 ） State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai （ 2 ） National Meteorological Information Center, and State Key Laboratory of Severe Weather, Beijing 2011-10-19. Outlines. 研究背景及科学问题

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中全新世以来太阳活动驱动的太平洋上层水体变动 ---- 来自 UViC 瞬变模拟的启示

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  1. 中全新世以来太阳活动驱动的太平洋上层水体变动----来自UViC瞬变模拟的启示中全新世以来太阳活动驱动的太平洋上层水体变动----来自UViC瞬变模拟的启示 王跃(1)，翦知湣(1)，赵平(2)，肖栋(2) （1） State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai （2） National Meteorological Information Center, and State Key Laboratory of Severe Weather, Beijing 2011-10-19

  2. Outlines • 研究背景及科学问题 • UViC模式及试验设计 • 瞬变模拟中热带太平洋上层水体响应特征 • 初步结论

  3. 研究背景 • 现代观测和模拟研究中太阳活动-气候联系 : • 那么，在整个全新世期间（过去一万年）：  太阳活动能否在百年或千年时间尺度上产生显著的气候响应?

  4. 人类对太阳活动的定量观测，始于太阳黑子数目变化人类对太阳活动的定量观测，始于太阳黑子数目变化 400yrs’ observed record of Sunspot numbers

  5. 太阳活动的历史观测记录 总太阳辐照度 TSI 银河系宇宙射线强度 地磁强度指标 极光 太阳黑子个数 宇宙核素 (Be10) 浓度

  6. 宇宙核素指示的太阳活动长期变化 基本机制 • 太阳风强度与太阳总辐照度(TSI) 正相关(仍未得到有效物理检验) • 与太阳风相关的磁场强度使宇宙射线发生偏转 • 宇宙射线产生放射性同位素10Be和14C • 高TSI 对应于较低的宇宙核素（10Be 和14C）生产速率 • 10Be 从冰芯中获取 • 14C 从树轮记录中获取 百年-千年尺度太阳活动重建

  7. 全新世TSI重建 太阳活动特征周期: 27 天: 太阳自转 11 年: Schwabe cycle 88 年: Gleissberg cycle 208 年: Suess cycle 2300 年: Hallstatt cycle Fig 3a. 根据Δ14C 数据重建的11.5ka以来太阳黑子数SN记录(10年平均) [Solanki et al., 2004] Figure 2. 根据冰芯10Be 重建的过去9300年TSI记录(40年平均) [Steinhilber et al., 2009]

  8. 全新世TSI重建记录的频谱特征：百年尺度波动 208 1100 357 769 142 88 102 500

  9. TSI (total solar irradiance) 太阳驱动的气候敏感性 1.4 W m-2=0.12K 大气层顶TSI =1366 W m-2，则地表接收太阳辐射F=(1-0.3)TSI/4=239W m-2 全球平均表层温度变化ΔTS= λ*ΔF；其中，气候敏感性λ=0.5 K (W m−2)−1 [IPCC, 2007] Haigh(2002)估计， 1986-1991之间，11年周期上，大气层顶TSI 变化0.1% (1.4W m-2 )，可以导致表层变暖0.12K ( (λ=0.49K (W m−2)−1) (Gray et al., Rev. Geophys., 2010) 实际上，观测的对流层温度变化在一个太阳周期上约0.5 K. Figure 2: TSI 及全球对流层温度异常.

  10. 海洋 (表层海温SST&次表层海温TWT) White (1998)估计，要使全球SST变暖0.1°C ，需要海表TSI增加0.5 Wm−2(λ=0.3 K (W m−2)−1). (White et al., 1998, JGR) (White et al., 1997, JGR) BT (Bathythermograph) data表明：太阳信号可传输至 80-160m水深 次表层海温: 在11和22年周期上变幅为0.01-0.03K 和0.02-0.06K SST在11年和22年周期上变幅为: +0.04K 和+0.07K

  11. Backgrounds and motivation 观测 -1℃ 模拟 11年太阳活动高值期，可能导致热带太平洋SST的小幅度La Niña异常 ENSO，ITCZ，夏季风降雨。。。。 [Meehl et al., 2009; Rind et al., 2008]

  12. 研究背景 • 现代观测和模拟研究表明 : 在十年-十年际时间尺度上，由于气候系统内部反馈, 微弱的太阳活动变化可以产生显著的表层气候响应. • 那么，在整个全新世期间（过去一万年）：  太阳活动能否在百年或千年时间尺度上产生显著的气候响应?

