.作者：張旭 劉曉倩
作者：張旭 劉曉倩
《光明日?qǐng)?bào)》（ 2021年11月11日 16版）
.
計(jì)算機(jī)模擬可以幫助科學(xué)家重建遠(yuǎn)古氣候變化情況。
1.在人類活動(dòng)并不成為威脅的地質(zhì)歷史上，氣候?yàn)槭裁匆矔?huì)劇烈變化？
??常言道“以史為鑒，可以知興替”?！笆贰辈粌H僅是短暫的人類文明演化歷史，更是漫長(zhǎng)的地球自然變化史。
??經(jīng)過(guò)多年的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，適合人類生存的溫暖氣候并不是一直存在的。約270萬(wàn)年前，隨著北半球大陸冰蓋的逐漸發(fā)育，氣候系統(tǒng)開始經(jīng)歷萬(wàn)年尺度為周期的冷暖交替，即冰期-間冰期氣候旋回。在每次的冰期旋回中，溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境僅僅持續(xù)幾千年，而剩下的幾萬(wàn)年中地球幾乎一直處在一個(gè)有大陸冰蓋存在的寒冷冰期。
??早在20世紀(jì)初，南斯拉夫?qū)W者米蘭·柯維奇就指出，地球軌道引起的北半球夏季太陽(yáng)輻射變化是驅(qū)動(dòng)冰期旋回的主因。地球軌道變化由三個(gè)主要參數(shù)控制，即軌道偏心率、地軸傾角和歲差，其對(duì)應(yīng)的周期分別為約10萬(wàn)年和40萬(wàn)年、4.1萬(wàn)年、2.1萬(wàn)年。因此，若氣候變化存在與地球軌道相仿的周期信號(hào)，則米氏理論可信，這最終由J.D.Hays等人于1976年通過(guò)分析髙分辨率和長(zhǎng)時(shí)間尺度的深海巖芯證實(shí)，為進(jìn)一步探索冰期氣候的演變規(guī)律指明了方向。
??在冰期-間冰期氣候旋回背景下，氣候系統(tǒng)同時(shí)經(jīng)歷著一系列的相對(duì)高頻的氣候波動(dòng)。在20世紀(jì)80年代初，W.Dansgaard和H.Oeschger等人發(fā)現(xiàn)格陵蘭島冰芯中的氧同位素記錄了末次冰期一系列千年時(shí)間尺度、冷暖快速交替的氣候波動(dòng)，經(jīng)后續(xù)近十年的研究，于20世紀(jì)90年代最終確認(rèn)了該氣候波動(dòng)是真實(shí)存在的氣候事件，意味著氣候系統(tǒng)的演變有著明顯的非線性過(guò)程，增加了我們預(yù)測(cè)當(dāng)前人為二氧化碳排放如何影響氣候變化的難度。為了紀(jì)念這兩位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，這些千年氣候事件被稱為Dansgaard-Oeschger（DO）事件。
??在DO事件中，北半球高緯度地區(qū)的年均氣溫，可在數(shù)十年內(nèi)變化8-16℃。那么地球的其他地區(qū)是如何響應(yīng)的呢？E.Corrick等人在2020年的一篇記錄與模型融合的論文中指出，DO事件并非只是格陵蘭島的一個(gè)局地氣候現(xiàn)象，而是一個(gè)具有全球同步性的氣候事件：在北半球高緯地區(qū)發(fā)生溫度突變的同時(shí)，熱帶季風(fēng)系統(tǒng)（南美季風(fēng)，非洲季風(fēng)和亞洲季風(fēng)）、南大西洋的海溫等都同時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。
