科学:气候系统的年代际振荡可能是由火山活动引起的。

气候系统最显著的十年振荡是北大西洋地区的海表温度变化，即大西洋十年振荡(AMO)(Kerr，2000)。AMO周期很长，大约50~70年。这种现象是地球气候系统的内部变化，还是仅仅是对外部作用力表现的一种反应，一直是一个悬而未决的问题。

根据仪器观测的气象资料，认为AMO来自于地球气候系统的内部变率。基于树木年轮和冰芯的气候重建研究也表明，近千年北大西洋和全球平均气候存在年代际变率，但仅通过观测和重建数据很难找到真正的归因。基于模型模拟的归因研究尚无定论。一些模拟研究表明，AMO可能是海表温度对大气随机扰动的响应，是大西洋经圈环流的外在表现，也可能是对外辐射强迫的响应。

最近迈克尔。宾夕法尼亚州立大学的曼恩及其合作者在《科学》杂志上发表论文(Mannet al .，2021)，提出过去千年的年代际温度振荡是由火山活动引起的，气候系统本身并不存在年代际振荡。

作者认为，内部变率和外部强迫的最大区别在于，内部变率主要影响全球能量的空间再分配，而外部强迫影响全球能量的总收支，所以对内部变率的分析应该从全球气候异常的空间开始。

作者采用多锥方法奇异值分解(MTM-SVD)在频域中分析可变场，避免了模式间差异对信号提取的影响，从而获得可变场的分数局部方差(LFV)。这种方法的优点是可以获得特定频率带宽的窄信号的空间特征(模式)。利用这种方法，作者分析了参加第五次国际耦合模式比对项目第五阶段(简称CMIP5)的所有模式参考试验和近千年来的模拟试验的全球温度场。

结果表明，与厄尔尼诺-南方涛动的明显年际信号不同，在没有外部强迫参考试验的情况下模拟的全球气温中没有明显的年代际到年代际分量(图1A)，但在施加外部强迫的结果中有几个明显的年代际到年代际振荡信号，其中包括周期为50-70年的分量(图1B)。与多模态集合平均的全球平均气温功率谱(图1C)对比发现，近千年模拟实验的年代际振荡信号与集合平均的全球平均气温年代际变率的周期是一致的，即近千年模拟实验中存在的年代际气候变率模态极有可能是对外强迫的响应。

图1 CMIP5模式温度数据频谱分析结果；(A)CMIP5为试验温度场的LFV谱，虚线表示用蒙特卡罗方法计算的置信度，自下而上分别为p=0.5，0.1，0.05，0.01；每条彩色线代表单个成员(N=44)，粗黑线为平均值；(b)同A，分析CMIP5近千年的模拟试验(n = 16)；(C)CMIP 5近千年全球平均气温的功率谱(N=16)，蓝色垂直虚线表示B和C*** (Mann et al .，2021)的谱峰。

作者进一步利用能量平衡模型(根据能量平衡计算温度及其分布的简单气候模型，不考虑内部变率)分析了过去一千年来两个最重要的外部强迫因素(太阳辐射和火山活动)对全球温度的影响。将多次火山活动和太阳辐射重建序列作为外部强迫组合或单一驱动模型后发现，只有火山活动才能导致全球平均气温的年代际变化。说明火山活动是近千年来全球平均气温年代际振荡的主要原因。

此外，作者用同样的方法对观测数据和CMIP5历史气候模拟试验(Mannet等人，2020)进行了分析，结果表明，全强迫历史气候模拟的全球气温结果与观测数据一致，两者都具有以50年左右为周期的年代际变化特征(图2)。而在只有人工强迫的历史气候模拟结果中，虽然也有数十年变率模态，但其周期不同，约为60年(图3)。将观测数据与几个模型的结果进行比较后发现，这种年代际振荡的位相在观测和不同模型中也是一致的，明显不符合内禀变率的随机特征。考虑到参考试验中没有年代际振荡，说明这种年代际振荡是对外强迫(人工强迫和自然强迫)的一种响应。

图2 CMIP 5历史气候模拟试验(自然强迫+人工强迫)和观测资料温度场LFV谱分析；灰色阴影表示集合成员的分布范围(深灰色区域为集合成员分布范围的68%，灰色区域为95%)，粗黑线为平均值，蓝线和紫线分别表示两个不同模型的结果，蓝线为观察结果(Mann et al .，2020)。

图3 CMIP 5历史气候模拟试验(人工强制)及观测数据温度场LFV谱分析；这里的历史气候模拟试验是指不包括自然强迫的单一人工强迫试验，其余同图2(Mann et al .，2020)。

总之，作者认为气候系统很可能不存在年代际内禀变率，这与厄尔尼诺-南方涛动的年际尺度不同。自工业革命以来，全球气温的年代际变化是由人类和自然两方面的原因造成的。在过去的千年里，当人类影响较弱时，火山活动是全球气温年代际振荡的驱动力。

由于作者的研究是基于气候模式，所以得到的结果主要表明CMIP5模式不存在年代际内禀变率，结果的可靠性受到当前模式模拟内禀变率能力的限制。尽管如此，这一结果再次表明了过去千年来火山活动对年代际气候变化的重要影响。这与过去千年全球温度重建工作认为火山活动是年代际气候变化的主要驱动力是一致的(PAGES2k Consortium，2019)。这些研究启发我们深入探索火山活动年代际到年代际气候影响过程的物理机制，有利于对气候变化进行更深层次的科学解释。

鸣谢:感谢新生代徐副研究员的点评和宝贵的修改意见。

主要参考文献

几个世纪以来北大西洋气候的起搏器[J].科学，2000，288(5473):1984-1985。

[1]曼纳梅，斯泰因曼，米勒.气候模式模拟中内部数十年和年代际振荡的缺乏[J].自然通讯，2020，11: 49。

[2]曼曼，斯泰因曼，布鲁莱特，等.在过去的一千年里由火山作用力驱动的数十年气候振荡[J].理科，2021，371(6533):1014-1019。

PAGES2k财团。在共同时代全球温度重建和模拟中一致的几十年变率[J].自然地球科学，2019，12(8): 643-649。