第四纪研究  2021, Vol.41 Issue (2): 474-485   PDF    
过去千年ENSO演化历史重建再分析
薛惠鸿1,2, 史锋1,3, 刘威1,4, 王江林5, 杨保5     
(1 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院新生代地质与环境重点实验室, 北京 100029;
2 中国科学院大学地球与行星科学学院, 北京 100049;
3 中国科学院生物演化与环境卓越创新中心, 北京 100044;
4 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院, 湖北 武汉 430074;
5 中国科学院西北生态环境资源研究院, 沙漠与沙漠化重点实验室, 甘肃 兰州 730000)
摘要:厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,简称ENSO)作为气候系统内部变率的最显著模态,对全球气候变化起到重要影响。利用珊瑚、树轮等气候代用记录对ENSO进行重建研究能够帮助我们认识气象仪器观测之前历史时期ENSO的变化规律,但由于气候代用记录和重建方法的不确定性导致目前对过去千年ENSO变化特征及其机理仍不明确。文章从气候代用记录和重建方法两方面对目前已公开发表的21条ENSO重建序列进行了评估。结果发现:在1146~1335年和1627~1757年,已有ENSO重建序列之间存在明显不一致现象,1146~1335年相关性差,可能与北美低纬树轮对ENSO响应不一致有关,而1627~1757年相关性差,可能与热带西太平洋珊瑚对ENSO的记录能力下降有关;同时,在过去千年,ENSO年际振幅变化在现代暖期呈显著上升趋势,而年代际振幅变化在中世纪暖期呈显著下降趋势,并且ENSO振幅存在多年代际周期振荡,其振幅的年际-年代际变化可能均与热带太平洋气候平均态有关。讨论和评估现有的ENSO重建结果有助于更好地了解不同重建之间的异同性,对进一步准确认识ENSO变化规律提供集成证据。
关键词过去千年    ENSO    古气候重建    树轮    珊瑚    
中图分类号     P467;P534.63+2                     文献标识码    A

0 引言

厄尔尼诺-南方涛动(El Niño -Southern Oscillation,简称ENSO)是发生在热带太平洋的一种海气耦合现象,以赤道东太平洋海表温度(Sea Surface Temperature,简称SST,本文均简称为海温)变化为特征的厄尔尼诺是其海洋组分,以东南太平洋和印度洋-印尼区域之间大范围的海平面气压反向振荡为特征的南方涛动是其大气组分[1~3]。在年际尺度上,ENSO是气候系统中的最强信号,其影响着全球气候变化,许多地区极端气候事件的发生都与ENSO有着密切关系[2, 4~8]。目前,我们对ENSO气候影响的重要性已经有了广泛认识,但依然不够,尤其是随着工业革命以来全球变暖加剧,ENSO出现了很多不同寻常的特征[9],这些特征是20世纪独有,还是历史重复?需要从百年甚至千年的ENSO变化记录中寻找答案。

利用珊瑚、树轮和石笋等高分辨率代用记录进行ENSO重建研究,可以从更长时间尺度探讨ENSO的变化规律。随着代用记录的不断发现和重建方法的持续发展,已经有很多学者基于不同类型的代用记录和不同的重建方法,针对ENSO演化历史进行了大量研究[10~24]。然而,ENSO的重建结果会因所用的代用记录不同而存在显著差异。尤其当利用单个古气候记录进行重建ENSO时不确定性更大。因为一方面不同地理位置的代用记录往往反映ENSO变化的不同方面[15, 25~26],另一方面,即便是相同位置的遥相关区域对ENSO的响应往往也表现出不稳定非线性特征[6, 27~30]。为了准确获得过去ENSO变化规律,对现有重建研究所用到的代用记录进行评估十分必要。

另外,重建方法也会对ENSO重建结果产生实质性影响。由于代用记录相对低信噪比的特性,不同的统计方法定义和消除噪声的思路和原则不同,对集成重建结果的影响很大,一直以来都是过去千年气候集成重建工作的难点和热点问题[31~34]。直至最近,过去千年全球温度重建工作依然表明,不同的重建方法对重建气候的振幅和相位存在显著影响[35]。本文从重建ENSO所用的代用记录和方法两方面对其进行回顾,从ENSO重建与器测数据相关性和ENSO变幅两方面对其进行评估,并尝试探讨了过去千年ENSO重建中所表现出的变化规律。

