大西洋经向翻转环流对岁差响应的气候背景依赖性

邓凤飞，张旭,

(1. 兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2. 中国科学院青藏高原研究所 古生态与人类适应团队，北京 100101；3. 青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室，北京 100101)

1 引言

大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation， AMOC）是全球大洋中最为重要的经向热输送带，在26.5°N，AMOC 承担了大约 90%的海洋经向热输送[1]，对气候系统及其变化具有重要的影响，其可通过影响全球热量的再分配，调控北半球高低纬度间以及南北半球高纬度间的温度变化[2-3]。AMOC的强度与北大西洋的海冰面积有着密切的联系[4-5], 并受到大西洋海表热通量、淡水通量以及温室气体、风应力等控制[6-9]。

地球轨道变化引起的太阳辐射变化是轨道尺度气候变化的根本驱动力[10]，而AMOC对外界强迫响应的敏感程度受冰期-间冰期旋回的气候背景影响，气候模拟表示北半球冰盖高度增加可以影响大气-海洋耦合系统，引起AMOC强度增强，导致类似丹斯伽阿德-厄施格尔（Dansgaard-Oeschager，DO）事件的快速气候变化，并在中等冰量背景下，AMOC存在非线性的双稳态结构[11]，在此背景下，大气CO2浓度的逐渐变化也可以触发气候突变[12]。20世纪80年代美国发起的SPECMAP（SPECtral Mapping Project）计划对过去4个冰期循环中多个重建气候要素对比分析发现，大洋环流及相关气候要素存在与北半球高纬度的夏季日照（即Milankovitch强迫）一致的轨道周期，即100 ka偏心率周期、41 ka地球倾角周期和23 ka地球岁差周期。Lisiecki等[13]整理集成大西洋和太平洋共29个不同地点不同水深的海洋δ13C记录，通过分析其与6月21日65°N太阳辐射变化的位相关系发现，大西洋深层水生成强度的变化对不同轨道周期的响应并不相同。中层水δ13C 在岁差周期上的变化滞后夏季太阳辐射6～11 ka（即半个岁差周期），意味着夏季太阳辐射的增强倾向于引起大西洋经向翻转环流的减弱。但目前为止，尚没有工作系统的研究两者间在冰期旋回尺度上的动力联系及调控机理。因此本文利用COSMOS（ECHAM5/JSBACH/MPIOM）模型，通过一系列在冰期旋回不同气候背景下的不同岁差配置的敏感试验，系统地探讨冰期旋回中AMOC在岁差周期上的变化机理。

2 数据方法

本研究采用了海-气耦合模式（COSMOS），其中大气模式ECHAM5[14]，内含植被动力模块JSBACH[15]，使用T31空间分辨率（约为3.75°），有19个垂直层。海洋模型MPI-OM[16]，水平分辨率为3°×1.8°，有40个不均匀垂直层。该模型已经被用于研究过去不同时期的气候特征，包括：中新世温暖气候[17-18]、上新世[19]气候系统的内部变率[20]、全新世气候变率[21]、末次盛冰期气候特征[22-23]和冰期千年尺度气候事件[11-12,24-25]。

岁差主要通过调节太阳辐射的季节分布影响气候变化[26]，当岁差最小（Pmin）的时候，北半球夏至日位于近日点，北半球夏季太阳辐射强度最高，冬季最低；岁差最大（Pmax）的时候反之（图1）。为探究AMOC对岁差变化的响应机理，我们分别选取代表北半球夏季太阳辐射强度的最高（Pmin）或最低值（Pmax）的岁差配置；为评估晚更新世不同气候背景下AMOC对岁差响应的调控机理，分别基于工业革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）的背景（PI和LGM分别代表间冰期最暖期和冰期最冷期）开展相应的岁差敏感性试验。这4个试验分别运行1500 a 以确保气候系统达到准平衡状态，并选取最后100 a 的气候平均进行分析。具体的试验设置如表1所示。

表1 具体试验设置Table 1 Specific experimental settings

图1 工业革命前时期强（Pmin）、弱（Pmax）季节性背景下大气层顶辐射强迫差异场（修改自文献[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 结果与讨论

3.1 AMOC对岁差变化的响应机理

通过两对不同气候背景下的岁差敏感性试验，我们发现无论在PI还是LGM的气候背景下，岁差低值时（即北半球夏季太阳辐射高值时）AMOC减弱（图2），即AMOC在岁差尺度的变化与地球岁差呈反相关，与Lisiecki等[13]重建结果相符。

图2 强、弱季节性背景下大西洋经向翻转环流（AMOC）的差异场Fig. 2 Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) anomaly between strong and weak seasonal background

