大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流對(duì)歲差響應(yīng)的氣候背景依賴(lài)性

鄧?guó)P飛，張旭,

(1. 蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2. 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所 古生態(tài)與人類(lèi)適應(yīng)團(tuán)隊(duì)，北京 100101；3. 青藏高原地球系統(tǒng)與資源環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

1 引言

大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation， AMOC）是全球大洋中最為重要的經(jīng)向熱輸送帶，在26.5°N，AMOC 承擔(dān)了大約 90%的海洋經(jīng)向熱輸送[1]，對(duì)氣候系統(tǒng)及其變化具有重要的影響，其可通過(guò)影響全球熱量的再分配，調(diào)控北半球高低緯度間以及南北半球高緯度間的溫度變化[2-3]。AMOC的強(qiáng)度與北大西洋的海冰面積有著密切的聯(lián)系[4-5], 并受到大西洋海表熱通量、淡水通量以及溫室氣體、風(fēng)應(yīng)力等控制[6-9]。

地球軌道變化引起的太陽(yáng)輻射變化是軌道尺度氣候變化的根本驅(qū)動(dòng)力[10]，而AMOC對(duì)外界強(qiáng)迫響應(yīng)的敏感程度受冰期-間冰期旋回的氣候背景影響，氣候模擬表示北半球冰蓋高度增加可以影響大氣-海洋耦合系統(tǒng)，引起AMOC強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致類(lèi)似丹斯伽阿德-厄施格爾（Dansgaard-Oeschager，DO）事件的快速氣候變化，并在中等冰量背景下，AMOC存在非線性的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)[11]，在此背景下，大氣CO2濃度的逐漸變化也可以觸發(fā)氣候突變[12]。20世紀(jì)80年代美國(guó)發(fā)起的SPECMAP（SPECtral Mapping Project）計(jì)劃對(duì)過(guò)去4個(gè)冰期循環(huán)中多個(gè)重建氣候要素對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，大洋環(huán)流及相關(guān)氣候要素存在與北半球高緯度的夏季日照（即Milankovitch強(qiáng)迫）一致的軌道周期，即100 ka偏心率周期、41 ka地球傾角周期和23 ka地球歲差周期。Lisiecki等[13]整理集成大西洋和太平洋共29個(gè)不同地點(diǎn)不同水深的海洋δ13C記錄，通過(guò)分析其與6月21日65°N太陽(yáng)輻射變化的位相關(guān)系發(fā)現(xiàn)，大西洋深層水生成強(qiáng)度的變化對(duì)不同軌道周期的響應(yīng)并不相同。中層水δ13C 在歲差周期上的變化滯后夏季太陽(yáng)輻射6～11 ka（即半個(gè)歲差周期），意味著夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)傾向于引起大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流的減弱。但目前為止，尚沒(méi)有工作系統(tǒng)的研究?jī)烧唛g在冰期旋回尺度上的動(dòng)力聯(lián)系及調(diào)控機(jī)理。因此本文利用COSMOS（ECHAM5/JSBACH/MPIOM）模型，通過(guò)一系列在冰期旋回不同氣候背景下的不同歲差配置的敏感試驗(yàn)，系統(tǒng)地探討冰期旋回中AMOC在歲差周期上的變化機(jī)理。

2 數(shù)據(jù)方法

本研究采用了海-氣耦合模式（COSMOS），其中大氣模式ECHAM5[14]，內(nèi)含植被動(dòng)力模塊JSBACH[15]，使用T31空間分辨率（約為3.75°），有19個(gè)垂直層。海洋模型MPI-OM[16]，水平分辨率為3°×1.8°，有40個(gè)不均勻垂直層。該模型已經(jīng)被用于研究過(guò)去不同時(shí)期的氣候特征，包括：中新世溫暖氣候[17-18]、上新世[19]氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率[20]、全新世氣候變率[21]、末次盛冰期氣候特征[22-23]和冰期千年尺度氣候事件[11-12,24-25]。