??在氣候寒冷的冰期，并沒(méi)有人類活動(dòng)的影響，那是什么原因造成了這些劇烈的氣候突變呢？W.Broecker等人在20世紀(jì)80年代就已指出，氣候突變的主要原因與大西洋經(jīng)向環(huán)流的變化有關(guān)——大西洋經(jīng)向環(huán)流可以攜帶熱帶和南半球的熱量到北半球高緯度地區(qū)，當(dāng)該環(huán)流發(fā)生大幅減弱或停滯時(shí)，將導(dǎo)致徑向的熱輸送大幅度下降，引起北半球高緯度的顯著降溫；與此同時(shí)，由于熱量的堆積，南半球則逐漸升溫——這一觀點(diǎn)在隨后30多年的持續(xù)研究中得到普遍認(rèn)可。
??那么，是什么原因?qū)е铝舜笪餮蠼?jīng)向環(huán)流發(fā)生改變？目前，科學(xué)家們主要認(rèn)為是氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變化導(dǎo)致的。例如有學(xué)者提出，可能與海洋環(huán)流的內(nèi)部變率有關(guān)，或是由北半球的冰量或者北大西洋的海冰的消融所致；也有學(xué)者認(rèn)為大氣二氧化碳濃度和南半球中緯度西風(fēng)帶的變化也起到積極的作用。
2.軌道偏心率、地軸傾角和歲差，是否有可能引發(fā)氣候突變？
??萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，地球氣候變化亦是如此。當(dāng)?shù)厍蚶@太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌道的幾何形狀發(fā)生變化時(shí)，地球表面所接受到的來(lái)自太陽(yáng)的輻射能量也隨之發(fā)生改變，進(jìn)而造成地球上氣候發(fā)生相應(yīng)的變化，例如前文提到的冰期-間冰期氣候旋回。
??早在1999年，J.McManus等人就在一篇記錄方面的文章中提出了冰期放大的觀點(diǎn)。他通過(guò)研究北大西洋沉積物中浮冰碎屑含量變化發(fā)現(xiàn)，過(guò)去50萬(wàn)年的五個(gè)冰期旋回中，每當(dāng)北半球冰量超過(guò)一定臨界閾值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)顯著的千年尺度氣候突變事件。
??中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在2014和2017年的數(shù)值模擬工作中，從動(dòng)力機(jī)制角度系統(tǒng)地闡述了冰期放大的原因——北半球冰蓋高度變化可控制中緯度西風(fēng)帶的位置和強(qiáng)度，進(jìn)而影響北大西洋灣流強(qiáng)度和南拉布拉多海的海冰輸運(yùn)，導(dǎo)致大西洋經(jīng)向環(huán)流更易受氣候擾動(dòng)（例如<20ppm的大氣二氧化碳變化）的影響，觸發(fā)氣候突變。
??根據(jù)米氏理論，冰期旋回中氣候背景的變化（例如冰量）與軌道驅(qū)動(dòng)的北半球夏季太陽(yáng)輻射聯(lián)系密切，這說(shuō)明軌道變化可通過(guò)氣候系統(tǒng)的內(nèi)部反饋（例如冰量變化）調(diào)制氣候突變事件的發(fā)生，即地球軌道對(duì)氣候突變的間接調(diào)制。簡(jiǎn)單地說(shuō)，地球軌道的改變引起了地球冰蓋、特別是北半球冰蓋大小的變化，其通過(guò)與其他系統(tǒng)（例如海洋-大氣系統(tǒng)）的相互作用，進(jìn)而影響大西洋經(jīng)向環(huán)流對(duì)氣候擾動(dòng)的敏感性，最終導(dǎo)致氣候突變?cè)诒诘念l發(fā)。
??前面說(shuō)過(guò)，地球軌道的變化由軌道偏心率、地軸傾角和歲差三個(gè)主要參數(shù)控制。那么，哪個(gè)因素比較重要呢？