1 ENSO重建的代用记录

由于ENSO影响着全球气候变化,因此可用来反演ENSO的代用记录分布广泛。截至目前已有ENSO重建中,常用的代用记录主要包括以下几类:1)位于ENSO活动中心(中东赤道太平洋)及其附近的珊瑚记录;2)与ENSO具有遥相关关系区域的树轮记录;3)其他类型代用记录,如冰芯、湖泊沉积物、石笋和历史文献记录等(图 1a)。本文收集整理了21条ENSO重建序列所用到的162条代用记录,其分布如图 1所示。其中包括79条树轮,49条珊瑚,12条冰芯,14条湖泊沉积,6条石笋和2条历史文献记录。ENSO重建序列和代用记录均来自于美国国家海洋和大气管理局(National Ocean and Atmospheric Administration,简称NOAA)官网(http://www.ncdc.noaa.gov/paleo)。

图 1 代用记录分布(a)和代用记录数量随时间的变化(b) Fig. 1 (a)Map of proxy records and (b) numbers of proxy records
1.1 珊瑚记录

珊瑚对环境响应十分敏感,其δ18O和Sr/Ca比均能反映SST的变化[36],是反演ENSO的首选材料。从空间分布上来看,重建ENSO的珊瑚记录集中分布于热带太平洋和印度洋。比如,位于东太平洋加拉帕戈斯(Galápagos)群岛的珊瑚记录[15],其由两段珊瑚拼接而成,一段为367年(1587~1953年)的年分辨率记录;另一段为22年(1961~1982年)的月分辨率记录。此外,帕尔米拉(Palmyra)岛的珊瑚[11],不仅具有月分辨率,并且所跨越时间超过千年(928~1998年),尽管其并不连续。

虽然珊瑚记录的准确性和分辨率均比较高,但珊瑚记录所覆盖的时间相对较短。已收集到的所有珊瑚记录中只有1条帕尔米拉岛的珊瑚序列延伸至中世纪暖期[11],大多数记录长度只有100年左右,且均未覆盖1000~1145年(图 1b)。

1.2 树轮记录

与热带海域的珊瑚能直接记录SST变化不同,树轮记录ENSO的能力主要源于其与ENSO的遥相关关系[19~20, 37]。遥相关相对较强的树轮对ENSO的变化极为敏感,是ENSO重建的理想材料。从空间上来看,其主要分布在非热带区域,集中于北美洲西部、亚洲东南部和新西兰等太平洋周边区域(图 1a)。北美洲西南部,即“田纳西-墨西哥”区域的湿度对ENSO变化的响应极为敏感,该区树轮宽度资料被认为是目前在树轮记录中所表现出的最强ENSO信号[12, 38]。很多ENSO重建均利用该区树轮年表,如D'Arrigo等[12]在2005年利用175条北美洲西南部的树轮重建了过去6个世纪(1408~1978年)的太平洋Niño3区SST变化;Li等[19]在2011年利用北美干旱数据集(North America Drought Atlas,简称NADA)的第一主成分重建了过去11个世纪的ENSO变化。此外,靠近太平洋且对温度和湿度敏感的亚洲东南部树轮也是反演ENSO的重要材料。比如,中国台湾的树轮氧同位素(δ18O)是一个区域水文气候的敏感性指标,不仅与当地的降水δ18O显著相关,也与Niño4区SST也显著相关,所以其被用来重建中部型ENSO的变化[21]

用于重建ENSO的树轮记录大多数所覆盖的时间比较长,并且是连续的(图 1b),但是单一区域的树轮容易受到区域气候信号、树木生理生态过程等与ENSO无关因素的影响。所以有学者通过提取不同区域树轮序列中的公共信号来获得更准确的ENSO变化信息。比如Li等[20]在2013年利用7个不同地区的2222个树轮来重建ENSO就是一个经典例子。