歲差主要通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射的季節(jié)分布影響氣候變化[26]，當(dāng)歲差最?。≒min）的時(shí)候，北半球夏至日位于近日點(diǎn)，北半球夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高，冬季最低；歲差最大（Pmax）的時(shí)候反之（圖1）。為探究AMOC對(duì)歲差變化的響應(yīng)機(jī)理，我們分別選取代表北半球夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的最高（Pmin）或最低值（Pmax）的歲差配置；為評(píng)估晚更新世不同氣候背景下AMOC對(duì)歲差響應(yīng)的調(diào)控機(jī)理，分別基于工業(yè)革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）的背景（PI和LGM分別代表間冰期最暖期和冰期最冷期）開(kāi)展相應(yīng)的歲差敏感性試驗(yàn)。這4個(gè)試驗(yàn)分別運(yùn)行1500 a 以確保氣候系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)，并選取最后100 a 的氣候平均進(jìn)行分析。具體的試驗(yàn)設(shè)置如表1所示。

表1 具體試驗(yàn)設(shè)置Table 1 Specific experimental settings

圖1 工業(yè)革命前時(shí)期強(qiáng)（Pmin）、弱（Pmax）季節(jié)性背景下大氣層頂輻射強(qiáng)迫差異場(chǎng)（修改自文獻(xiàn)[27]）Fig. 1 Anomalous field of solar radiation reaching the top of the atmosphere between strong (Pmin) and weak (Pmax) seasonal background under pre-industrial period (modified from reference [27])

3 結(jié)果與討論

3.1 AMOC對(duì)歲差變化的響應(yīng)機(jī)理

通過(guò)兩對(duì)不同氣候背景下的歲差敏感性試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)無(wú)論在PI還是LGM的氣候背景下，歲差低值時(shí)（即北半球夏季太陽(yáng)輻射高值時(shí)）AMOC減弱（圖2），即AMOC在歲差尺度的變化與地球歲差呈反相關(guān)，與Lisiecki等[13]重建結(jié)果相符。

圖2 強(qiáng)、弱季節(jié)性背景下大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）的差異場(chǎng)Fig. 2 Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) anomaly between strong and weak seasonal background

為進(jìn)一步厘清歲差變化對(duì)AMOC的控制機(jī)理，我們以PI時(shí)期的響應(yīng)為例分析影響AMOC強(qiáng)度的氣候要素，見(jiàn)圖3至圖6。

圖3 工業(yè)革命前（PI）（a, c）和末次盛冰期（LGM）（b, d）背景下不同氣候要素的差異場(chǎng)Fig. 3 Climate response to changes in precession under pre-industrial (PI) (a, c) and the glacial maximum period (LGM) (b, d) backgrounds a. PI時(shí)期夏季海表溫度-氣壓差異場(chǎng)；b. LGM時(shí)期夏季海表溫度-氣壓差異場(chǎng)，a和b中填色代表溫度差異，黑色等值線代表海平面氣壓差異（hPa）；c. PI時(shí)期夏季海表有效降水-水汽輸送差異場(chǎng)；d. LGM時(shí)期夏季海表有效降水-水汽輸送差異場(chǎng)，c和d中填色代表有效降水差異，箭頭代表水汽通量差異（單位：kg/（m·s））a. Summer sea surface temperature-pressure difference field in PI period; b. the summer sea surface temperature-pressure difference field in LGM period, the coloring represents the temperature difference, and the black isoline represents the sea level pressure difference (hPa) field; c. the summer sea surface effective precipitation-water vapor transport difference field in PI period; d. the summer sea surface effective precipitation-water vapor transport difference field in LGM period, the coloring represents the difference of effective precipitation, and the arrow represents the difference of water vapor flux (unit : kg/(m·s))

隨著北半球夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，熱帶大西洋暖池升溫，激發(fā)出海盆尺度的海平面低壓異常[28]（圖3a），其南側(cè)的西風(fēng)異常削弱了北大西洋信風(fēng)的強(qiáng)度，減弱了水汽從大西洋向太平洋的輸送（表A1），使得更多的水汽儲(chǔ)存到大西洋（圖3a，圖3c），趨向于使大西洋表層海水變淡，但是輻射引起的升溫作用使得副熱帶大西洋西北部蒸發(fā)增強(qiáng)，蒸發(fā)的水汽輸送至北美大陸，有利于海水鹽度上升，兩者共同作用下導(dǎo)致副熱帶地區(qū)的海表鹽度變化微弱甚至有升高趨勢(shì)（圖4c）；密度是溫鹽共同作用的結(jié)果，由于同時(shí)期海水的升溫（圖3a, 圖4b），最終溫鹽變化共同的結(jié)果是導(dǎo)致大西洋表層海水變輕（圖4a）。這些變輕的副熱帶水團(tuán)通過(guò)灣流向北輸送至北大西洋副極地海域，有利于垂直混合的減弱（圖4a至圖4c），進(jìn)而誘發(fā)AMOC減弱。

