地球轨道对北大西洋淡水注入...ka和4.2_ka事件为例_王硕情.pdf

第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，希望之星专栏王硕情，郑珮盈，张肖剑 地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以.和.事件为例 第四纪研究，（）：，：.，（）：文章编号：（）地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以 和 事件为例王硕情，郑珮盈，张肖剑，（南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京；南京大学关键地球物质循环前沿科学中心，江苏 南京）摘要：北大西洋淡水注入触发的千年尺度气候突变事件发生在不同地球轨道背景下，理解地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征的调节作用，对理解未来印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应具有重要的科学意义。本研究利用通用地球系统模式，探讨印度夏季风在.和.对相同北大西洋淡水注入的响应差异。模拟结果显示，北大西洋淡水注入使得印度夏季风强度显著减弱，其中夏季风降水变化在这两次事件中没有显著的空间差异，但变化幅度在.要显著大于其在.，表明地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征具有重要的调节作用。进一步分析显示，地球轨道并非通过影响温盐环流强度进行调节，而与夏季太阳辐射的高低有关。在.时，在相同的淡水注入下，由于夏季太阳辐射较低，加剧了北大西洋的降温，同时也增强了其对下游大气的冷却作用，使得欧亚大陆南部对流层中上层大气具有更大的降温幅度，这进一步削弱了欧亚大陆南部与赤道印度洋对流层中上层大气的经向温度梯度，从而导致印度夏季风相较于.具有更大的衰退幅度。因此，在较低夏季太阳辐射背景下，印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应更为敏感。关键词：印度夏季风；淡水强迫；太阳辐射；古气候模拟；温盐环流中图分类号：文献标识码：开放科学标识码（）收稿，收修改稿 国家自然科学基金项目（批准号：和）、国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目（批准号：）、中央高校基本科研业务费专项项目（批准号：）、南京大学关键地球物质循环前沿科学中心“科技人才团队”项目和省级大学生创新创业训练计划支持项目（批准号：）共同资助 第一作者简介：王硕情，女，岁，本科生，地理科学专业，：通讯作者：张肖剑，：推荐人：鹿化煜，教授，：；靳立亚，教授，：引言在全球变暖背景下，格陵兰冰盖和北极海冰加速融化，大量淡水注入北大西洋和北极海域，导致表层海水明显淡化，进而使得大西洋经向翻转环流（，简 称）持续减弱。近 年来 的强度为过去 多年来的最低值，并且 在过去 年已经明显放缓，自 世纪中叶以来，强度已经下降了约。和 模拟预估结果一致显示 强度会在 世纪持续减弱，并且 报告将 突然停止的评估结论由之前的“非常不可能”调整为“中信度”。是全球大洋传输带的重要组成部分，对全球热量的传输起到了十分重要的作用。的减弱会显著影响地球的气候系统，并且将影响全球气候系统很长时间，特别是 的关闭可能对地球气候系统造成破坏性和不可逆转的变化，对人类的生存第 四 纪 研 究 年带来严重威胁。因此，迫切需要认识地球气候系统对 减弱甚至关闭的响应特征及其机制。在自然背景下，陆地、海洋和冰芯记录揭示末次间冰期以来 出现周期性（约 年）的减弱或关闭，使得地球气候系统频繁出现千年尺度的气候突变事件（又称北大西洋冷事件）。即使在温暖的全新世，也出现一系列千年尺度气候突变事件，其中.和.北大西洋冷事件是备受科学界关注的两次典型千年尺度气候突变事件。大量古气候重建记录和气候模拟工作发现北大西洋冷事件对全球气候产生了深远的影响，尤其是导致了北半球许多地区出现寒冷和干旱，特别是.事件引发的严重干旱，带来了严重的社会效应，导致全球诸多地区的古文明和古文化（例如，美索不达米亚的阿卡德文明、古埃及 文 明 和 古 印 度 文 明）出 现 衰 退 或 者 崩溃，。