轨道驱动对高低纬水循环的影响特征_海冰和降水_吴志鹏.pdf

轨道驱动对高低纬水循环的影响特征:海冰和降水吴志鹏1,2,3,尹秋珍2*,梁明强2,郭正堂1,3,4,史锋1,4,陆浩1,苏倩倩2,吕安琪21.中国科学院地质与地球物理研究所,中国科学院新生代地质与环境重点实验室,北京 100029;2.Georges Lematre Center for Earth and Climate Research,Earth and Life Institute,Universit catholique de Louvain,Louvain-la-Neuve 1348,Belgium;3.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049;4.中国科学院生物演化与环境卓越创新中心,北京 100044*联系人,E-mail:qiuzhen.yinuclouvain.be2022-08-08 收稿,2022-09-26 修回,2022-09-28 接受,2022-11-16 网络版发表国家自然科学基金(41888101)资助摘要轨道尺度上的水循环及其对轨道三要素、温室气体和冰盖的响应一直是古气候学界研究的热点科学问题之一.海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分,其变化更是备受关注.研究海冰和降水在轨道尺度上的变化,特别是对外部驱动的响应机理、内部过程和反馈机制,有望对现代海冰和降水变化的理解及其未来趋势预测提供长尺度的背景参考.最新研究结果表明,在轨道尺度上北半球海冰对太阳辐射的变化更敏感,而南半球海冰对温室气体的变化更敏感.就轨道三要素而言,北半球海冰主要受岁差控制,而南半球海冰主要受斜率控制.岁差、斜率和CO2在全球不同区域降水中的相对重要性随时间和空间不同而发生变化.受赤道最大太阳辐射影响,热带降水中还含有明显的半岁差信号.此外,缓慢的轨道尺度太阳辐射变化可以通过影响北极海冰变化来引起大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)百年-千年尺度的突变,从而引起全球温度和降水随之发生改变.在东亚季风区,中国南方夏季降水受冰盖影响显著,冰盖主要通过影响热带辐合带(inter-tropical conver-gence zone,ITCZ)的季节性摆动来影响降水;而中国北方夏季降水主要受太阳辐射控制,以岁差信号占主导;太阳辐射和冰量对夏季风降水的影响具有较强的区域性和非线性特征.关键词水循环,降水,海冰,轨道驱动,冰盖,高低纬相互作用水循环对维持全球气候-环境系统的稳定性发挥着至关重要的作用,同时也是地球能够成为我们“绿色宜居家园”的关键因素之一1,2.水循环还影响着碳循环,这进一步突出了水循环在全球气候-环境-生态中的作用3,4.因此,对全球水循环开展深入研究不仅可以加强对气候-环境相互作用的理解,还有望为实现我国碳达峰、碳中和“双碳”目标提供理论参考.就地球表层系统的水循环而言,高纬冰冻圈系统和低纬季风系统的作用至关重要,且二者通过海洋和大气环流紧密地联系在一起,共同控制着全球水循环59.要深入理解全球水循环,加强对现代全球水循环的研究毋庸置疑十分重要,而探讨水循环的地质演变也是其中不可或缺且尤为重要的一部分.水循环的地质演变是从更长时间尺度探讨全球水循环,有助于更好地理解水循环对外部驱动的响应机理及其相关的内部过程和反馈机制610.加强对水循环的地质演变的研究还能够为更好地理解当前全球水循环及其对未来趋势的预测提供重要的参考.引用格式:吴志鹏,尹秋珍,梁明强,等.轨道驱动对高低纬水循环的影响特征:海冰和降水.