PNAS：气候变化对日照长短变化的影响日益加剧

意义

现代气候变化是史无前例的。近几十年来，它加速了冰川和极地冰盖的融化，导致海平面上升。自 1900 年以来，这种极地到赤道的质量传输显著增加了地球的扁平度和白昼长度 （LOD）。我们发现，目前的增长率比20世纪的任何时候都要高。在高排放情景下，气候引起的LOD率将继续增加，并可能达到目前两倍的速度，超过了月球潮汐摩擦的影响。这些发现标志着气候变化对地球产生了前所未有的影响，并对精确计时和太空导航等产生影响。

图1显示了我们计算出的 1900 年至 2100 年的重静态 LOD 变化。我们还显示了 LOD 变化的线性速率（即长期趋势）和每20年的间隔内的 SD。这些线性趋势是通过加权最小二乘法获得的，权重与数据中的不确定性的平方成反比。AIS、GrIS、全球冰川和陆地水储存量（TWS）对LOD的贡献如图2所示。

图1 （A）重构建（1900 年至 2018 年）和预计（2019 年至 2100 年）所有重静态的 LOD 变化。这些预测基于RCP 8.5和RCP 2.6排放情景。不确定性（阴影包络线）代表一个标准差。结果相对于 2002 年至 2018 年的平均值显示。（B） LOD的线性趋势分为每20年的间隔（2000年至2018年和2018年至2040年除外，以便将重构建的LOD和预测的LOD分开）。误差线表示一个标准差水平的不确定性。蓝色水平线表示由于月球潮汐摩擦引起的长期LOD率。各重静态过程的速率数值可在SI 附录中找到。

图2 各重静态过程对重建和预测的LOD变化的贡献。不确定性（阴影包络线）处于一个标准差的水平。

在整个20世纪，气候引起的LOD变化率有很大的变化，在0.31±0.03 ms/cy（1960 年至 1980 年）和 1.00±0.04 ms/cy（1920 至 1940）之间（图 1B 和 SI 附录，表 1 和表 2）。这些波动反映了20世纪发生的全球地表温度变化、冰川融化，TWS变化和海平面上升的可变速率。全球冰川融化和GrIS对积极的LOD趋势的贡献大致相同，虽然不可忽略，但AIS起着次要作用。来自TWS的LOD信号相对较弱，导致了小的负LOD趋势，主要是由于大坝蓄水。

在2000年左右之后，由于冰川和冰盖融化的速度加快以及相关的海平面上升，LOD呈加速趋势。在过去二十年中，我们计算出的LOD变化率为1.33±0.03 ms/cy 明显高于 20 世纪的任何时候。图2揭示：最近LOD的加速是由GrIS和AIS的融化引起的，而自1960年以来全球冰川的贡献基本保持不变。这些结果表明:通过对LOD的影响，过去二十年气候变化导致的极赤道质量输送与前100年相比是前所未有的。

直至2100年，LOD变化的预测是基于具有代表性的浓度路径（RCP）2.6和8.5的排放情景。使用这些相当过时的情景，而不是共享社会经济途径 （SSP） ，会受到参考文献(32)和（33）中提供的 AIS 和 GrIS 质量平衡的不同可用预测的限制。我们使用多模型集成方法，来自不同机构的独特预测来计算LOD变化的平均值和标准差。这为我们提供了RCP 2.6和RCP 8.5的未来LOD演化和不确定性。

两种RCP情景的LOD预测值有很大差异（图1）。在低排放情景下，未来几十年LOD变化率的预测仍然接近1.00 ms/cy，并在21世纪末减速。在高排放情景下，LOD率持续增加，在2080 年至 2100 年最高可达2.62±0.79 ms/cy 。如此大的比率通过潮汐摩擦将超过2.40±0.01 ms/cy 。很难预测两种RCP情景中的哪一种更能代表未来的气候变化。我们可以合理地预计：未来几十年的LOD变化可能介于这两种极端情景所产生的比率之间。

图 2 显示了对 LOD 预测的单个重静态贡献。尽管AIS在20世纪对LOD没有显着贡献，但由于阿蒙森海域的快速融化和相关的全球海平面上升，其影响预计在21世纪将变得越来越重要。TWS预测对LOD的影响很小。然而有趣的是，在2005年左右趋势从负转为正。这意味着由于气候变化共同导致了海平面的上升，大坝蓄水造成的负LOD趋势被被河流、湖泊、湿地、土壤和树冠含水量的累积耗竭所补偿和取代。由于气候变暖导致严重缺水，预计地下水开采量将大幅增加，这最终将导致海平面上升和正LOD趋势。

