物理学院聂绩和胡永云团队模拟研究北大西洋涛动的起源与演变

国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”古气候模拟小组、北京大学物理学院大气与海洋科学系聂绩和胡永云团队模拟研究了北大西洋涛动的起源与演变，发现NAO形成与北大西洋裂解这一板块运动过程密切相关，揭示了在8000万年至6000万年前，当北大西洋扩张至约40个经度宽度时，类似现代的NAO模态开始形成。

　　

国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”古气候模拟小组、北京大学物理学院大气与海洋科学系聂绩和胡永云团队模拟研究了北大西洋涛动（North Atlantic Oscillation, NAO）的起源与演变，发现NAO形成与北大西洋裂解这一板块运动过程密切相关，揭示了在8000万年至6000万年前，当北大西洋扩张至约40个经度宽度时，类似现代的NAO模态开始形成。此外，始新世以来，落基山脉的隆升进一步增强了NAO的强度。论文以“Origin and Evolution of the North Atlantic Oscillation”为题发表在Nature Communications。

NAO是现代北大西洋中高纬度地区气压协同变化的一个气候模态，表现为副热带高压和冰岛低压之间的反向变化（图1b）。NAO是北半球最重要的气候模态之一，对北半球中高纬度地区的天气和气候具有重要影响，通过大气遥相关对我国天气和气候也有重要影响，甚至是我国短期气候预测的重要先兆因子。古气候代用资料表明，自全新世中期以来，NAO已经存在，并显著影响欧洲的天气和气候。然而，NAO的起源可以追溯到什么时间仍是未解之谜，地质历史时期海陆分布演化如何影响NAO的演变，通过什么机制影响NAO的形成和演变，这些问题是该研究所关心的关键科学问题。

基于自1.6亿年前（160Ma）以来的一系列时间切片模拟试验，在北美洲与欧洲仍相连时，大气变率的主要模态表现为极地地区的气压震荡，而中纬度地区尚未形成明显的反向气压振荡中心（图1a）。至8000万—6000万年前，当北大西洋扩张至约40个经度时，NAO模态开始出现（图1b）。随着北大西洋的持续扩张，NAO的南北偶极子振荡模态逐步增强，最终演化为现代海陆分布下的NAO模式（图1c）。系列理想模拟试验结果也表明，当洋盆宽度达到40个经度时，NAO开始出现，说明洋盆宽度是决定NAO形成的关键因子。

图1：北大西洋气候模态演变。(a) 150Ma时期的结果，无NAO，(b) 40Ma时期的结果，类似现代的NAO，表现为中纬度和极地气压的反相位变化（红色和蓝色），(c) NAO的地质时期演化。纵轴为时间，下横轴为纬度。红色和蓝色表征北大西洋地区气候模态的纬向平均，颜色越深代表南北偶极子越强，越接近现代NAO。灰色粗实线是北大西洋的平均宽度，对应上横轴。图中显示自160Ma以来，NAO于80Ma至60Ma出现，并不断加强

为什么NAO在洋盆宽度足够宽时才能形成？这是因为北大西洋的展宽增强了海陆热力对比。尤其在北半球中高纬度冬季，由于海洋的热容量远大于陆地，海表及其上空的大气温度显著高于陆地及其上空大气温度。这种纬向热力对比激发了大气定常波动，塑造了区域化的大气环流形态，包括北太平洋和北大西洋的高压系统、急流和风暴轴。随着北大西洋的持续扩张，该区域的海陆热力对比进一步增强，导致北半球冬季环流格局发生显著变化（图2），具体表现为：北大西洋西风急流西移，为天气尺度波的能量耗散提供了空间，北大西洋高压和风暴轴增强，加强了该区域的波流相互作用，NAO型振幅逐渐加强，并最终成为主导的大气振荡模态。模拟结果还表明，自4000万年前（40Ma）以来，落基山脉的隆升通过激发地形定常波动，进一步强化了NAO振幅。

图2：北半球大气环流特征示意图：(a) 北大西洋裂解前（160Ma）和(b) 现代。粗黑实线表示对流层西风急流区；黄色区域表示定常高压；红色区域表示风暴轴；灰色线表示大气波动能量的传播和耗散（虚线）。图(b)中细黑实线和虚线表示NAO的南北偶极子结构，灰色阴影（RM）表示落基山脉

该研究从深时气候演变的视角，系统揭示了NAO的起源及演化历史，建立了板块运动与气候模态之间的长期协同演化关系，为理解NAO的形成机制和现代北半球大气环流格局的形成提供了新的科学视角。

该项成果是基础科学中心古气候模拟组在深时全球季风系统、哈德雷环流、台风、热带辐合带迁移、大洋环流、厄尔尼诺和南方涛动等成果之后的又一重要进展。这些成果系统地展示了在构造时间尺度上大陆演化与气候系统之间的耦合关系，对理解现代气候变化有重要启示意义。

该论文第一作者为北京大学物理学院大气与海洋科学系2019级博士生宋治宏，聂绩和胡永云为共同通讯作者。该项研究是在国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）资助下完成的。