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太平洋冷舌在轨道进动下的两个年度周期gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba体积gydF4y2Ba611gydF4y2Ba，gydF4y2Ba页面gydF4y2Ba295 - 300 (gydF4y2Ba2022gydF4y2Ba）gydF4y2Ba引用本文gydF4y2Ba

主题gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

太平洋冷舌海温的年度周期被认为是由地球的轴向倾斜所驱动的gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba(倾斜效果)，因此它的相位应该相对于日历是固定的。然而，在几种地球系统模型中，在不同的轨道进动配置下，其相位和振幅变化剧烈且一致。在这里，我们表明冷舌具有另一个年度周期，由地球-太阳距离(距离效应)从轨道离心率的变化驱动。因为这两个周期的周期略有不同gydF4y2Ba6gydF4y2Ba，它们的干扰导致净季节性在进动周期内的复杂演化。距离效应的振幅随离心率线性增加，与过去100万年间最大离心率值的倾斜效应的振幅相当(gydF4y2BaegydF4y2Ba数值约为0.05)gydF4y2Ba7gydF4y2Ba．从机制上看，冷舌的距离效应是通过沃克环流的季节性纵向转移和随后的热带太平洋海洋-大气动力系统的年度风强迫而产生的。这一发现要求重新评估目前对太平洋冷舌年周期的理解，并重新评估热带太平洋古气候记录的年周期相位变化。gydF4y2Ba

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图1:地球轨道结构示意图。gydF4y2Ba
图2:三种不同地球系统模式下的赤道太平洋海温的年周期随LOP呈现显著且一致的季节变化。gydF4y2Ba
图3:冷舌年周期对LOP的变化是由倾斜和距离效应贡献之和引起的。gydF4y2Ba
图4:能量通量势诊断的Walker环流经度位置的距离效应。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

本研究中使用的iCESM 1.2、HadCM3、CESM 1.2和ICM输出变量见参考文献。gydF4y2Ba57gydF4y2Ba（gydF4y2Bahttps://doi.org/10.6078/D1VB0GgydF4y2Ba)．GFDL cm2.1模型输出可在参考。gydF4y2Ba58gydF4y2Ba和EC地球输出在ref。gydF4y2Ba59gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

代码的可用性gydF4y2Ba

CESM 1.2代码可以在gydF4y2Bahttps://www.cesm.ucar.edu/models/cesm1.2/gydF4y2Ba．本文中使用的分析代码可在参考文献中找到。gydF4y2Ba57gydF4y2Ba（gydF4y2Bahttps://doi.org/10.6078/D1VB0GgydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

我们感谢D. Battisti提供ICM代码，W. Boos提供能量通量诊断代码，D. Pollard和M. Erb提供固定角度日历转换代码，S. White和R. Shen提供古代理记录建议，B. Raney和J. Bosmans分别提供GFDL和EC地球模型输出。台湾中央研究院客座教授项目，由台湾科技部资助，项目编号:110 - 2811 m - 001 - 554。A.R.A.感谢国家科学基金会1903640奖的支持。C.R.T.感谢国家大气研究中心高级研究项目博士后奖学金的资助。本研究使用了加州大学伯克利分校伯克利研究计算项目提供的Savio计算集群资源(由加州大学伯克利分校校长、研究副校长和首席信息官支持)。Cheyenne上的高性能计算支持(gydF4y2Bahttps://doi.org/10.5065/D6RX99HXgydF4y2Ba)由国家科学基金会赞助的NCAR计算与信息系统实验室提供。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