??2010年，M.Siddall等人通過(guò)研究南極冰芯溫度記錄發(fā)現(xiàn)，過(guò)去50萬(wàn)年冰期的千年氣候變率強(qiáng)度與歲差周期（約2.1萬(wàn)年）有顯著相關(guān)性，并遠(yuǎn)強(qiáng)于其與北大西洋融冰事件的相關(guān)性，由此他們認(rèn)為，歲差變化可能調(diào)控氣候突變事件的發(fā)生。2016年，西安交通大學(xué)程海等人通過(guò)對(duì)60萬(wàn)年來(lái)的中國(guó)石筍氧同位素記錄分析，發(fā)現(xiàn)北半球夏季太陽(yáng)輻射量的變化與千年尺度氣候事件在歲差和地軸傾角周期有顯著相干性。
??這些研究將這一領(lǐng)域縱深推進(jìn)，但對(duì)于有著萬(wàn)年以上變化周期的地球軌道變化，是否無(wú)須通過(guò)改變地球內(nèi)部環(huán)境就可直接觸發(fā)千年時(shí)間尺度的大西洋環(huán)流的驟變？
??科學(xué)家們對(duì)這一問(wèn)題仍不清楚。造成這一局面的主要原因是，太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)的地球內(nèi)部氣候背景變化與千年尺度氣候事件一直是協(xié)同演變的，共同塑造了過(guò)去幾百萬(wàn)年來(lái)的氣候演變特征。而古氣候重建記錄本身作為氣候演變的綜合產(chǎn)物，并不能用于區(qū)分太陽(yáng)輻射和氣候背景變化兩者各自對(duì)千年事件的影響。換句話說(shuō)，我們并不清楚氣候突變究竟是太陽(yáng)輻射變化導(dǎo)致的，還是由軌道驅(qū)動(dòng)的氣候內(nèi)部變化引起的，兩者在這一系列千年事件中各自的貢獻(xiàn)尚不清楚。
3.新動(dòng)力模型——地球軌道變化對(duì)氣候突變有雙重調(diào)制作用
??為了解決上述難題，以中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，利用先進(jìn)的復(fù)雜氣候模型，系統(tǒng)地闡述了地球軌道變化直接驅(qū)動(dòng)千年氣候事件的動(dòng)力機(jī)理。這篇論文已在線發(fā)表于國(guó)際地學(xué)期刊《自然·地球科學(xué)》。
??團(tuán)隊(duì)選取末次冰期第5、6、7次千年事件（過(guò)去四萬(wàn)到三萬(wàn)兩千年之間）作為研究對(duì)象，開展數(shù)值模擬研究。這是因?yàn)檫@些突變發(fā)生的時(shí)期，全球冰量和溫室氣體并無(wú)顯著的變化，可有效排除地球內(nèi)環(huán)境變化對(duì)氣候突變的調(diào)制。
??基于此，研究者們?cè)陂_展這段時(shí)期的氣候瞬變模擬試驗(yàn)時(shí)，僅將地球軌道參數(shù)的變化作為氣候試驗(yàn)的強(qiáng)迫因素，而其他所有的環(huán)境變量（例如冰量、溫室氣體等）均保持不變。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是可直接診斷軌道變化對(duì)大洋環(huán)流的直接影響。試驗(yàn)中，大西洋經(jīng)向環(huán)流出現(xiàn)類似于古氣候重建資料中的千年尺度震蕩，其所引起的全球溫度和降水變化也與重建記錄有較好的一致性，在復(fù)雜氣候模型中首次證實(shí)了地球軌道變化可直接驅(qū)動(dòng)氣候突變。
??研究人員又進(jìn)一步采用軌道參數(shù)的單一強(qiáng)迫試驗(yàn)，即僅改變地軸傾角或離心率和歲差，定性不同軌道參數(shù)變化對(duì)氣候突變的影響。