1.3 其他类型代用记录

反演ENSO的其他类型代用记录主要包括冰芯、湖泊沉积和石笋记录等。它们也是通过海气遥相关与ENSO相联系。ENSO重建中所用到的冰芯主要分布在南美洲安第斯山脉和亚洲青藏高原等区域,湖泊沉积资料和石笋记录主要分布在热带区域(图 1a)。目前,位于秘鲁奎尔卡亚(Quelccaya)的年分辨率冰芯序列[39],可以追溯到大约1800年之前,是ENSO集成重建中比较常用的一条冰芯序列[10, 17]。由于湖泊沉积记录能够达到万年,故经常被用来反映全新世的ENSO变化[26, 40~41]。如Moy等[26]通过测量厄瓜多尔Pallcacocha湖沉积物的反射率,连续记录了过去12000年以来的ENSO变化。此外,近几十年来高精度定年的石笋氧同位素序列也为ENSO重建提供了重要材料[42~46]。石笋洞穴滴水δ18O与区域降水有良好的相关性,经常被用作是降水和季风重建的重要材料,而降水和季风系统的变化与ENSO关系密切[43~44, 46~49]。早在1999年,学者发现来自马达加斯加岛的石笋记录与低频南方涛动指数(SOI)显著相关[43];此外更多位于太平洋周边的石笋记录[46]和西太暖池附近的石笋记录[44~45]也对ENSO有相对稳定的响应。

其他类型代用记录相对于珊瑚和树轮来说,最大的优势是可将ENSO变化延伸到更长时期,以探讨千年和万年等更长时间尺度的ENSO历史演变规律。但有些记录的分辨率较低(如湖泊沉积等),这给反演ENSO变化的准确度和精度带来很大的挑战。总之,对于过去千年的ENSO重建,将不同类型代用记录的优点相结合,进行ENSO集成重建不失为一种更好的方法[10, 13, 17]

1.4 ENSO重建代用记录评估

这里使用相关性分析方法对ENSO重建中最常用的两类代用记录——珊瑚和树轮进行评估。由于在1900~1950年为所有珊瑚和树轮记录所覆盖的公共时段,且ENSO活动在冬季达到峰值,故选用1900~1950年冬季(12~2月)的Niño3.4指数作为评估标准,该指数所依据的海温数据来自于HadSST1数据集1870年以来的资料[50];相关性评估的方法为距平相关系数(Anomaly Correlation Coefficient,简称ACC)[51],距平相关系数越高表明重建与器测之间的变化趋势越相似,其计算公式如下:

(1)

公式(1)中fioi为同期重建值和观测值,为整个时段重建值和观测值的平均。

1.4.1 珊瑚记录评估

针对162条代用记录中的49条珊瑚序列(图 1)进行相关性评估,发现在公共时段1900~1950年通过显著性检验(p < 0.05)的有25条,达到了总体样本数的51 %。将这25条通过显著性检验的珊瑚序列进行分段,讨论其相关性的多年代际变化特征。具体是针对器测段(1870~1990年),每隔30年分为一段,共有4段(1870~1900年、1901~1930年、1931~1960年、1961~1990年)。通过相关性分析发现,珊瑚在不同时段与ENSO的关系并不稳定。在4个时段中,与器测数据相关性最差的时段为1870~1900年。25条珊瑚记录中有8条在该时段是缺失的,且在该时段存在的17条珊瑚序列中,只有7条与器测Niño3.4指数在p < 0.050.05的水平上显著相关(表 1)。同时,通过观察珊瑚记录的分布发现,在这个时段不显著的珊瑚主要分布在西太平洋区域,这意味着西太平洋的珊瑚在该时段记录ENSO的能力可能不足,也有可能是1870~1900年器测资料的质量不够准确。

表 1 器测段(1870~1990年)珊瑚与树轮记录分段评估 Table 1 Segmentary assessment of coral and tree ring records during the instrumental period(1870~1990 A.D.)
1.4.2 树轮记录评估

针对162条代用记录中的79条树轮序列(图 1)进行相关性评估,发现在1900~1950年通过显著性检验(p < 0.05)的有28条,占到了总体样本的35.4 %。与处理珊瑚数据相同,在器测段分4段对28条树轮序列进行评估,发现在1870~1900年和1961~1990年树轮序列的相关性显著降低。在这两个时段,28条树轮记录中达到显著性水平(p < 0.05)的分别只有10条(表 1)。同时,通过观察树轮记录分布,发现在1870~1900年与器测记录相关性差的树轮主要分布在亚洲东南部区域;在1961~1990年相关性差的树轮集中分布在北美洲西南部区域。这表明1870~1900年亚洲东南部树轮对ENSO的响应可能不是很稳定,也可能与器测资料的可靠性变差有关。而1961~1990年北美洲西南部树轮对ENSO的记录能力下降,可能与该时段ENSO和北美西南部的遥相关出现了年代际尺度的变弱有关[52]