  1. 美国加州大学伯克利分校地理系gydF4y2Ba

    江振宏gydF4y2Ba

  2. 中央研究院环境变化研究所，台北市gydF4y2Ba

    江振宏gydF4y2Ba

  3. 佛罗里达州立大学地球、海洋和大气科学系，美国佛罗里达州塔拉哈西gydF4y2Ba

    阿丽莎·r·阿特伍德gydF4y2Ba

  4. 威斯康星大学麦迪逊分校大气与海洋科学系，麦迪逊，麦迪逊，美国gydF4y2Ba

    丹尼尔·j·维蒙gydF4y2Ba

  5. 美国加州大学伯克利分校地球与行星科学系gydF4y2Ba

    保罗·a·尼克什gydF4y2Ba

  6. 诺森比亚大学地理与环境科学系，英国泰恩河畔纽卡斯尔gydF4y2Ba

    威廉·h·g·罗伯茨gydF4y2Ba

  7. 美国康涅狄格州斯托尔斯康涅狄格大学地球科学系gydF4y2Ba

    克雷·r·塔博尔gydF4y2Ba

  8. 罗格斯大学环境科学系，美国新泽西州新不伦瑞克gydF4y2Ba

    安东尼·j·布罗科莱gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba
  1. 江振宏gydF4y2Ba
    查看作者出版物gydF4y2Ba

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  2. 阿丽莎·r·阿特伍德gydF4y2Ba
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  3. 丹尼尔·j·维蒙gydF4y2Ba
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  4. 保罗·a·尼克什gydF4y2Ba
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  5. 威廉·h·g·罗伯茨gydF4y2Ba
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  6. 克雷·r·塔博尔gydF4y2Ba
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  7. 安东尼·j·布罗科莱gydF4y2Ba
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贡献gydF4y2Ba

j。c。h。c。a。r。a。b。构想了这项研究。J.C.H.C.进行了CESM模拟，并领导了数据分析、文稿撰写和图形设计。D.J.V.和A.R.A.负责ICM的模拟和分析。P.A.N.提供能量通量分析。W.H.G.R.和C.R.T.分别进行了HadCM3和iCESM 1.2模型模拟。所有作者都对这篇手稿的写作做出了贡献。gydF4y2Ba

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba江振宏gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

作者声明没有利益竞争。gydF4y2Ba

同行评审gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba感谢谢尚平和其他匿名审稿人对本工作的同行评议所作的贡献。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1现代观测到的太平洋冷舌年周期。gydF4y2Ba

（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)海温平均在6°S-6°N以上，表现为寒带秋季冷峰、春季暖峰的冷舌年周期。请注意，时间轴是这样的，0是一年的开始，12是一年的结束;因此，1月中旬是0.5。（gydF4y2BabgydF4y2Ba-gydF4y2BacgydF4y2Ba)海温及10米风(gydF4y2BabgydF4y2Ba)十月(寒冷高峰期)，及(gydF4y2BacgydF4y2Ba)四月(暖峰)。数据来自ERA-InterimgydF4y2Ba60gydF4y2Ba， 1979-2018年的平均数据。M_Map包gydF4y2Ba41gydF4y2Ba用于生成(b)和(c)的地图，使用来自全球自一致、分层、高分辨率地理数据库的海岸线数据gydF4y2Ba42gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

扩展数据图2不同轨道配置的赤道日照季节周期，包括图中使用的轨道配置。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在所有情况下，大气顶部向下的太阳辐射平均超过6°S-6°N，蓝色虚线是仅倾斜(e = 0)的情况。（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)工业化前的案例。（gydF4y2BabgydF4y2Ba)在LOP = 90°、e = 0.0493(黑线)和工业化前(绿线)时，与仅倾斜情况的差异。（gydF4y2BacgydF4y2Ba) LOP = 0°，e = 0.0493。（gydF4y2BadgydF4y2Ba) LOP = 90°，e = 0.0493。（gydF4y2BaegydF4y2Ba) LOP = 180°，e = 0.0493。（gydF4y2BafgydF4y2Ba) LOP = 270°，e = 0.0493。日照数据来自Erb等人(2015)的GFDL CM 2.1模拟。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba．图(b)为e = 0.0493 (~ 42W/m)情况下日照变化幅度的对比gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)和工业化前的情况(~15W/mgydF4y2Ba2gydF4y2Ba)，其中偏心距为1/3。gydF4y2Ba

