大西洋經向翻轉環流對歲差響應的氣候背景依賴性

鄧鳳飛，張旭,

(1. 蘭州大學 資源環境學院 西部環境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2. 中國科學院青藏高原研究所 古生態與人類適應團隊，北京 100101；3. 青藏高原地球系統與資源環境國家重點實驗室，北京 100101)

1 引言

大西洋經向翻轉環流（Atlantic Meridional Overturning Circulation， AMOC）是全球大洋中最為重要的經向熱輸送帶，在26.5°N，AMOC 承擔了大約 90%的海洋經向熱輸送[1]，對氣候系統及其變化具有重要的影響，其可通過影響全球熱量的再分配，調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的強度與北大西洋的海冰面積有著密切的聯系[4-5], 并受到大西洋海表熱通量、淡水通量以及溫室氣體、風應力等控制[6-9]。

地球軌道變化引起的太陽輻射變化是軌道尺度氣候變化的根本驅動力[10]，而AMOC對外界強迫響應的敏感程度受冰期-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，引起AMOC強度增強，導致類似丹斯伽阿德-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存在非線性的雙穩態結構[11]，在此背景下，大氣CO2濃度的逐漸變化也可以觸發氣候突變[12]。20世紀80年代美國發起的SPECMAP（SPECtral Mapping Project）計劃對過去4個冰期循環中多個重建氣候要素對比分析發現，大洋環流及相關氣候要素存在與北半球高緯度的夏季日照（即Milankovitch強迫）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個不同地點不同水深的海洋δ13C記錄，通過分析其與6月21日65°N太陽輻射變化的位相關系發現，大西洋深層水生成強度的變化對不同軌道周期的響應并不相同。中層水δ13C 在歲差周期上的變化滯后夏季太陽輻射6～11 ka（即半個歲差周期），意味著夏季太陽輻射的增強傾向于引起大西洋經向翻轉環流的減弱。但目前為止，尚沒有工作系統的研究兩者間在冰期旋回尺度上的動力聯系及調控機理。因此本文利用COSMOS（ECHAM5/JSBACH/MPIOM）模型，通過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，系統地探討冰期旋回中AMOC在歲差周期上的變化機理。

2 數據方法

本研究采用了海-氣耦合模式（COSMOS），其中大氣模式ECHAM5[14]，內含植被動力模塊JSBACH[15]，使用T31空間分辨率（約為3.75°），有19個垂直層。海洋模型MPI-OM[16]，水平分辨率為3°×1.8°，有40個不均勻垂直層。該模型已經被用于研究過去不同時期的氣候特征，包括：中新世溫暖氣候[17-18]、上新世[19]氣候系統的內部變率[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]。

歲差主要通過調節太陽輻射的季節分布影響氣候變化[26]，當歲差最小（Pmin）的時候，北半球夏至日位于近日點，北半球夏季太陽輻射強度最高，冬季最低；歲差最大（Pmax）的時候反之（圖1）。為探究AMOC對歲差變化的響應機理，我們分別選取代表北半球夏季太陽輻射強度的最高（Pmin）或最低值（Pmax）的歲差配置；為評估晚更新世不同氣候背景下AMOC對歲差響應的調控機理，分別基于工業革命前（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）開展相應的歲差敏感性試驗。這4個試驗分別運行1500 a 以確保氣候系統達到準平衡狀態，并選取最后100 a 的氣候平均進行分析。具體的試驗設置如表1所示。

表1 具體試驗設置Table 1 Specific experimental settings

圖1 工業革命前時期強（Pmin）、弱（Pmax）季節性背景下大氣層頂輻射強迫差異場（修改自文獻[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 結果與討論

3.1 AMOC對歲差變化的響應機理

通過兩對不同氣候背景下的歲差敏感性試驗，我們發現無論在PI還是LGM的氣候背景下，歲差低值時（即北半球夏季太陽輻射高值時）AMOC減弱（圖2），即AMOC在歲差尺度的變化與地球歲差呈反相關，與Lisiecki等[13]重建結果相符。

圖2 強、弱季節性背景下大西洋經向翻轉環流（AMOC）的差異場Fig. 2 Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) anomaly between strong and weak seasonal background

為進一步厘清歲差變化對AMOC的控制機理，我們以PI時期的響應為例分析影響AMOC強度的氣候要素，見圖3至圖6。

圖3 工業革命前（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時期夏季海表溫度-氣壓差異場；b. LGM時期夏季海表溫度-氣壓差異場，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時期夏季海表有效降水-水汽輸送差異場；d. LGM時期夏季海表有效降水-水汽輸送差異場，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輻射的增強，熱帶大西洋暖池升溫，激發出海盆尺度的海平面低壓異常[28]（圖3a），其南側的西風異常削弱了北大西洋信風的強度，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增強，蒸發的水汽輸送至北美大陸，有利于海水鹽度上升，兩者共同作用下導致副熱帶地區的海表鹽度變化微弱甚至有升高趨勢（圖4c）；密度是溫鹽共同作用的結果，由于同時期海水的升溫（圖3a, 圖4b），最終溫鹽變化共同的結果是導致大西洋表層海水變輕（圖4a）。這些變輕的副熱帶水團通過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），進而誘發AMOC減弱。