2 ENSO重建的方法

ENSO重建中所用到的方法主要包括:综合比例合成法(Composite Plus Scale,简称CPS)[12, 17, 24, 53]、主成分回归法(Principal Components Regression,简称PCR)[10, 12~13, 18, 20~21, 24]和正则期望最大化法(Regularized Expectation Maximization,简称RegEM)[17, 24]。在这3种方法中,综合比例合成法通常是代用序列的简单平均或加权平均,其经常被用于北半球温度序列的重建[54~55];正则期望最大化法是基于期望最大化(Expectation Maximization,简称EM)的算法,结合正则化的过程,以解决欠定问题,该方法常用于重建气候场[31]。而主成分回归法在3种方法中最为常用[12, 20~21],故详细介绍其基本步骤如下:首先对反映ENSO变化的代用记录提取主成分;其次利用器测记录与代用记录主成分之间的关系建立转换函数进行回归;最后再用器测数据对序列进行方差调整和检验。这3种方法均依赖于一个假设,即20世纪的代用记录和真实气候之间的线性关系在过去仍是存在且稳定的。而事实上,代用记录和ENSO之间的遥相关关系随时间可能发生改变。

为了避免这个问题,有学者直接用代用记录的第一主成分代表ENSO变化,而没有使用ENSO指数进行回归,这使其最终的序列不依赖于目标数据,而是取决于代用记录中的公共信号[10]。后来Dätwyler等[13]采用类似的方法,不同之处是将重建时段(1000~1900年)划分为5个不同时段,在5个时段内分别使用80年滑动窗口进行主成分提取,最后将5个时段所得序列拼接起来作为最后的ENSO序列。由于这种方法能够考虑到代用记录对主成分的贡献随时间的变化,从而能够帮助发现遥相关可能发生变化的时期。

此外,无论是综合比例合成法还是主成分回归法,这些方法在实际重建中通常会低估ENSO的低频异常。为强调ENSO的低频变化,在重建过程中也使用时间尺度分离的方法[17],将高频信号和低频信号分开来进行重建。

3 ENSO重建序列评估

这里主要从与器测数据的相关性和ENSO变化的振幅两方面对目前已公开发表的21条ENSO重建序列进行评估。选用了距平相关系数来评估ENSO重建序列的相关性。选用平均方差技巧评分[51](Mean Squared Skill Score,简称MSSS)评估ENSO重建序列的振幅。MSSS值越接近于1,表明重建与器测之间的振幅变化越相似。其计算公式如下:

(2)

公式(2)中,fioi为同期重建值和观测值,为整个时段重建值和观测值的平均。

3.1 相关性评估

表 2所示,现有的21条重建序列在器测段(1870~1977年)与器测Niño3.4指数的相关性均通过了p < 0.01的显著性检验。在器测段,ACC值最高的是Emile-Geay等[17]重建的3条序列(EM13KAP、EM13HAD、EM13ER),其相关性(r)均达到了0.9以上。由于该重建在器测时段的序列是直接使用器测数据去充当的,所以并不能反映其重建质量。其次,相关性次高的是McGregor等[23]的集成重建(Mc10N3),其是利用10条现有的重建序列进行的再重建,可见这种重复重建的效果还是比较好的。除此之外,Dätwyler等[14]在2020年的重建序列(Da20N34)相关性也比较高,主要是得益于其用了大量覆盖全球的代用记录。值得注意的是,季节差异对评估结果的影响很大,如Dätwyler等[13]在2019年的重建序列(Da19N34)和2020年的重建序列(Da20N34)ACC值相差很大,但他们所用的代用记录数据集是相同的。产生差异的原因主要是由于重建季节的不同(2019年重建的季节是12~11月,而2020年重建的季节是12~2月)。Liu等[21]的重建序列(Liu17N4)与本文评估标准相关性最低也主要是由于本文确立的评估标准与其重建季节不匹配。

表 2 ENSO重建序列评估* Table 2 Assessment of ENSO proxy reconstructions
3.2 振幅评估

如果不将Emile-Geay等[17]的3条重建序列计算在内,以MSSS=0.5为重建准确的分界线,Mc10N3、Da20N34和Li13N34重建序列的MSSS值均大于0.5,说明在器测时段这三条重建序列的振幅相较于别的重建序列是比较准确的。而其他重建序列均在0.5以下,说明目前大多ENSO重建的振幅还存在偏差,具体主要体现在幅度上的差异明显(图 2),也就是说目前大多重建对ENSO强弱程度的刻画并不准确。