表A1 6°～14°N，90°～75°W區(qū)域的水汽輸送（單位：kg/（m·s））Table A1 Integrated water vapor transport across area in 6°-14°N, 90°-75°W (unit: kg/(m·s))

圖4 工業(yè)革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）時(shí)期年均海表密度（a, d）、溫度（b, e）、鹽度（c, f）差異場(chǎng)（上行為強(qiáng)季節(jié)背景，下行是弱季節(jié)性背景）Fig. 4 Difference fields of average annual sea surface density (a, d), temperature (b, e) and salinity (c, f) during pre-industrial (PI) and the glacial maximum (LGM) periods (strong seasonal background on the top and weak seasonal background on the bottom)

在北大西洋高緯度地區(qū)，夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)使得表層海溫升高，這一方面通過(guò)激發(fā)局地對(duì)流，引起降水增多，降低表層海水鹽度（圖5a），有利于垂直混合和AMOC的減弱；另一方面引起海冰面積的減?。▓D6a），有利于局地海氣間的熱量交換，尤其在冬季，氣溫降低將加劇海氣間溫差，促進(jìn)海表熱喪失，引起海水的失熱變重，有利于垂直混合的增強(qiáng)（圖6c）。從AMOC變化的最終結(jié)果看，海冰面積變化對(duì)AMOC的增強(qiáng)效果不足以抵消高低緯度水文響應(yīng)所導(dǎo)致的AMOC減弱，因此PI時(shí)期AMOC顯著減弱。

圖5 強(qiáng)、弱季節(jié)性情景北半球高緯年均有效降水差異場(chǎng)Fig. 5 Annual effective precipitation difference field at high latitude in the Northern Hemisphere under strong and weak seasonal scenarios

圖6 工業(yè)革命前（PI）和末次盛冰期（LGM），最高值與最低值的夏季海冰密集度和冬季垂直混合層深度的差異場(chǎng)Fig. 6 Anomalous fields of summer sea ice concentration and winter vertical mixing layer depth between Pmin and Pmax under pre-industrial (PI) and the glacial maximum (LGM) conditionsa. PI時(shí)期夏季海冰密集度的差異場(chǎng)；b. LGM時(shí)期夏季海冰密集度的差異場(chǎng)；c.PI時(shí)期冬季垂直混合深度的差異場(chǎng)；d. LGM時(shí)期冬季垂直混合深度的差異場(chǎng)。綠線和紅線分別對(duì)應(yīng)Pmax和Pmin時(shí)期15%海冰密集度分界線a. The difference field of sea ice concentration in summer in PI period; b. the difference field of sea ice concentration in summer in LGM period; c. the difference field of vertical mixing layer depth in winter in PI period; d. difference field of vertical mixing layer depth in winter in LGM period. Green and red lines represent 15% sea ice concentration in Pmax and Pmin, respectively

3.2 AMOC對(duì)歲差響應(yīng)的氣候背景依賴(lài)性

對(duì)比圖2a和圖2b，我們發(fā)現(xiàn)不同氣候背景下AMOC對(duì)歲差的響應(yīng)敏感性是不同的—PI背景下的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LGM背景。這主要與LGM時(shí)期的背景狀態(tài)有較大關(guān)系。

由于低的溫室氣體和北半球大陸冰蓋的存在，LGM是一個(gè)典型的氣候冷期。在此背景下，北歐海以及拉布拉多海-北大西洋西北部的大片區(qū)域（圖A2c，圖A2d）被海冰覆蓋，導(dǎo)致大西洋深層水的主要生成區(qū)主要集中在北大西洋東北部地區(qū)[23]；同時(shí)大冰蓋通過(guò)北半球西風(fēng)帶對(duì)海冰輸運(yùn)和灣流強(qiáng)度的調(diào)控，維持一個(gè)強(qiáng)勁的大西洋深層水生成速率，并導(dǎo)致AMOC對(duì)氣候強(qiáng)迫變化的響應(yīng)敏感性大幅降低[11]。