过去北大西洋冷事件引发的气候突变、文明变迁及其相互作用，为我们认识未来 减弱带来的威胁提供了重要参考。值得注意的是，过去北大西洋冷事件是在不同地球轨道背景下发生的，而认识地球轨道参数对全球或者区域气候响应北大西洋冷事件的调控作用，是我们利用过去预测未来的重要前提。最近，一系列的研究发现 的变化受地球轨道变化的调控，甚至地球轨道变化有可能直接触发千年尺度气候突变事件，。因此，如果全球或者区域气候变化对 的响应非常敏感，那么地球轨道很可能通过影响 强度来调控全球或者区域的气候变化过程。印度夏季风是全球季风系统的重要组成部分，它的变率特征深刻地影响南亚、东南亚以及我国西南地区（，）的干湿变化。大量地质重建记录和气候模拟研究发现，印度夏季风对北大西洋冷事件的响应异常敏感，特别是在.相对较弱的冷事件强度也造成了印度夏季风影响区严重的干旱，导致印度哈拉帕文明出现衰退，。目前，印度夏季风在不同地球轨道参数背景下，对北大西洋冷事件的响应具有什么差异还不甚清晰。鉴于此，本文拟利用气候模式，对地球轨道参数具有显著差异同时还存在北大西洋冷事件的两个时间点 .和.，在相同的北大西洋淡水注入强迫下，开展两组敏感性试验，比较这两次事件中印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应是否存在差异，并分析其中的物理机制，从而探讨地球轨道对印度夏季风千年尺度变率特征的调节作用。模式介绍及试验设计.模式介绍 我们拟利用美国国家大气研究中心（）的通用地球系统模式（.，简称.）开展敏感性试验。模式主要由大气（，简称）、陆地（，简称）、海洋（，简 称）、海 冰（，简称）、陆冰（，简称）和耦合器（）等 个模块组成。本文采用 低分辨率版本，大气模式 水平分辨率为（.），垂直方向上共 层，最高达 。海洋模式 的经度和纬度分别有 个和 个网格点，包含 个垂直分层；陆地模式 和海冰模式的水平分辨率分别与 和 一致。.试验方案.和.分别为早、中全新世和中、晚全新世的分界点，这两个时间点的地球轨道参数存在显著差别，使得夏季（月）它们接受到的太阳辐射在 存在约 的差值（图），这可以引起印度夏季风强度出现显著的变化，；此外，这两个时间点均发生过北大西洋冷事件，。因此，本文拟对这两个时间点开展对照试验，研究地球轨道参数对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用。在此之前，我们对工业革命前的气候进行模拟（），试验积分 年，用来提供.和.模拟试验的初始场。此后，我们在.和.地球轨道参数条件下，对这两个时间点的气候开展模拟（.和.）并作为参照试验。.模 拟 试 验 的 温 室 气 体 浓 度 采 用.时的重建值，为了排除温室气体的影响，.试验的温室气体浓度也设为.时的重建值；其他边界条件包括海陆分布、地形、植被和陆地冰盖等均与现代一致。随后，我们对北大西洋（、）注入.的淡水通量，开展淡水强迫的敏感性试验，期王硕情，等：地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以.和.事件为例图 月 太阳辐射量三角表示本文模拟的两个时间点.即.和.。.和.试验的其他强迫和边界条件分别与.和.试验一致。.和.试验均积分 年，.和.试验均积分 年，我们分析它们后 年的结果。以上试验的强迫和边界条件见表。表 模拟试验设计 偏心率 黄赤交角岁差浓度（）浓度（）浓度（）淡水注入通量（）地形 海岸线现代现代现代现代现代冰盖现代现代现代现代现代 印度夏季风对北大西洋淡水注入强迫的响应差异 在探讨不同轨道参数下印度夏季风对北大西洋淡水注入强迫的响应差异前，我们首先比较 强度对北大西洋淡水注入强迫的响应差异。强度可以用北大西洋海盆内 深度以下年平均最大向北经向流函数来表征，.和.试验模拟的年平均最大向北经向流函数约在.、深度。随着北大 西 洋 淡 水 的 注 入，无 论.还 是.轨道参数条件下，强度都显著减弱（图 和）；相对来说，在同一淡水通量注入强迫下，强度的减弱幅度在.轨道参数条件下要略微大于其在.的轨道参数条件下（图），这表明轨道参数可能对北大西洋淡水注入影响 强度具有调节作用。印度夏季风对北大西洋淡水注入具有很强的敏感性。