图 2 (a) 1870~1977年重建与器测序列30年滑动标准差对比图,重建序列滑动标准差(彩色细线)及其平均序列(黑色粗线),器测序列滑动标准差(红色粗线);(b)1870~1977年重建平均标准差(黑)与器测标准差(红)箱线图 Fig. 2 (a)30-year running standard deviation of proxy reconstructions and instrumental records during the period 1870~1977 A.D. The running standard deviation of ENSO reconstructions(thin line in color), and their average(bold line in black); The running standard deviation of instrumental ENSO(bold line in red); (b)The standard deviation boxplot of proxy reconstructions average (black)and instrumental records(red)during the period 1870~1977 A.D.
4 过去千年ENSO重建序列变化规律 4.1 ENSO重建之间的一致性

在分析21条重建序列时,发现Cook等[16]和Emile-Geay等[17]的重建均不止包含1条序列(表 2),而他们所得到的重建序列之间均为高相关(相关系数r达到0.9左右)。所以在本节的分析中,只选取Cook等[16]对Niño3.4区的重建序列(Co08N34)和Emile-Geay等[17]对HADISST目标数据集的重建序列(EM13HAD)。同时,由于Da20N34和Da19N34所用的代用记录数据库相同,只是在重建季节上有差异,也只选取其中1条。最终对剩余的15条序列进行相关性分析,分别考察重建ENSO的年际和年代际信号在过去千年的一致性。

具体方法为:首先对重建序列进行高通和低通滤波处理(所采用的滤波器为Hamming滤波器),获得重建序列的年际变化分量(高频:1~10a)和年代际变化分量(低频:>10a)。然后选取31年滑动窗口,对原始序列(全频)、年际分量(高频)和年代际分量(低频)这3组数据分别两两计算滑动相关,最终将所得到的若干滑动相关结果进行算术平均。此外,为确定ENSO重建间的相关性高一致与低一致时段,采用重建序列(全频)滑动相关系数低于第一个四分位数作为低相关的标准,以第一个低相关值出现的时间作为低一致时期的起始时间,最后一个低相关值出现的时间为终止时间(低相关值间的间断时期不应超过30年)。

结果如图 3所示,过去千年重建ENSO的高频年际信号和低频年代际信号中均出现了2个一致性比较低的时期,分别为1146~1335年和1627~1757年。重建之间的一致性会受到所选取的重建季节、目标数据集、重建方法以及代用记录的质量等因素的影响。但理论上其均反映ENSO的变化特征,理想状态下重建间的一致性应该很高。在这里,本文试图从代用记录的角度来探究重建间出现低一致时期的可能原因。

图 3 过去千年ENSO重建间一致性随时间的变化 (a)ENSO低频(年代际)序列31年滑动相关,所使用的重建数据经过10年低通滤波;(b)ENSO高频(年际)序列31年滑动相关,所使用的重建数据经过10年高通滤波;(c)ENSO原始重建序列31年滑动相关;(d)重建序列数量随时间的变化图中蓝色阴影区域代表滑动相关序列±1个标准差范围。紫色横线代表第一个四分位数的位置;绿色横线代表第二个四分位数的位置;黑色横线代表第三个四分位数的位置。橘红色阴影区域代表低于第一个四分位数的时段。红框为所确定的ENSO重建间低一致时期(1146~1335年和1627~1757年两个时段) Fig. 3 The consistency among the reconstructions over the past millennium. (a)31-year running correlations of 10-year lowpass filtered ENSO proxy reconstructions; (b)31-year running correlations of 10-year highpass filtered ENSO proxy reconstructions; (c)31-year running correlation of ENSO proxy reconstructions without filtering; (d)The number of the ENSO reconstructions. The blue shaded area represents ±1 standard deviation of running correlation sequence; The purple line represents the first quartile; The green line represents he second quartile; The black line represents the third quartile; The shaded areas in orange represent the scope lower than the first quartile; The red box highlights the low consistency periods(1146~1335 A.D. and 1627~1757 A.D.)