  13. 太阳驱动的全新世气候变化 • 大量证据表明：太阳活动对古气候变化有显著驱动作用. [Bond et al., 2001; Denton and Karle´n, 1973; Fleitmann et al., 2003; Hodell et al., 2001; Magny, 1993; Neff et al., 2001; Van Geel et al., 1996; Verschuren et al., 2000] 百年尺度的太阳辐照度高值期(low Δ14C ) 阿曼石笋Δ18O 负值 (ITCZ降雨北移) Figure 8. The Δ18O time series from the Hoti cave in northern Oman compared with tree ring Δ14C Cariaco盆地沉积记录中的Ti含量，同样指示类似的墨西哥湾ITCZ降雨北移[Haug et al., 2001; Poore et al., 2004]. Neff et al.[2001]

  14. 太阳活动-气候联系 太阳活动低值 (高14C ) 14C 生产速率(红线) 和： (top) 北大西洋冰筏碎屑 (IRD) 北大西洋海冰扩展(positive IRD values) [Bond et al., 2001]  阿拉斯加亚北极区潮湿寒冷条件(more negative BSi values) (middle) 阿拉斯加亚北极区Arolik湖泊生源硅(BSi) [Hu et al., 2003] ITCZ北移，阿曼南部季风降雨减少， (more positive d18O values) (bottom) 阿曼南部石笋d18O 记录（detrended） [Fleitmann et al., 2003] (Gray et al., Rev. Geophys., 2010)

  15. Review- 早全新世太阳驱动的ENSO变化 ENSO对外部辐射驱动的响应: 太阳活动最大值 热带太平洋 SST为La Nina格局(cooler EEP) Fig. S2. Cross wavelet transforms of Soledad Basin Mg/Ca vs. cosmogenic 14C production Fig. 3. Soledad Basin Mg/Ca record compared to solar proxies 14C and 10Be 800-1000 yrs period Marchitto et al., 2010, Science

  16. Review- 早全新世太阳驱动的ENSO变化 • 因此，早全新世太阳活动最大值热带太平洋La Niña 格局，亚洲夏季风增强； • 而太阳活动最小值期间,El Nino驱动的NAO负位相及对应风场变化，可能增强北大西洋IRD (Bond et al.,2001). • 上述早全新世ENSO 进一步得到数值模拟结果验证 (Emile-Geay et al.,2007).

  17. Emile‐Geay et al. [2007] 用中等或较大幅度的的太阳活动变化驱动简单的ZC模式，结果表明，全新世百年-千年尺度 (200-1000 yrs)上东西太平洋SST梯度变化显著，说明ENSO可以响应太阳活动驱动. 200-500years 800-1000years

  18. 太阳驱动的“海洋热机” 机制 • Clement et al. [1996] 认为： • 对整个热带区域均匀加热，会导致赤道太平洋西侧比东侧更暖，这是由于东太平洋较强的海洋上升流和表层辐散把热量向极地方向传输，从而增强东西向SST梯度. • 因此，ENSO 可以作为太阳驱动的传导器: 太阳辐照度增加(solar maxima)  赤道西太平洋比东太平洋更暖, 热带太平洋SST呈La Nina格局 (1)NAO正位相 风场变化导致北大西洋IRD减少; (2) 印度和东南亚夏季风降雨增强. (3) ITCZ北移

  19. However • 大部分关于太阳-气候联系的假说都基于现代观测研究，很多都限制于年际-十年际时间尺度上；而全新世太阳驱动的气候变化更多限制于古气候记录对比分析，缺乏数值模拟的物理机制支撑； • 关于太阳驱动的全新世ENSO响应，当前唯一的瞬变模拟[Emile‐Geay et al., 2007] 使用简单的ZC模式（专为研究ENSO过程开发，且局限于热带太平洋）; 其结果对模式的依赖性仍不清楚，需要进一步用其他模式来检验其结果可靠性

  20. Motivation 中全新世以来千百年尺度的太阳活动对热带太平洋ENSO的驱动是否仅限于简单的ZC模型? 其他气候模式中（例如中等复杂程度模式）会如何响应? 瞬变太阳活动驱动下，表层海洋热力响应的空间格局和时间演变? 整个上层水体（次表层）是否同步响应？

  21. Outlines • 研究背景及科学问题 • UViC模式及试验设计 • 瞬变模拟中热带太平洋上层水体响应特征 • 初步结论

  22. 模式介绍 UViC_ESCM (University of Victoria Earth System Climate Model) An EMIC (中等复杂程度地球系统模式) (Weaver et al., 2001) 大气分量: 动力学能量-水汽平衡模式 海洋分量： • 基于GFDL MOM的3D GCM • 水平3.6º X1.8º; 垂向19层 海冰分量： •多层动力- 热动力学海冰 •多类别冰厚分布

  23. The UViC Earth System Climate Model Sea surface temperature (SST) 年平均表层大气温度(SAT) Model (red) Observation (green) Model (red) NCEP observation(green)

  24. 试验设计 (Steinhilber, et al., 2009) 轨道辐射量变化（Berger，1978） • 加速因子=10 (即1 模式年=10年) • 积分区间: 9300 – 0 Year B. P. (实际930 模式年) 驱动 试验1 (Exporb): 全新世控制实验 输出 UViC模式（灰盒子） 试验2 (Exporb+solar) :太阳驱动试验 驱动