在LGM時(shí)期，隨著夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，北大西洋高緯地區(qū)的海冰顯著減少，但由于冷的海溫背景，輻射升高導(dǎo)致的海表升溫并無(wú)法引起降水的顯著增多；同時(shí)，海冰的減少將有利海表熱量的喪失，海水失熱冷卻變重，有利于垂直混合層的加深，AMOC增強(qiáng)（圖6b，圖6d）。在低緯度地區(qū)，海盆間水汽輸送的響應(yīng)與暖期極為相似（圖3b，圖3d和圖4d 至圖4f），但由于偏冷的海溫背景，副熱帶的蒸發(fā)較PI時(shí)期偏弱（圖3d），因此最終以海表變淡變輕為主，有利于AMOC的減弱。最終，高低緯響應(yīng)對(duì)AMOC強(qiáng)度的影響效果相反，低緯的減弱作用程度上略強(qiáng)，導(dǎo)致LGM時(shí)期AMOC略有降低（圖2b）。

3.3 歲差尺度極地氣溫變化與AMOC強(qiáng)度脫耦

AMOC作為氣候系統(tǒng)經(jīng)向熱量分布的調(diào)節(jié)器，一直以來(lái)被認(rèn)為是控制北半球百年至千年尺度高緯度溫度變化的主因[11-12]。但模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在歲差尺度上，北極氣溫的變化并不直接受控于AMOC的強(qiáng)度變化。當(dāng)夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)，即使AMOC顯著減弱（圖2a），北極仍呈增暖趨勢(shì)（圖7a）。在軌道尺度上，北極氣溫與整體海冰面積的多寡聯(lián)系密切，而海冰受夏季太陽(yáng)輻射主控，夏季太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)造成海冰的整體消融[29]；而在北大西洋無(wú)海冰的垂直混合區(qū)，例如冰島南部海域（圖7），氣溫的變化受控于經(jīng)向熱輸運(yùn)，即與AMOC強(qiáng)度變化有著密切關(guān)系。因此，我們認(rèn)為，歲差尺度上，北半球極區(qū)氣溫變化受控于夏季太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)的海冰變化，而在大西洋中高緯度的深層水生成區(qū)， AMOC變化對(duì)氣溫的影響更為顯著。

圖7 強(qiáng)、弱季節(jié)性背景北半球高緯地表氣溫差異場(chǎng)Fig. 7 Surface air temperature anomaly field at high latitude in the Northern Hemisphere under strong and weak seasonal background綠線和紅線分別對(duì)應(yīng) Pmax和 Pmin時(shí)期 15% 海冰密集度分界線Green and red lines represent 15% sea ice concentration in Pmax and Pmin , respectively

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)兩組歲差敏感性試驗(yàn)，系統(tǒng)的探討了間冰期和末次盛冰期背景下AMOC對(duì)歲差變化的響應(yīng)機(jī)理，對(duì)理解晚更新世AMOC重建記錄中持續(xù)存在的歲差周期具有重要啟示意義，因是單一模型的結(jié)果，雖與AMOC在記錄中對(duì)歲差的響應(yīng)相符[13]，但響應(yīng)機(jī)理可能存在模式依賴(lài)性，需后續(xù)工作進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。

主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）PI和LGM時(shí)期AMOC對(duì)歲差的響應(yīng)取決于高低緯度水文過(guò)程和高緯度海冰的共同作用；

（2）熱帶海盆間水汽輸送過(guò)程對(duì)歲差減小的響應(yīng)不依賴(lài)于氣候背景，在PI和LGM時(shí)期都傾向于使得AMOC減弱；高緯度水文響應(yīng)依賴(lài)于氣候背景，對(duì)AMOC的影響與熱帶水文過(guò)程同向，但在PI時(shí)期最為顯著；

（3）高緯度海冰響應(yīng)對(duì)AMOC的強(qiáng)度影響存在氣候背景依賴(lài)性。PI時(shí)期影響較弱，LGM時(shí)期影響較強(qiáng)；

（4）歲差尺度上，北半球極區(qū)的氣溫變化受控于夏季太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)的海冰變化，而在中高緯度的大西洋深層水生成區(qū)，AMOC變化對(duì)氣溫的影響更為顯著。

附錄

圖A1 工業(yè)革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）強(qiáng)、弱季節(jié)性情景下的大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流分布Fig. A1 Spatial pattern of the Atlantic meridional overturning circulation under Pmin and Pmax in pre-industrial (PI)and the glacial maximum (LGM) periodsa, c是強(qiáng)季節(jié)性背景；b, d是弱季節(jié)性背景a,c. PI climate background; b, d. LGM climate background