在1146~1335年,重建所用到的代用记录主要为树轮,延伸到这个时期的树轮数量主要分布在东亚和北美西部。为了探究地域因素对代用记录的影响,分区对其进行相关性分析,主要分为4个区域:东亚低纬地区、东亚高纬地区、北美低纬地区和北美高纬地区(各个区域的树轮记录见图 4a)。结果发现高纬区域树轮的滑动相关系数很低,这可能是由于其远离ENSO活动中心,与ENSO的遥相关关系较弱。在1146~1335年,北美低纬树轮之间的滑动相关系数与亚洲低纬树轮之间的滑动相关系数在大部分时段呈现反相位或者错相位变化,即在东亚低纬树轮间变化相对一致(相关系数为正)时,北美低纬树轮间一致性降低(相关系数趋于负值)(图 4b)。此外,相较过去千年,东亚低纬树轮在该时段内的相关性并未出现明显下降,而北美低纬树轮相关性明显降低。

图 4 (a) 1146~1335年树轮分布图,其中东亚低纬树轮(橙色),东亚高纬树轮(紫色),北美低纬(蓝色),北美高纬树轮(绿色),其他区域树轮(灰色);(b)1146~1335年北美低纬树轮与亚洲低纬树轮滑动相关分析 Fig. 4 (a)Map of the tree ring records during the period 1146~1335 A.D. Orange for the East Asian tree ring records in low latitudes, purple for the East Asian tree ring records in high latitudes, blue for the North American tree ring records in low latitudes, green for the North American tree ring records in high latitudes, and gray for the tree ring records in other regions; (b)Running correlation of the tree rings in low latitudes region between the North America and the East Asia during the period 1146~1335 A.D.

可能原因是1146~1335年这一时段正处于中世纪暖期(Medieval Climate Anomaly,简称MCA),在MCA时期热带太平洋呈现类拉尼娜的海温配置[56~58],热带西太平洋更高的海温使得其垂直对流异常强烈,降水频发,而热带东太平洋则相反,出现干旱异常[59]。热带太平洋海温西暖东冷的平均态可能使得ENSO与东亚沿海地区的遥相关加强,与北美西南地区的遥相关减弱[56]。减弱的遥相关可能造成北美低纬区域树轮间的一致性降低,而产生重建序列间的低一致现象。此外应该注意到,该时期树轮数量很少,重建ENSO面临较多不确定性,分析结果的可靠性也有待检验。

针对1627~1757年这一时段,ENSO重建所用到的主要代用记录包括珊瑚和树轮。珊瑚主要分布在太平洋西部,树轮主要分布在北美西部和亚洲东部。同样分区对其进行相关性分析,主要分为5个区域:东亚低纬地区、东亚高纬地区、北美低纬地区、北美高纬地区和热带西太平洋地区(各个区域代用记录见图 5a)。结果发现:高纬区域树轮间的相关性依然很低,北美低纬树轮之间变化最为一致。代用记录间明显不一致现象出现在热带西太平洋地区,在1627~1757年西太平洋珊瑚间相关系数较其他时段明显降低,说明在该时段珊瑚氧同位素之间变化不一致(图 5b)。

图 5 (a) 1627~1757年代用记录分布图,其中北美高纬树轮(绿色三角形),北美低纬树轮(橙色三角形),东亚低纬树轮(蓝色三角形),东亚高纬树轮(紫色三角形),热带西太平洋区域珊瑚(红色米字形),其他地区树轮(灰色三角形)和珊瑚(灰色米字形);(b)1627~1757年热带西太平洋珊瑚滑动相关分析,3条黑色横线分别代表第一个四分位数、第二个四分位数和第三个四分位数 Fig. 5 (a)Map of proxy records during the period 1627~1757 A.D. The green triangles for the North American tree ring records in high latitudes, the orange triangles for the North American tree ring records in low latitudes, the blue triangles for the East Asian tree ring records in low latitudes, the purple triangles for the East Asian tree ring records in high latitudes, the red asterisks for the coral records in tropical Western Pacific, the gray trinagles(or asterisks)for the tree ring(or coral)records in other regions; (b)Running correlation of the corals in the tropical Western Pacific during the period 1627~1757 A.D. The three black horizontal lines represent the first, second, and third quartiles, respectively

引起珊瑚对ENSO响应不一致的原因是多方面的。定年的不准确性、珊瑚生长率的变化、珊瑚种属的不同以及采样方法等因素都可能会使对珊瑚记录中气候信号的解译出现偏差。此外气候系统自身的变化也是一个重要原因。印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,简称IOD)是发生在印度洋的一种特殊的海气相互作用现象,研究表明17世纪极端正IOD事件频发,在17世纪中下叶IOD的变化幅度接近过去千年最大值[60]。而极端正IOD事件可能对中部型厄尔尼诺事件的发生有促进作用[61],中部型和东部型厄尔尼诺对热带西太平洋的影响是不同的[62],这也可能会使得热带西太平洋不同珊瑚对ENSO的记录产生差异。