图3 EC地球的冷舌年周期也随LOP的变化呈现出一致的变化。gydF4y2Ba

图中为6°S-6°N地区的气候月平均海表温度(图同)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)用于(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)最大进动，最小倾角(Pmax)， (gydF4y2BabgydF4y2Ba)最小进动、最小倾角(Pmin)和(gydF4y2BacgydF4y2BaBosmans et al.(2015)中圆形轨道最小倾角(Tmin)运行gydF4y2Ba50gydF4y2Ba．为了便于比较，每个面板都增加了一个偏移量，使得在145-275°E上的年平均海表温度与扩展数据图所示的观测数据相同。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba， 27.44℃。轨道参数略有不同，但Pmax近似于LOP = 90°模拟，Pmin近似于LOP = 270°模拟，Tmin近似于e = 0模拟。面板的列定位对应图中等效LOP或e = 0情况。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．看到gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba“地球系统模型模拟”部分的轨道参数和模拟细节。gydF4y2Ba

图4 e = 0.01和e = 0.02时，CESM LOP中冷舌海表温度年周期对LOP的变化及其拟合情况gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba) e = 0.01时，近日点经度变化时，冷舌海温(平均超过6°S-6°N, 140-90°W)。在绘图之前，将年平均值移除。（gydF4y2BabgydF4y2Ba) (a)中数据的最小二乘曲面拟合，使用方程gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．（gydF4y2BacgydF4y2Ba)及(gydF4y2BadgydF4y2Ba):除e = 0.02外，分别与(a)和(b)相同。见表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba对于拟合系数。gydF4y2Ba

图5不同倾角和距离组合作用下的赤道太平洋海温CESM 1.2年周期。gydF4y2Ba

图中是太平洋上6°S-6°N范围内的气候月平均海表温度。在所有情况下，LOP = 0°。为了便于比较，每个面板都增加了一个偏移量，使得在145°E-85°W上的年平均海表温度与扩展数据图所示的观测数据相同。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba， 27.44℃。（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba) e = 0.05，倾斜度= 23.439°(倾斜度和运行距离);（gydF4y2BabgydF4y2Ba) e = 0.05，倾斜度= 0°(仅运行距离);（gydF4y2BacgydF4y2Ba) e = 0.00，倾角= 23.439°(仅倾斜运行);（gydF4y2BadgydF4y2Ba) (b)及(c)的年周期之和，加上(a)的年平均值;和(gydF4y2BaegydF4y2Ba) e = 0，倾斜度= 0°(年强迫运行为零)。gydF4y2Ba

扩展数据图6 CESM LOP模拟的赤道温跃层响应将赤道西太平洋纬向风应力变化与冷舌变化联系起来。gydF4y2Ba

LOP个案(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba) 90°，(gydF4y2BabgydF4y2Ba) 180°，(gydF4y2BacgydF4y2Ba) 270°，和(gydF4y2BadgydF4y2Ba) 0°。gydF4y2Ba轮廓gydF4y2Ba显示了6°S-6°N在平均温跃层深度e = 0.04处的平均温度异常。首先减去所有LOP情况下的平均温度，以消除温跃层倾斜效应的影响。等高线间距为0.5K，虚线值为负;零轮廓没有显示出来。为清晰起见，只绘制了东经170°E以东的值。温跃层异常的向东传播在视觉上是明显的。阴影表示6°S-6°N范围内平均对应的纬向风应力异常;首先减去所有LOP案例的平均值，以消除倾斜效应的影响。只绘制了西太平洋(160°W以西)的数值。正值表示西风带。 Although only four LOP cases are shown here, a deeper thermocline (as indicated by warmer temperature) in the western Pacific is accompanied by a westerly wind stress anomaly (and vice versa) for all LOP cases.