科学通报,2023,68:14431458Wu Z P,Yin Q Z,Liang M Q,et al.The effect of astronomical forcing on water cycle:Sea ice and precipitation(in Chinese).Chin Sci Bull,2023,68:14431458,doi:10.1360/TB-2022-0833 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 12 期:1443 1458水循环的地质演变专辑评 述另一方面,地球轨道周期信号不仅广泛存在于第四纪3,1116,甚至在新生代乃至更久远的地质历史时期的记录中均有发现10,17,18.已有的研究表明,轨道尺度的外部驱动不仅能够解释数万年至数十万年尺度的气候变化1922,还能够解释不少亚轨道尺度和构造尺度的气候现象17,18,2327.因此,加强对轨道尺度气候变化的研究不仅能够加深对气候变化机理、过程的认识,还有望打破气候变化研究在不同时间尺度上的束缚,将不同时间尺度的气候变化较为有效地联系起来.就水循环的地质演变而言,轨道尺度的水循环无疑是一个重点研究内容,其将会是全面理解全球水循环的重要窗口.海冰和降水作为水循环的两个重要组成部分,长期以来一直备受科学界的关注21,28.海冰和降水轨道尺度上的变化不仅受到外部驱动(如太阳辐射、CO2和冰盖)的控制,而且受到内部反馈(如植被反馈)的影响1921,29,30.为了更好地理解海冰和降水轨道尺度上的变化,本文围绕南北半球海冰和全球降水(特别是季风降水)对不同外部驱动的响应、热带降水中的半岁差信号和太阳辐射引起的降水突变等科学问题,简要综述前人利用地质记录和数值模拟等方法取得的认识,并较为详细地介绍本团队近些年在这些方面取得的进展,最后提出一些当前研究所面临的不足以及未来研究亟须加强的方向.1南北半球海冰的轨道尺度变化海冰是冰冻圈系统的重要组成部分之一,由于其高反射率决定的反射率-温度的反馈作用和低热导率决定的隔热效果,对高纬和全球的气候系统发挥着极为重要的作用28.海冰的形成与融化不仅改变了海洋对太阳辐射的吸收、海洋和大气之间的能量交换,还影响了海洋的盐度结构,进而影响了全球的海洋、大气环流31.另外,海冰的变化还影响了全球海平面的变化、冰盖的物质平衡以及高纬的生态系统和生物-地球化学循环3234.目前,利用多指标地质记录重建和数值模拟等方法,对轨道尺度上海冰变化的研究已取得了很大的进展.重建过去海冰变化的方法主要有:浮游有孔虫35、底栖有孔虫36、浮游与底栖有孔虫的比例37、甲藻38、颗石藻39、海冰碎屑沉积物40和有机生物标志物IP2541等.格陵兰海冰重建结果表明,相比于早全新世,晚全新世海冰相对较少42.楚科奇海海冰重建结果也表明,海冰自过去9000年以来显著下降38.但加拿大东部海冰重建结果却显示,早全新世处于季节性无冰的状态43.末次冰期以来,鄂霍次克海海冰变化以岁差信号为主,主要受控于北半球高纬太阳辐射44.末次间冰期,由于北半球高纬较高的夏季太阳辐射,北半球大部分地区呈现夏季无冰的状态45.末次间冰期之前,北极海冰的记录相对较少,且分辨率相对较低.少量分辨率相对较高且持续时间相对较长的海冰记录显示,北极海冰在深海氧同位素阶段11(MIS-11)由季节性海冰向多年生海冰发生转变,且北极海冰变化显示了明显的岁差和斜率信号,并以岁差信号占主导4648.相对于北极海冰,南大洋海冰的地质记录更少.其中重建时间较长、分辨率相对较高且沉积连续的南极冰芯DomeC中钠盐的重建结果表明,间冰期南大洋海冰在MIS-13范围最大,而在MIS-5范围最小15.此外,过去80万年南大洋海冰的变化以10万年的冰期-间冰期旋回信号占主导,也包含相对较弱的岁差和斜率信号15.总体而言,地质记录重建的结果表明,北极和南大洋海冰在轨道尺度上显示出不同的演变特征:北极海冰以岁差信号占主导,主要受控于太阳辐射;而南大洋海冰以10万年的信号占主导,主要表现为冰期-间冰期旋回变化.除地质记录外,数值模拟也被广泛用于探讨北极和南大洋海冰的变化及其对不同外部驱动因素的响应.不同时期(中全新世、末次冰盛期和末次间冰期)的敏感性实验结果表明,数值模拟能够较好地模拟出北极和南大洋海冰的变化,但不同模型之间也存在着显著性差异.