我们计算的1900—2018年气候诱导的LOD变化远弱于地心-地幔角动量交换引起的年代际LOD变化。鉴于岩心流模型的不确定性很大，直接从LOD观测记录中提取该信号是具有挑战性的（SI附录）。为了确认我们计算出的信号，我们将注意力转向由这些重静态过程引起的J2的变化;后者与它们产生的LOD变化直接相关（材料和方法中的方程6）。图 3A 显示了基于卫星激光测距 （SLR） 数据的J2时间变化，计算方式与参考文献（39）和（40）中的方式相同，并从中消除了 18.6 年潮汐的影响。在同一图中，我们还展示了我们计算出的重静态预测。请注意，我们的预测仅提供年平均估计值，我们无法解决观察到的J2季节性波动.然而，年估计已经得到了很好的解决，我们在这里的重点是年际变化。图 3A 显示重静态过程导致J2在2000年后明显加速上升。图 3B 显示了各个过程的贡献。全球冰川和 GrIS 是造成J2巨大变化，尽管包括TWS在内的所有过程都对2000年后的增长做出了重大贡献。

图3 （A）单反观测值之间的比较J2以及我们对重静态过程的预测。（B） 单静态过程对J2的贡献.（C） SLR观测值与模拟的重静态过程之间贡献的差异。线性拟合必须对应于 GIA 对J2变化率的贡献。结果显示了 2002 年至 2018 年间的平均值。

我们的预测与在图 3A 中观察到的J2不同，它只包含来自重静态过程的贡献。观察到的J2还包括由 GIA 和其他过程引起的线性趋势。这包括由岩心流引起的地心-地幔边界的年际压力变化，尽管预计该信号的振幅很小，约为10−11. 为了分离 GIA 信号，我们从 SLR 观测值中减去重静态预测。剩余的信号（图 3C）通过线性趋势很好地近似，在此趋势之上会出现季节性波动。

从这些结果中可以得出的结论是多方面的。首先，他们表明：气候变化导致的极地到赤道的质量输送是导致近几十年来观察到J2向上加速的主要贡献者。其次，它证明了这种质量传递在我们使用的重静态模型中得到了很好的解决。推而广之，这验证了我们基于这些模型对LOD变化的预测。而且，尽管气候变化对向上加速的J2的影响之前已经被注意到，我们现在可以准确地分离对这种加速的不同贡献。

图 3C 中的线性趋势反映了 GIA 对J2的贡献。与该信号的线性拟合可得到(−4.6±0.6)×10−11y−1，它对应于 −0.80±0.10 ms/cy的LOD 趋势。这构成了 GIA 对J2和 LOD的变化率贡献的独立恢复。我们断言：GIA模型必须与这些速率一致，这反过来又为地幔的粘度分布提供了重要的约束。我们注意到，J2恢复率与根据大量 GIA 模型的集合平均值预测的比率一致。

20世纪海平面的持续上升和在2000年后的加速趋势与工业革命开始以来的气候变暖有关。在1800年之前，海平面以几百年的时间尺度波动，并且没有明显的趋势。这意味着，在过去三千年的日食记录，重静态过程对长期LOD趋势为+1.72±0.03 ms/cy没有显著贡献。因此，这种过去的长期LOD趋势必须由潮汐摩擦和GIA主导。事实上，潮汐摩擦的总和（2.40±0.01ms/cy）和我们对 GIA 趋势的估计 （−0.80±0.10 ms/cy） 给出的长期趋势为+1.60±0.10 ms/cy，在误差线内，这与观察到的长期趋势相匹配（图 4）。这次预算结案为我们恢复 GIA 趋势提供了进一步的支持，进而为图 1中计算的气候引起的 LOD 变化提供了进一步支持。

图4 长期的LOD预算结案。观察到的趋势基于过去三千年的数据 （5）。GIA 信号源自观察到的 J2去除重静态信号后。误差线表示一个标准差水平的不确定性。

地心-地幔连接在十年到千禧年的时间尺度上引起几毫秒的LOD波动。由于后者在过去三千年中可能没有得到适当的平均，它们可能为观察到的长期趋势提供残余信号;这一贡献被认为高达 0.4 至 0.6 ms/cy。观测到的长期 LOD 趋势为−0.80±0.10 ms/cy通过潮汐摩擦和 GIA 率之和与表明，在这种情况下，地心流的残余贡献被限制在大约+0.1ms/cy。

论文信息：

原文标题：

The increasingly dominant role of climate change on length of day variations

发表期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

发表时间：

2024年7月17日

作者信息：

Mostafa Kiani Shahvandi, Surendra Adhikari, Mathieu Dumberry, Siddhartha Mishra,and Benedikt Soja

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406930121