表A1 6°～14°N，90°～75°W區域的水汽輸送（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 工業革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）時期年均海表密度（a, d）、溫度（b, e）、鹽度（c, f）差異場（上行為強季節背景，下行是弱季節性背景）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，夏季太陽輻射的增強使得表層海溫升高，這一方面通過激發局地對流，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小（圖6a），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，促進海表熱喪失，引起海水的失熱變重，有利于垂直混合的增強（圖6c）。從AMOC變化的最終結果看，海冰面積變化對AMOC的增強效果不足以抵消高低緯度水文響應所導致的AMOC減弱，因此PI時期AMOC顯著減弱。

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

圖6 工業革命前（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時期夏季海冰密集度的差異場；b. LGM時期夏季海冰密集度的差異場；c.PI時期冬季垂直混合深度的差異場；d. LGM時期冬季垂直混合深度的差異場。綠線和紅線分別對應Pmax和Pmin時期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對歲差響應的氣候背景依賴性

對比圖2a和圖2b，我們發現不同氣候背景下AMOC對歲差的響應敏感性是不同的—PI背景下的敏感性遠遠大于LGM背景。這主要與LGM時期的背景狀態有較大關系。

由于低的溫室氣體和北半球大陸冰蓋的存在，LGM是一個典型的氣候冷期。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域（圖A2c，圖A2d）被海冰覆蓋，導致大西洋深層水的主要生成區主要集中在北大西洋東北部地區[23]；同時大冰蓋通過北半球西風帶對海冰輸運和灣流強度的調控，維持一個強勁的大西洋深層水生成速率，并導致AMOC對氣候強迫變化的響應敏感性大幅降低[11]。

在LGM時期，隨著夏季太陽輻射的增強，北大西洋高緯地區的海冰顯著減少，但由于冷的海溫背景，輻射升高導致的海表升溫并無法引起降水的顯著增多；同時，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（圖6b，圖6d）。在低緯度地區，海盆間水汽輸送的響應與暖期極為相似（圖3b，圖3d和圖4d 至圖4f），但由于偏冷的海溫背景，副熱帶的蒸發較PI時期偏弱（圖3d），因此最終以海表變淡變輕為主，有利于AMOC的減弱。最終，高低緯響應對AMOC強度的影響效果相反，低緯的減弱作用程度上略強，導致LGM時期AMOC略有降低（圖2b）。

3.3 歲差尺度極地氣溫變化與AMOC強度脫耦

AMOC作為氣候系統經向熱量分布的調節器，一直以來被認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]。但模擬結果發現，在歲差尺度上，北極氣溫的變化并不直接受控于AMOC的強度變化。當夏季太陽輻射強時，即使AMOC顯著減弱（圖2a），北極仍呈增暖趨勢（圖7a）。在軌道尺度上，北極氣溫與整體海冰面積的多寡聯系密切，而海冰受夏季太陽輻射主控，夏季太陽輻射的增強造成海冰的整體消融[29]；而在北大西洋無海冰的垂直混合區，例如冰島南部海域（圖7），氣溫的變化受控于經向熱輸運，即與AMOC強度變化有著密切關系。因此，我們認為，歲差尺度上，北半球極區氣溫變化受控于夏季太陽輻射驅動的海冰變化，而在大西洋中高緯度的深層水生成區， AMOC變化對氣溫的影響更為顯著。

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

4 結論與展望

本文通過兩組歲差敏感性試驗，系統的探討了間冰期和末次盛冰期背景下AMOC對歲差變化的響應機理，對理解晚更新世AMOC重建記錄中持續存在的歲差周期具有重要啟示意義，因是單一模型的結果，雖與AMOC在記錄中對歲差的響應相符[13]，但響應機理可能存在模式依賴性，需后續工作進行補充驗證。

主要結論總結如下：

（1）PI和LGM時期AMOC對歲差的響應取決于高低緯度水文過程和高緯度海冰的共同作用；

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

（3）高緯度海冰響應對AMOC的強度影響存在氣候背景依賴性。PI時期影響較弱，LGM時期影響較強；

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

附錄

圖A1 工業革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）強、弱季節性情景下的大西洋經向翻轉環流分布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是強季節性背景；b, d是弱季節性背景a,c. PI climate background; b, d. LGM climate background