摘要：太平洋沃克環(huán)流是低緯熱帶地區在年際尺度上最關(guān)鍵的大氣環(huán)流系統之一。由于觀(guān)測數據的歷史記錄太短，關(guān)于沃克環(huán)流如何響應氣候系統外部強迫因子（例如溫室氣體和火山活動(dòng)等）的問(wèn)題仍存在爭議。最近的一項突破性研究首次重建了過(guò)去800年的沃克環(huán)流指數。結果表明，盡管1992年至2011年期間的沃克環(huán)流強度達到了20世紀以來(lái)的最高水平，但這并非過(guò)去八個(gè)世紀中最強的一段時(shí)期。而這一顯著(zhù)的強度變化是火山活動(dòng)和人為氣溶膠排放共同影響的結果。
太平洋沃克環(huán)流（Pacific Walker circulation，PWC）是一種受東西向太平洋海溫梯度驅動(dòng)而形成的大尺度東西向環(huán)流系統。該環(huán)流在印度-太平洋暖池和海洋性大陸地區表現為上升氣流、而在東太平洋的冷水區則呈現為下沉氣流。作為年際尺度上低緯熱帶最重要的區域大氣環(huán)流系統之一，沃克環(huán)流與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）存在密切的耦合關(guān)系，并通過(guò)遙相關(guān)機制顯著(zhù)地影響全球的溫度與降水的變化模式。
由于沃克環(huán)流的觀(guān)測記錄較短，導致沃克環(huán)流對于外強迫的響應仍存在爭議。多數氣候模式模擬結果顯示，21世紀由溫室氣體驅動(dòng)的全球增暖效應會(huì )導致沃克環(huán)流逐漸減弱（Sandeep et al., 2014）。另一方面，觀(guān)測數據卻顯示，公元1980年以來(lái)東西向海表溫度與海平面氣壓的梯度有所增強，暗示著(zhù)在全球持續增溫的背景下沃克環(huán)流近年來(lái)反而呈現增強的趨勢（Chung et al., 2019）。因此，對沃克環(huán)流在長(cháng)時(shí)間尺度上的精確重建變得至關(guān)重要，以期解決這一明顯的爭議。
最近，多個(gè)古氣候代用記錄集[包括古全球變化計劃過(guò)去2000年同位素數據集（PAGES Iso2k database）、石筍氧同位素季風(fēng)與分析數據集（Speleothem Isotope Synthesis and Analysis，SISAL database）等）]相繼公布，為精確重建沃克環(huán)流的長(cháng)期變化提供了契機。澳大利亞國立大學(xué)地球科學(xué)研究院Georgina Falster教授及其團隊基于以上古氣候代用記錄集，利用其中59條古氣候代用記錄同位素數據（圖1b，包括冰芯、樹(shù)輪、湖泊沉積、珊瑚、石筍），并利用8種不同的統計學(xué)方法重建了公元1200–2000年沃克環(huán)流指數的變化（Falster et al., 2023）。利用多種類(lèi)型代用記錄集成重建環(huán)流指數的優(yōu)勢在于，一方面，通過(guò)使用多種類(lèi)型和空間分布廣泛的代用記錄，能有效地減少單一類(lèi)型記錄可能帶來(lái)的系統偏差，提升重建結果的空間代表性；另一方面，應用多種統計學(xué)方法也有助于進(jìn)一步降低由于重建方法本身的差異而導致的結果不確定性（Shi et al., 2022）。
圖1 公元1200–2000年太平洋沃克環(huán)流的重建（a）與代用記錄分布情況（b）（Falster et al., 2023）
公元1200–2000年太平洋沃克環(huán)流指數序列重建結果（圖1a）表明，在年際至年代際尺度上，20世紀前的沃克環(huán)流指數可能受火山強迫影響導致其變化幅度偏大，而20世紀后該梯度基本圍繞均值穩定波動(dòng)。此外，相較于工業(yè)革命前（1200–1849 CE），工業(yè)革命后（1850–2000 CE）的沃克環(huán)流指數低頻變化信號更強。工業(yè)革命后沃克環(huán)流指數正異常增多，海溫也相應地更多呈現拉尼娜狀態(tài)。
為更進(jìn)一步探討沃克環(huán)流的變化機制，該團隊利用再分析資料（HadSLP、HadSLP2、ICOADS、ERA-20C）和氣候模式過(guò)去千年模擬試驗（CESM-LME，PMIP3，PMIP4）研究了沃克環(huán)流指數對火山強迫的響應。結果表明：（1）多套再分析資料證實(shí)沃克環(huán)流指數在公元1992–2011年明顯偏高，這與重建結果相吻合；（2）火山噴發(fā)后2–3年內，沃克環(huán)流指數呈負異常，海溫趨于厄爾尼諾狀態(tài)；（3）1992–2011年沃克環(huán)流異常增強是1991年皮納圖博火山噴發(fā)和工業(yè)革命后北半球人為氣溶膠排放共同作用的結果；（4）重建的PWC指數與全球溫度之間存在較弱的反相關(guān)關(guān)系，而工業(yè)革命后這一關(guān)系減弱。這可能是由于全球溫度對沃克環(huán)流的熱力學(xué)影響在一定程度上被人為強迫所掩蓋（圖2），因為人為氣溶膠排放會(huì )導致沃克環(huán)流增強。
圖2 重建的沃克環(huán)流指數與全球表面溫度的相關(guān)性（Falster et al., 2023）
Georgina Falster團隊重建的過(guò)去800年沃克環(huán)流指數序列，使得量化分析人為強迫和火山強迫對沃克環(huán)流的影響成為可能，這無(wú)疑為未來(lái)的沃克環(huán)流研究奠定了堅實(shí)的數據基礎。然而，該研究并未明確解釋在1992–2011年沃克環(huán)流異常增強的現象中，外強迫與內部變率的相對貢獻應該如何考量？同樣，不同強迫是通過(guò)什么機制影響沃克環(huán)流，也尚未被詳細地探討。這些問(wèn)題都是在未來(lái)研究中亟待深入分析和解答的重要議題。
主要參考文獻
Sandeep S, Stordal F, Sardeshmukh P D, et al. Pacific Walker Circulation variability in coupled and uncoupled climate models[J]. Climate Dynamics, 2014, 43: 103-117.
Chung E S, Timmermann A, Soden B J, et al. Reconciling opposing Walker circulation trends in observations and model projections[J]. Nature Climate Change, 2019, 9（5）: 405-412.
Falster G, Konecky B, Coats S, et al. Forced changes in the Pacific Walker circulation over the past millennium[J]. Nature, 2023. （原文鏈接）
Shi F, Goosse H, Li J, et al. Interdecadal to multidecadal variability of East Asian summer monsoon over the past half millennium[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2022, 127（20）: e2022JD037260.
（撰稿人：楊媛媛、史鋒/新生代室）
