由自然海洋周期所引起的变率在全球变暖中的作用，是气候科学中一场长期存在的争论。
科学界压倒性地认为，过去半个世纪观测到的气温升高是人类活动所致。然而，火山喷发、海洋周期和太阳等气候自然驱动因素，对叠加在长期变暖趋势之上的暖相和冷相的相对影响，仍是一个活跃的研究领域。
在发表于Journal of Climate上的一篇论文中，我们发现，人类与自然的气候强迫因素 – 大气中二氧化碳及其他温室气体增加、火山、太阳活动和气溶胶 – 几乎可以解释过去150年气温记录中的全部长期变化。
年际间的起伏与厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO)现象相关。但我们发现，由缓慢作用的海洋周期引起的变率，并非解释历史气温记录中较长期变化所必需的。
模型与观测到的变暖相吻合
1915年至1945年间的“早期变暖期”长期以来一直是科学家难以解释的挑战。 既往研究认为，该时期观测到的变暖中约有一半可归因于气候“外部”因素——例如人为温室气体排放、火山喷发以及太阳输出的变化。其余一半归因于“内部”因素——即气候系统自身的自然波动。这引出了一种观点，认为可能存在周期为60至70年的长期海洋周期，影响全球气温。它们通常与大西洋多年代际变率指数（AMV）相关。
我们的发现挑战了这一主流观点。我们发现，过去170年全球平均气温观测到的几乎全部变化都是由外部驱动因素造成的，几乎没有留给“无强迫”内部海洋贡献的空间。这意味着，60至70年时间尺度的海洋周期不太可能是1850年以来全球气温观测演变的一个因素。相反，火山活动强烈时期和气溶胶颗粒（空气污染）的释放等外部因素，导致了气温波动。
为确定外部驱动因素对全球气温的影响，我们使用了“双盒脉冲响应模型”，该模型将强迫估计转化为相应的气温响应。这使我们能够同时纳入对不同驱动因素的快速和缓慢气候响应，并反映了海洋在缓冲所观测到的变暖速率方面所起的作用。
下图显示了观测到的全球气温（黑色），并与使用气候强迫因素的模型（黄色）以及包含ENSO条件的气候强迫因素模型（浅蓝色）进行了比较。
基于观测的全球地表气温（陆地采用Cowtan/Way陆地气温数据，海洋采用HadISST2海表温度数据，为黑色），以及仅强迫因素（黄色）和强迫因素加ENSO（浅蓝色）的模型结果。气温距平相对于1850-1879年计算。基于Haustein et al 2019中的图5绘制。图表由CarbonBrief使用Highcharts制作。
在我们的模型中，几乎全部（97-98%）的气温长期变化都可由外部强迫来解释。该方法对人为气溶胶反馈过程采用了更精确的描述（黑碳黑碳污染的增温效应和工业燃烧产生的硫酸盐颗粒的降温效应）以及修正了海表温度（SST）记录中因测量方式的变化（发生于二战前后）所造成的偏差。然而，即使不采用这些更新的强迫和观测估计，该方法仍捕捉到了相当大的部分全球气温的变率。
该模型有效地再现了陆地和海洋上的气温。下图显示了陆地的模型结果（橙色）与陆地气温观测（红色）的对比，以及海表温度的类似数值（观测为深蓝色，模型结果为浅蓝色）。
观测得到的全球陆地和海洋表面气温，以及强迫加ENSO的模型结果（浅蓝色）。气温距平相对于1850-1879年计算；为避免重叠，海洋气温已偏移-0.3C。图表由CarbonBrief使用Highcharts制作。
变暖的不同组成部分
该模型还使我们能够将气温变化归因于不同的强迫因素。下图展示了对全球地表气温产生影响的各种因素的分解，包括人为强迫（温室气体和气溶胶）、自然强迫（火山和太阳）以及ENSO引起的短期变化。黑点表示观测到的气温记录，灰线表示纳入所有驱动因素的模型模拟。
观测得到的全球地表气温（黑色）、所有因素的模型结果（灰色）、温室气体（红色）、气溶胶（深蓝色）、自然强迫（浅蓝色）以及ENSO引起的短期变率（黄色）。气温距平相对于1850-1879年计算。图表由CarbonBrief使用Highcharts制作。
这些图与此前发表的由Carbon Brief在一篇文章中所刊载的图表相当相似。该文探讨了科学家为何认为约100%的观测变暖是由人类导致的，因为该分析所用模型是本文新论文所用模型的早期版本。
与古气候变化的比较
除了与1850年至今的观测气温进行比较外，我们还可以利用过去气候强迫的估计，将模型扩展到更遥远的过去——追溯至1500年。结果可以与基于气候“代用指标”的气温重建进行比较，即由树木年轮、冰芯和海洋沉积物等来源推导出的气候记录。
下图显示了将模型回溯至1500年（红色）的结果，并与古气候再分析数据集（NTrend2015，粗橙线）和单个代用记录（橙色）进行了比较。由于北半球拥有大量古气候气温重建数据，因此图中显示的是北半球的气温。
观测得到的北半球地表气温（黑色）、所有因素的模型结果（灰色），以及七项基于代用指标的古气候估计。图表由CarbonBrief使用Highcharts制作。
在1500年至今的这一时期，模型捕捉到了代用数据中存在的大部分多年代际变率。这增强了我们的信心，即模型中至少在过去500年左右不存在遗漏的大规模内部变率来源。
未来变暖
尽管气候系统仍受到厄尔尼诺和拉尼娜事件所带来的短期自然变率影响，但认为海洋在过去曾将气候推入持续数十年的较冷或较暖时期、并可能在未来继续如此的观点，很可能是不正确的。
大多数复杂的全球气候模型有力地支持以下假设：海洋在多年代际时间尺度上改变全球气温的能力有限。本研究为这些模型结果提供了支持。
这意味着，我们可以预期未来的变暖主要由外部强迫因素（例如人为温室气体排放）以及与ENSO相关的变率所驱动。
目前仍存在一些差异，介于过去的复杂气候模式模拟与观测结果之间。然而，我们认为，这些模式应采用更早的模式起始时间，纳入19世纪初的强烈火山喷发——这些火山喷发在19世纪中后期乃至可能更久的时间里仍在影响全球气温——这反过来将有助于改善两者之间的一致性。更新后的气候强迫因素——将被纳入即将开展的CMIP6建模项目——也将有助于解决部分历史分歧。