随着 强度的减弱，除孟加拉国和缅甸少部分区域外，印度季风影响区的夏季（月）平均降水均出现显著的减少（图 和），表明北大西洋淡水注入可以显著减弱印度夏季风强度；印度夏季风降水变化对北大西洋淡水注入的响应与其对轨道参数变化的响应存在比较明显的差异，不同于北大西洋淡水注入引起的印度夏季风降水几乎呈现一致的减少，夏季太阳辐射减弱引起的印度夏季风降水减少主要在青藏高原、南亚中部、北部和最南部等区域，而在南亚南部、孟加拉湾和东南亚等大范围区域，夏季风降水出现相反的增加趋势（图），这表明印度夏季风对北大西洋淡水注入和轨道参数变化的响应机制可能存在差异。在不同轨道参数条件下，北大西洋淡水注入引起的印度夏季风降水变化在空间上没有明显的差异（图 和），但其强度却有显著的差异（图）。在同一北大西洋淡水注入的强迫下，印度夏季风降水减少的幅度在.轨道参数条件下要明显 高 于 其 在.的 轨 道 参 数 条 件 下（图），这表明印度夏季风降水对北大西洋淡水注入的敏感性在低夏季太阳辐射下要高于其在高夏季太阳辐射下。因此，地球轨道参数可能对北大西洋淡水注入影响印度夏季风强度具有调节作用。值得注意的是，地球轨道参数对北大西洋淡水注入影响印度夏季风和 强度的调节作用刚好相反，强度在.的轨道参数条件下具有较大的变化幅度，而印度夏季风降水在.的轨道参数条件下具有较大的变化幅度，这同时也表明地球轨道参数对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用并不是通过 的影响来实现的。地球轨道调节作用的物理机制探讨 由于北大西洋淡水注入引起的 减弱，限制了热带地区向北的热量传输，从而使得北大西第 四 纪 研 究 年图 对北大西洋淡水注入的响应（）.试验和.试验 流函数（）的差值，（）.试验和.试验 流函数（）的差值；打点区域为通过.显著性检验；（）表示（）与（）的差值.（）.（），.（），.（）（）（）图 夏季（月）降水对北大西洋淡水注入和地球轨道参数变化的响应（）.试验和.试验夏季降水（）的差值，（）.试验和.试验夏季降水（）的差值，（）.试验和.试验夏季降水（）的差值；打点区域为通过.显著性检验；（）表示（）与（）的差值.（）（）.（），.（），（），.（）（）（）期王硕情，等：地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以.和.事件为例洋、格陵兰海和挪威海等区域海表温度急剧降低；而在南大西洋地区，由于热量的滞留导致海表温度升高（图 和）。北大西洋淡水注入引起的海表温度变化与地球轨道参数的效应存在一些差别，夏季太阳辐射的减少使得北大西洋大部分区域海表温度显著减少，但在北大西洋中部区域降温并不显著，并且在北美东海岸部分海域出现升温，在经向方向上呈现出“”三极型海表温度异常模态（图），这与以往的模拟结果一致；而北大西洋淡水注入导致了全洋盆一致的降温，但其中马尾藻海海域的降温幅度要显著小于其他海域（图 和）。此外，北大西洋淡水注入引起的降温幅度在不同地球轨道参数条件下也存在差异。总体来说，降温幅度在.轨道参数下要大于其在.轨道参数条件下（图），刚好与 对地球轨道的依赖性相反（见图），这表明地球轨道参数并不是通过 来调节北大西洋海表温度对北大西洋淡水注入的响应。图 夏季表层温度对北大西洋淡水注入和地球轨道参数变化的响应（）.试验和.试验夏季表层温度（）的差值，（）.试验和.试验夏季表层温度（）的差值，（）.试验和.试验夏季表层温度（）的差值；打点区域为通过.显著性检验；（）表示（）与（）的差值.（）.（），.（），.（），.（）（）（）相对于.地球轨道参数条件下，.北大西洋淡水注入强迫的海表温度降幅较小的区域主要位于北大西洋中西部和挪威海（图）。北大西洋淡水注入对北大西洋中西部上空大气环流的主要影响是在对流层低层产生异常反气旋（图），空气以异常下沉运动为主，不利于云层的形成和发展，大气对太阳辐射的削弱作用减小，使得北大西洋中西部海表面更直接受到太阳辐射的影响。由于.夏季太阳辐射显著高于.（见图），.时北大西洋淡水注入并没有使北大西洋中西部表层净辐射产生显著变化（图），而.时则出现显著的减少（图），因此，较高的太阳辐射能在一定程度上削弱北大西洋中西部在.受北大西洋淡水注入引起的降温效应。而在挪威海地区，无论是.还是.，北大西洋淡水注