北京大学物理学院大气与海洋科学系胡永云教授团队使用地球系统模式对2.5亿年以来的ENSO活动开展了系统模拟研究，发现厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象自2.5亿年以来一直存在，揭示了ENSO振幅的演变与温跃层深度和大气随机扰动的变化密切相关，这一结果为未来气候态下的ENSO预测和不确定性约束提供了重要的启示。研究成果以《中生代以来持续活跃的厄尔尼诺和南方涛动》（Persistently active El Niño–Southern Oscillation since the Mesozoic）为题，于2024年10月21日在线发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）。
现代ENSO是热带太平洋海气相互作用的结果，是年际时间尺度最强的气候模态，对于调控全球气候系统起到重要作用。过去的2.5亿年经历了巨大的气候变化和海陆分布变化，研究深时冷暖期ENSO活动对预测未来ENSO及其对全球气候的影响具有重要的借鉴意义。系统地数值模拟研究不仅有助于我们理解ENSO在地质时间尺度上的演变，通过与地质记录对比和检验，还可以验证现有的ENSO理论，包括ENSO与气候平均态之间的关系，从而更好地约束未来的ENSO预测。
使用海气耦合地球系统模式（CESM1.2.2），胡永云团队针对过去2.5亿年开展了系列模拟试验（每1千万年一个气候平衡态试验）。在2.5亿年前（250 Million years ago (Ma)，海陆分布为一个潘基亚超大陆和一个泛大洋，全球平均地表温度（global mean surface temperature, GMST）为25.5 °C（图1A），比工业革命前（pre-industrial, PI）时期高出十多度（图1C）。在潘吉亚超大陆的裂解后， GMST为19.7 °C（图1B，150 Ma）。尽管不同地质时期温度变化巨大，海陆分布存在巨大差异，盛行东风下的赤道太平洋“暖池-冷舌”海温分布和“西深东浅”的温跃层倾斜结构基本维持不变（图1A-F，图2A）。
2.5亿年以来，海表温度年际变率最大值一直位于赤道东太平洋（120°W附近，图1G-I，图2B），说明2.5亿年以来一直存在ENSO活动。PI时期的ENSO振幅最弱，为0.6 °C，150 Ma最强，为1.3 °C（图1H和I）。在没有深入分析研究之前，一个似乎合理的推测是，深时ENSO振幅变化与GMST或赤道洋盆宽度等有关，但实际分析表明，ENSO振幅与GMST、赤道纬向海表温度梯度以及洋盆的宽度之间并不存在显著相关性（图2C、2D）。
图1 过去2.5亿年中3个代表性时期的气温、赤道海洋温跃层和ENSO：250 Ma、150 Ma和PI。（A-C）全球地表温度和热带洋面风场。（D-F）赤道地区海温垂直剖面，黑实线代表混合层深度，灰断线代表温跃层深度，红断线表示西太平洋温跃层深度。（G-I）填色为海表温度的年际变率，等值线为海表高度异常对ENSO指数的回归。黄色和绿色方框分别代表赤道西太平洋和东太平洋。
图2 过去2.5亿年来赤道海表温度和ENSO演变。（A）填色为赤道地区海表温度，等值线为海表纬向风，（B）海表温度的年际变率，其中赤道东太平洋的东西边界由黑色三角形标出。（C）ENSO振幅和GMST的演变，黑线为ENSO振幅，红线为GMST。（D）ENSO振幅和赤道太平洋纬向海表温度梯度的演变。灰色阴影标出了图1中的3个时期：250 Ma、150 Ma和PI。
根据现代ENSO的充电振子（Recharge Oscillator, RO）理论模型，线性Bjerknes stability index（BJ index）能够解释2.5亿年以来ENSO振幅变化方差的57%，其中纬向平流正反馈和温跃层正反馈的贡献起主导作用。其中，正反馈受赤道西太平洋温跃层深度的调控，当温跃层较深时，赤道温跃层东西倾斜程度对海表风应力的响应减弱，从而使纬向平流正反馈和温跃层正反馈的强度减弱，导致ENSO振幅减弱，反之亦然。此外，ENSO振幅还受大气随机扰动的影响。在大气随机扰动较强的时期，ENSO振幅较强，反之亦然。线性增长率和大气随机扰动相互独立，两者可解释2.5亿年以来ENSO振幅变化的76%。
该研究是在国家自然科学基金基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）资助下完成的。
全文链接为：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2404758121。