图7施加距离效应的中间耦合模式(ICM)年变化的风强迫产生冷舌年周期。gydF4y2Ba

所示的所有场均为6°S-6°N的平均值。（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)距离效应从CESM 1.2的最低模式水平耦合到平板海洋的纬向风异常(等高线间隔0.75m/s，虚线为负，零等高线省略)和ICM的海表温度对施加风强迫的响应(阴影)。这显示了由风产生的海温冷舌年周期。（gydF4y2BabgydF4y2Ba全纬向风(CESM 1.2板状海洋+ ICM)异常高达160°W(阴影)和ICM温跃层深度异常170°E以东(等高线间距2m，虚线为负，零等高线省略)。这表明了风和冷舌之间通过温跃层变化的联系。（gydF4y2BacgydF4y2Ba)由于距离效应轨道强迫在CESM 1.2耦合到平板海洋的海表温度异常，显示从热力响应的距离效应日晒在12月前后达到峰值。这里海表温度变化的大小与图(a)中的ICM的变化没有直接的可比性，因为在平板海洋中缺乏海洋动力反馈，这将改变海表温度的热力学响应。看到gydF4y2Ba方法gydF4y2Ba有关“热带太平洋ICM模拟”的详细资料。gydF4y2Ba

图8由于距离效应，Walker环流的季节纵向移位。gydF4y2Ba

左栏为3 - 6月(远日点后)和右栏为9 - 12月(近日点后)各气候场仅距离运行和零年强迫运行(前者减去后者)的平均值。（gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba-gydF4y2BabgydF4y2Ba)降水(阴影)和风应力(矢量)。（gydF4y2BacgydF4y2Ba-gydF4y2BadgydF4y2Ba)赤道纬向翻转环流以矢量表示，x分量为平均10°s -10°N纬向风的发散分量(单位m/s)， y分量为压力垂直速度(单位Pa/s)乘以250，也是平均10°s -10°N。(c-d)中的绿条表示海洋大陆的大致经度。（gydF4y2BaegydF4y2Ba-gydF4y2BafgydF4y2Ba) 200mb速度势。（gydF4y2BaggydF4y2Ba-gydF4y2BahgydF4y2Ba)表面压力。图(a-b)显示了3 - 6月和9 - 12月间海洋大陆和赤道西太平洋之间赤道降水位置的变化，与赤道西太平洋赤道贸易的变化有关。图(c-d)的纬向翻转环流显示，3 - 6月海洋大陆异常下沉，赤道西太平洋异常隆起，表明Walker环流主要隆起区域东移;相反的情况发生在9月至12月。速度势在面板(e-f)上的变化以纬向波数1为主，节点在海洋大陆上方，在3 - 6月和9 - 12月之间发生符号逆转。面板的表面压力变化(g-h)显示了非洲/印度洋和太平洋之间的大气质量的跷跷板，同样以海洋大陆为节点。因此，所有显示的场都符合沃克环流在3 - 6月向东和9 - 12月向西的季节性纵向转移。M_Map包gydF4y2Ba41gydF4y2Ba使用全球自一致、分级、高分辨率地理数据库的海岸线数据来生成地图gydF4y2Ba42gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

图9 iCESM 1.2和CESM LOP模拟的冷舌年周期变化一致。gydF4y2Ba

图中为iCESM 1.2在6°S-6°N范围内的气候月平均海表温度gydF4y2Ba40gydF4y2Ba，(第二排)CESM LOP。最上面一行的数字表示近日点的经度(其中90°=冬至时的近日点，180°=春分时的近日点，270°=夏至时的近日点，0°=秋分时的近日点)，最后一列来自模拟，将偏心距设置为零。为了便于比较，每个面板都增加了一个偏移量，使得在145°E-85°W上的年平均海表温度与扩展数据图所示的观测数据相同。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba， 27.44℃。尽管CESM LOP的积分时间较短，但冷舌季节周期变化与较长时间的iCESM 1.2模拟在性质上相似。gydF4y2Ba

扩展数据表1本研究中使用的CESM 1.2模拟及其轨道配置汇总表gydF4y2Ba
全尺寸表gydF4y2Ba

权利和权限gydF4y2Ba

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蒋，j.c.h.，阿特伍德，a.r.，维蒙，D.J.gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba太平洋冷舌在轨道进动下的两个年度周期。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba611gydF4y2Ba， 295-300(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05240-9gydF4y2Ba

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