4.2 ENSO振幅变化规律

图 6给出了过去千年ENSO振幅的年际和年代际变化特征。在年际尺度上,大多数重建的ENSO振幅在现代暖期(约1850~2000年)有明显的上升趋势,在小冰期(约1350~1850年)振幅相对比较稳定,而在中世纪暖期(约1000~1250年),则呈现出微弱的下降趋势。在年代际尺度上,20世纪ENSO振幅的上升趋势并不明显,而在中世纪暖期却呈现显著下降趋势。此外,通过对上述21条重建序列中7条覆盖时间超过7个世纪的ENSO重建序列[12, 14, 16, 17, 19~21]做30年滑动标准差,并对反映ENSO多年代际振幅变化的这些滑动标准差序列进行小波分析(图略)发现,无论在中世纪暖期还是小冰期,重建中ENSO振幅周期基本都存在50~100年范围内的多年代际周期性振荡变化。

图 6 过去千年ENSO重建序列振幅随时间的变化 (a)ENSO低频(年代际)序列100年滑动标准差,所使用的重建数据经过10年低通滤波;(b)ENSO高频(年际)序列100年滑动标准差,所使用的重建数据经过10年高通滤波;(c)ENSO全频序列100年滑动标准差,所使用的重建数据未经滤波处理各条重建标准差序列(彩色),重建标准差平均序列(黑色),灰色阴影区域代表滑动标准差平均序列的±1个标准差范围 Fig. 6 Amplitudes of the ENSO reconstructions over the past millennium. (a)100-year running standard deviation of 10-year lowpass filtered ENSO reconstructions; (b)100-year running standard deviation of 10-year highpass filtered ENSO reconstructions; (c)100-year running standard deviation of ENSO reconstructions without filtering. Colorful for running standard deviation of ENSO proxy reconstructions, black for mean of running standard deviation of ENSO proxy reconstructions, gray shaded area represents ±1 standard deviation of mean of running standard deviation of ENSO proxy reconstructions

在年际尺度上,大多数重建的ENSO振幅在现代暖期持续增大,是否是人类活动导致全球变暖的线性响应还存在着很大争议[11, 25, 63~67]。模式模拟研究表明人类活动引起的全球增暖导致了热带太平洋沃克环流强度减弱及温跃层变浅,这些变化有利于西太平洋的暖水向东传输并使得赤道太平洋的海表面温度变化更加敏感,从而增加极端ENSO事件的发生频率[63~64, 67]。然而,以太平洋东部的珊瑚记录和新西兰的树轮记录为代表的古气候重建研究显示,在人类活动影响较弱的14世纪和17世纪,ENSO自身的变率也达到了甚至超过现代暖期的水平,这意味着现代暖期ENSO振幅的持续增大可能是历史的重复[11, 25]

在年代际-多年代际尺度上,已有研究表明,热带太平洋平均态的海表温度以及温跃层深度与ENSO振幅变化存在显著相关关系。进一步揭示机制发现,热带太平洋平均态的海表温度和温跃层深度,通过调节热带太平洋纬向风与赤道太平洋温跃层坡度,进而影响ENSO的振幅变化[68~69]。同时,也有研究表明热带太平洋海表温度的第二模态可能直接与ENSO振幅变化在年代际尺度上存在相互耦合关系[70~71]。此外,太平洋年代际振荡(PDO)等热带外气候系统内部变率也能够调控ENSO振幅的年代际变化[69, 72]

5 结论

从代用记录和重建方法两个角度对目前已在NOAA网站公开的21条过去千年ENSO重建工作进行了系统再分析和评估,就ENSO重建序列及其所用代用记录的特点和不足形成了如下认识:

(1) 重建过去千年ENSO变化主要用到的代用记录是珊瑚和树轮,其连续性和对ENSO响应的稳定性,是制约ENSO重建不确定性的重要因素。具体来说,在1961~1990年期间北美西南部的树轮对ENSO响应关系变弱,可能与该时段ENSO和北美西南部的遥相关出现了年代际尺度的变弱有关。在1870~1900年期间,西太平洋的珊瑚和亚洲东南部的树轮对ENSO的记录能力下降,同时也无法排除器测ENSO数据的可信度变差的因素;此外,本文已整理的重建ENSO的珊瑚数据在1000~1145年是缺失的,也影响了ENSO重建在这一时段的精度。