??研究發(fā)現(xiàn)，歲差的變化可通過(guò)影響北半球低緯地區(qū)的夏季太陽(yáng)輻射量，調(diào)節(jié)大氣水汽從大西洋向太平洋的輸送強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)控北大西洋的海表鹽度。大西洋海表鹽度的變化通過(guò)影響北大西洋深層水生成的強(qiáng)度，觸發(fā)大西洋經(jīng)向環(huán)流的突變。同時(shí)，地軸傾角可通過(guò)影響北半球高緯地區(qū)的年平均太陽(yáng)輻射變化，調(diào)控北大西洋深層水生成區(qū)的海水溫度以及海冰面積，進(jìn)而影響表層海水垂直混合的強(qiáng)度，引起這些突變。
??這一系列的數(shù)值模擬試驗(yàn)證實(shí)了在寒冷的冰期單一軌道參數(shù)變化也可直接造成北大西洋海洋環(huán)流的突變—即地球軌道的變化不僅可以通過(guò)影響冰蓋大小等方式間接調(diào)控氣候突變的發(fā)生，也可通過(guò)影響海洋-大氣系統(tǒng)直接觸發(fā)氣候突變。
??科學(xué)家們并未止步于此。他們進(jìn)一步開展了基于不同氣候背景下的軌道參數(shù)敏感性試驗(yàn)，以此厘清冰期旋回中地球軌道的這種直接與間接調(diào)制如何協(xié)同影響千年氣候事件的發(fā)生，并總結(jié)出一個(gè)闡述軌道雙重調(diào)制的動(dòng)力概念模型：
??在冰期旋回過(guò)程中，當(dāng)氣候背景類似于末次盛冰期或者末次間冰期暖期時(shí)，地球軌道的變化無(wú)法直接觸發(fā)氣候突變，因?yàn)槭⒈诒卑肭虻拇蟊w和間冰期最暖期的高溫室氣體濃度導(dǎo)致大西洋經(jīng)向環(huán)流的基本態(tài)（即不受外力擾動(dòng)情況下的狀態(tài)）較為穩(wěn)定，對(duì)外力擾動(dòng)的敏感性較低。
??而當(dāng)氣候背景進(jìn)入到兩者之間時(shí)，即當(dāng)冰量和溫室氣體處在盛冰期和間冰期最暖期之間的中間位置時(shí)，軌道變化可直接引起千年尺度的氣候自震蕩；自震蕩可在某一特定的軌道參數(shù)范圍內(nèi)持續(xù)存在，直到軌道參數(shù)移出該特定的范圍（這個(gè)特定范圍可稱為千年氣候事件的“機(jī)會(huì)窗口”）；而與此同時(shí)，地球內(nèi)部氣候背景的變化（例如全球冰量和大氣二氧化碳濃度），可改變“機(jī)會(huì)窗口”在軌道周期中出現(xiàn)的位置——當(dāng)北大西洋處于一個(gè)偏冷（暖）的冰期氣候背景時(shí)，“機(jī)會(huì)窗口”可能出現(xiàn)在地軸傾角或地球歲差的高（低）值區(qū)。
??通過(guò)這些研究，我們可以確定：自過(guò)去270萬(wàn)年以來(lái)，更新世所發(fā)生的千年氣候事件很可能是地球軌道變化雙重調(diào)制的結(jié)果。當(dāng)然，該研究領(lǐng)域依然還有深入研究的空間，例如，軌道尺度氣候變化（冰期旋回）和千年尺度氣候突變?nèi)绾螀f(xié)同作用塑造了古氣候資料重建中所記錄的更新世以來(lái)的氣候演變，還需通過(guò)更為先進(jìn)的地球系統(tǒng)模型（例如含冰蓋動(dòng)力過(guò)程）做進(jìn)一步研究。
??探尋過(guò)去氣候變化的原因，嘗試揭示不同時(shí)空尺度氣候過(guò)程的協(xié)同作用對(duì)氣候變化的影響，并不僅因?yàn)楹闷?。以史為鑒，以知興替。只有努力掌握氣候演變的規(guī)律，才能更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)未來(lái)的氣候變化，指引人類可持續(xù)發(fā)展的方向。
??（作者：張旭，系中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所研究員；劉曉倩，系該所工程師）
.
聯(lián)系客服