  25. 数据处理流程 • (1) ：两个试验的逐月平均输出转化为季节平均 • (2) ：计算两个实验差值(Exp2减去Exp1) 以消除轨道辐射量变化的影响，同时去除长期线性趋势； • (3) ：对(2)得到的季节平均差值进行EOF分析，提取其空间变化模态，以及该模态的时间演化序列 • (4) ：根据EOF空间模态分布，计算特征区域平均的时间序列 • (5) ：对区域平均时间序列计算交叉频谱

  26. Q 65oN 六月 EOF分解举例：轨道辐射量 （4万年） （10万年） 岁差 斜率 （2万年） 偏心率 EOF2(方差贡献其次) EOF3(贡献第三） EOF1(方差贡献最大) 上述情况仅是一个空间点（站位）上的时间序列； 如果全球每个点（经向360度×纬向180度）都分别EOF分解，结果分为两部分： （1）三个模态的时间序列演变（上图） （2）三个模态在空间上的分布特征（变化幅度，位相）

  27. Outlines • 研究背景及科学问题 • UViC模式及试验设计 • 瞬变模拟中热带太平洋上层水体响应特征 • 初步结论

  28. 由于ENSO活动在北半球冬季最为显著，因此取冬季SST结果进行EOF分析由于ENSO活动在北半球冬季最为显著，因此取冬季SST结果进行EOF分析 EOF空间模态：热带西太平洋暖池响应幅度大于东太平洋冷舌区

  29. 太阳常数增大 EOF时间序列：冬季SST线性响应太阳常数变化（9点移动平均）

  30. 冬季SST结果 (2): 区域平均时间序列 太阳常数增大： 热带太平洋两侧同步变暖，但WEP变化幅度大于NINO3； 东西太平洋SST梯度（WEP-NINO3)随之增大，与Emile-Geay et al. (2007)一致； 可能指示ENSO变动，如La Nina格局 WEP：(10S-20N/120E-160E) NINO3：(5S-5N/150W-90W)

  31. 冬季SST结果(2): 交叉频谱 SST梯度频谱 太阳驱动频谱 纬向SST梯度的特征周期（左上）与太阳驱动（未平滑）（右上）类似： 交叉频谱特征周期上的相位差（右下）： 140年： -60度 208年： -40度 357年： -20度 500-769年： 0度 相位滞后随时间尺度增大而减小 说明东西太平洋SST梯度线性响应太阳驱动，进一步证实了Clement的海洋热机假说； 208 208 357 357 769 140 102 500 88 140 102 交叉频谱 相位差

  32. SST分析表明：热带太平洋ENSO过程显著响应百年尺度的太阳活动变化；但ENSO也同时涉及上层水体结构变动，因此进一步取冬季次表层海温(TWT)结果进行EOF分析SST分析表明：热带太平洋ENSO过程显著响应百年尺度的太阳活动变化；但ENSO也同时涉及上层水体结构变动，因此进一步取冬季次表层海温(TWT)结果进行EOF分析 EOF空间模态：南北半球10-30度之间副热带太平洋响应幅度大于赤道西太平洋区域；

  33. 对比：现代太平洋次表层海温气候态分布

  34. 太阳常数增大 EOF时间序列：冬季TWT线性响应太阳常数变化（9点移动平均）

  35. 冬季TWT结果 (2):区域平均时间序列 太阳常数增大： 副热带北太平洋(NPac )和赤道西太平洋(WEP)同步变暖，但副热带变化幅度大于赤道区； 太平洋TWT经向梯度随之增大，且方向与SST梯度相反， 表层： 热带暖于副热带 次表层：副热带暖于热带 温度差对应水体密度变化， 可能指示太平洋经向温跃层环流圈增强 WEP (0S-10N/120E-160W) NPac (10N-30N/120E-160W)

  36. 冬季SST结果(2): 交叉频谱 TWT梯度频谱 太阳驱动频谱 太平洋经向TWT梯度在百年尺度周期上也线性响应太阳驱动； 交叉频谱特征周期上的相位差： 208年： -60/-80度 357年周期：-50度 500年周期：-40度 769年周期：-20度 相位滞后随时间尺度增大而减小，但相对于SST仍总体明显偏大 交叉频谱 相位差 769 500 357 208

  37. 结论： • 中全新世以来的百年时间尺度上，随太阳辐照度增加，西太平洋暖池区SST增温幅度大于东太平洋冷舌区，热带太平洋纬向SST梯度增强，进而调控ENSO活动强弱； • 太平洋上层水体结构也同样变化显著，副热带太平洋次表层海温增加幅度大于赤道西太平洋区域，导致次表层水体经向温度梯度增加，可能指示经向温跃层环流圈增强； • 上述百年尺度变化均表现为太阳驱动的线性响应（频谱特征类似），次表层海水相位滞后总体比表层大20-30度，但随着时间尺度增加，两者相位滞后均呈逐步减小趋势。

  38. Thank you!

  39. 太平洋20℃等温面深度分布 图1 　气候平均的太平洋20 ℃等温面深度分布(1980 —2001)(刘赟,2003)

  40. 太平洋上层海水热含量分布 图2 　气候平均的太平洋20 ℃等温面以浅海水热含量分布(1980 —2001)) (刘赟,2003)

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