(2) ENSO重建在过去千年存在两个低一致时期,分别为:1146~1335年和1627~1757年。前一个低一致时期可能与北美低纬树轮对ENSO响应不一致有关,后一个低一致时期可能与热带西太平洋珊瑚对ENSO的记录能力下降有关。

(3) 已有重建对ENSO的振幅变化趋势刻画较好,但对幅度的刻画不够准确。在过去千年,ENSO的年代际振幅变化在中世纪暖期呈显著下降趋势,而年际振幅变化在现代暖期呈显著上升趋势,在小冰期ENSO变化总体比较平缓,此外ENSO振幅还存在多年代际周期振荡。ENSO振幅年际-年代际变化可能均与热带太平洋气候平均态变化有关。

为了提高ENSO重建的准确性增加ENSO影响地区的代用记录是有必要的,特别是热带太平洋及其周边区域。另外,利用数量更多、类型更为丰富的代用记录进行重建能够弥补单一区域记录所存在的固有偏差。然而更为重要的是在重建时理解和处理代用记录(如西太平洋的代用记录)的非一致性变化,合理界定代用记录中的噪声和信号。这意味着进一步研发重建方法,融合多源数据,可能是改进ENSO重建精度的方向。

致谢: 感谢兰州大学史良博士研究生对本文的细心修改;感谢审稿专家、编辑部杨美芳老师和中国科学院地理科学与资源研究所郝志新老师对本文提出的宝贵修改意见。

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Reanalysis of the ENSO reconstructions over the past millennium
XUE Huihong1,2, SHI Feng1,3, LIU Wei1,4, WANG Jianglin5, YANG Bao5     
(1 Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
2 College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3 CAS Center for Excellence in Life and Paleoenvironment, Beijing 100044;
4 School of Geography and Information Engineering, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei;
5 Key Laboratory of Desert and Desertification, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu)

Abstract

As the most significant mode of variability in the climate system, El Niño Southern-Oscillation(ENSO) plays an important role in global climate change. ENSO reconstruction using proxy records such as coral and tree ring can helps us understand the ENSO change during the historical period before the meteorological instrumental observation. However, the consistency, variability and mechanism of the existing ENSO reconstructions are still unclear, because of the uncertainty of proxy records and reconstruction methods. Here, 21 reconstructed sequences and their proxy records were collected from National Ocean and Atmospheric Administration(NOAA), and the reconstructed sequences were reviewed and evaluated from two aspects of proxy records and reconstruction methods.The proxies used for ENSO reconstruction are divided into three categories: corals, tree rings, and other types of proxies. The coral record is absent during the period(1000~1145 A.D.). In addition, the corals from the western Pacific Ocean and the tree-rings from southeast Asia show a declining ability to record ENSO from 1870 A.D. to 1900 A.D., and the same situation in the tree rings in southwestern North America during the period(1960~1990 A.D.), which is related to the weak teleconnection between the proxy records and the ENSO variability in these two periods.We evaluated ENSO reconstruction sequences from two aspects: correlation and amplitude. Results show that most ENSO reconstructions are significantly correlated with the instrumental ENSO, but there is still some deviation in the amplitude, especially the magnitude.The correlation among these ENSO reconstructions in the past millennium are analyzed. We found that there are distinct periods of low consistency between the reconstructed sequences during 1146~1335 A.D. and 1627~1757 A.D. The former period of low consistency may be associated with inconsistent tree-ring responding to ENSO in southwestern North America, and the latter period of low consistency may be related with a decline in the ability of tropical western Pacific corals to record ENSO.On the interannual scale, the amplitude of ENSO increased significantly during the Current Warm Period(CWP). On the interdecadal scale, ENSO amplitude showed a significant downward trend during the Medieval Climate Anomaly(MCA), and ENSO amplitude also existed 50~100 years periodic oscillation. Decadal-multidecadal variations in ENSO amplitude may be related to changes in the mean state of the Tropical Pacific.The assessment of ENSO reconstructions can help us better understand the distinctions and similarities among the existing ENSO reconstructions and provide integrated evidence for further accurate understanding of ENSO variations.
Key words: past millennium    ENSO    paleoclimate reconstruction    tree rings    corals