相对于工业革命前,由于中全新世更高的北半球高纬夏季太阳辐射,所有的模拟结果都显示出较少的北极夏季海冰49.同时部分模拟结果也显示中全新世北极冬季海冰减少,这主要是由于海洋的记忆功能,将夏季的能量部分储存起来,然后在冬季释放出来;然而,也有部分模拟结果显示中全新世冬季海冰增多,主要是直接响应更低的冬季太阳辐射31.而对于中全新世南大洋海冰,不同模型的模拟结果差异性相对较大,难以得到相对一致的结论31,50.末次冰盛期,几乎所有的模拟结果都显示北极和南大洋夏季、冬季海冰均增多,但不同模型模拟的北极和南大洋海冰的增加幅度差异却很大,最大差异超过6倍51.末次间冰期,由于北半球高纬更高的夏季太阳辐射,大多数模型模拟结果显示较少的北极海冰,甚至部分模型模拟结果显示北半球在此时期可能处于夏季无冰的状态.这与钻孔PS2200-5、PS51/038-3、S2757-8和PS2138-2生物标志化合物重建的北冰洋海冰具有很好的一致性5255.此2023 年 4 月第 68 卷第 12 期1444外,瞬变模拟结果显示,当CO2在一定范围(190260ppmv,1 ppm=106L/L)之内时,北极海冰主要受控于太阳辐射,并以岁差信号占主导,这与鄂霍次克海海冰重建较为一致44.相比之下,南大洋海冰的变化以10万年的信号为主,斜率的信号相对较强,这与南极冰芯重建的南大洋海冰结果具有很好的一致性56.关于南北半球海冰对太阳辐射和CO2的差异性响应,最近的数值模拟结果也取得了一些新的进展(图1).利用因子分离技术分别研究太阳辐射和CO2对过去9个间冰期海冰的影响,结果发现北极年均海冰的变化主要受控于太阳辐射,而CO2对南大洋年均海冰变化的作用更显著20,57.进一步分析海冰的季节性变化发现,北极海冰夏季变化较大,且主要受控于北半球高纬夏季太阳辐射.相对于北极海冰,南大洋海冰的季节性变化差异相对较小,而南大洋冬季海冰的变化主要受控于CO2,夏季海冰的变化同时受控于太阳辐射和CO220,57.因此,对南大洋年均海冰变化而言,CO2的作用更显著.在太阳辐射和CO2共同影响下,过去9个间冰期北极夏季海冰相比现在和未来均较少,这主要是因为过去9个间冰期较高的北半球夏季太阳辐射;而相比于未来,过去9个间冰期年均和季节性南大洋海冰均较多,这主要是因为过去9个间冰期较低的CO220.就轨道三要素而言,太阳辐射单因子驱动下长达9万多年的瞬变模拟结果显示,北极海冰主要受岁差控制,较小的岁差对应较少的海冰,较大的岁差对应较多的海冰;而南大洋海冰主要受斜率控制,高斜率对应较少的海冰,低斜率对应较多的海冰19.不同的驱动机制导致北极和南大洋海冰对斜率和岁差的差异性响应.北极海冰主要受控于以岁差信号占主导的北半球高纬夏季太阳辐射;而南大洋海冰对以斜率信号为主的年均太阳辐射和南半球西风响应更敏感19.总体而言,北极海冰主要受太阳辐射和岁差的控制,这与北冰洋长时间尺度、高分辨率的海冰记录具有很好的一致性4648;而南大洋海冰主要受CO2和斜率的控制.这种南北半球海冰受轨道驱动的不一致性变化,其根本原因主要是北冰洋和南大洋所处的地理位置不同.北冰洋是一个相对封闭的海盆,深度较浅,且大部分位于北极圈以内的极高纬地区,导致该地区冬季接受到的太阳辐射很少,主要受以岁差占主导的夏季太阳辐射的影响19,20,57.在北冰洋,夏季太阳辐射不仅影响夏季海冰,而且通过海冰和海洋的反馈机制,对冬季海冰和海表温的影响更大,这种现象被称为夏季太阳辐射的残留效应(summer remnant effect)57.另一方面,北冰洋被陆地包围,陆地上的植被对海冰也有影响,而植被变化也主要受岁差控制57.相比北冰洋,南大洋位于纬度较低、深度较深且开放的海洋中,这些特征使得它对全球性以及全年性的驱动力更为敏感19,20,57,如温室气体.而一个给定纬度的全年总的太阳辐射和半球总的太阳辐射完全受控于斜率58,使得南大洋海冰对斜率也较为敏感.为了更好地探讨南北半球海冰对太阳辐射、CO2和冰盖的差异性响应及其地质记录与数值模拟的对比,一方面