为进一步厘清岁差变化对AMOC的控制机理，我们以PI时期的响应为例分析影响AMOC强度的气候要素，见图3至图6。

图3 工业革命前（PI）（a, c）和末次盛冰期（LGM）（b, d）背景下不同气候要素的差异场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时期夏季海表温度-气压差异场；b. LGM时期夏季海表温度-气压差异场，a和b中填色代表温度差异，黑色等值线代表海平面气压差异（hPa）；c. PI时期夏季海表有效降水-水汽输送差异场；d. LGM时期夏季海表有效降水-水汽输送差异场，c和d中填色代表有效降水差异，箭头代表水汽通量差异（单位：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))

随着北半球夏季太阳辐射的增强，热带大西洋暖池升温，激发出海盆尺度的海平面低压异常[28]（图3a），其南侧的西风异常削弱了北大西洋信风的强度，减弱了水汽从大西洋向太平洋的输送（表A1），使得更多的水汽储存到大西洋（图3a，图3c），趋向于使大西洋表层海水变淡，但是辐射引起的升温作用使得副热带大西洋西北部蒸发增强，蒸发的水汽输送至北美大陆，有利于海水盐度上升，两者共同作用下导致副热带地区的海表盐度变化微弱甚至有升高趋势（图4c）；密度是温盐共同作用的结果，由于同时期海水的升温（图3a, 图4b），最终温盐变化共同的结果是导致大西洋表层海水变轻（图4a）。这些变轻的副热带水团通过湾流向北输送至北大西洋副极地海域，有利于垂直混合的减弱（图4a至图4c），进而诱发AMOC减弱。

表A1 6°～14°N，90°～75°W区域的水汽输送（单位：kg/（m·s））Table A1 Integrated water vapor transport across area in 6°-14°N, 90°-75°W (unit: kg/(m·s))

图4 工业革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）时期年均海表密度（a, d）、温度（b, e）、盐度（c, f）差异场（上行为强季节背景，下行是弱季节性背景）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)

在北大西洋高纬度地区，夏季太阳辐射的增强使得表层海温升高，这一方面通过激发局地对流，引起降水增多，降低表层海水盐度（图5a），有利于垂直混合和AMOC的减弱；另一方面引起海冰面积的减小（图6a），有利于局地海气间的热量交换，尤其在冬季，气温降低将加剧海气间温差，促进海表热丧失，引起海水的失热变重，有利于垂直混合的增强（图6c）。从AMOC变化的最终结果看，海冰面积变化对AMOC的增强效果不足以抵消高低纬度水文响应所导致的AMOC减弱，因此PI时期AMOC显著减弱。

图5 强、弱季节性情景北半球高纬年均有效降水差异场Fig. 5 Annual effective precipitation difference field at high latitude in the Northern Hemisphere under strong and weak seasonal scenarios

图6 工业革命前（PI）和末次盛冰期（LGM），最高值与最低值的夏季海冰密集度和冬季垂直混合层深度的差异场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时期夏季海冰密集度的差异场；b. LGM时期夏季海冰密集度的差异场；c.PI时期冬季垂直混合深度的差异场；d. LGM时期冬季垂直混合深度的差异场。绿线和红线分别对应Pmax和Pmin时期15%海冰密集度分界线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对岁差响应的气候背景依赖性

对比图2a和图2b，我们发现不同气候背景下AMOC对岁差的响应敏感性是不同的—PI背景下的敏感性远远大于LGM背景。这主要与LGM时期的背景状态有较大关系。

由于低的温室气体和北半球大陆冰盖的存在，LGM是一个典型的气候冷期。在此背景下，北欧海以及拉布拉多海-北大西洋西北部的大片区域（图A2c，图A2d）被海冰覆盖，导致大西洋深层水的主要生成区主要集中在北大西洋东北部地区[23]；同时大冰盖通过北半球西风带对海冰输运和湾流强度的调控，维持一个强劲的大西洋深层水生成速率，并导致AMOC对气候强迫变化的响应敏感性大幅降低[11]。

在LGM时期，随着夏季太阳辐射的增强，北大西洋高纬地区的海冰显著减少，但由于冷的海温背景，辐射升高导致的海表升温并无法引起降水的显著增多；同时，海冰的减少将有利海表热量的丧失，海水失热冷却变重，有利于垂直混合层的加深，AMOC增强（图6b，图6d）。在低纬度地区，海盆间水汽输送的响应与暖期极为相似（图3b，图3d和图4d 至图4f），但由于偏冷的海温背景，副热带的蒸发较PI时期偏弱（图3d），因此最终以海表变淡变轻为主，有利于AMOC的减弱。最终，高低纬响应对AMOC强度的影响效果相反，低纬的减弱作用程度上略强，导致LGM时期AMOC略有降低（图2b）。

3.3 岁差尺度极地气温变化与AMOC强度脱耦

AMOC作为气候系统经向热量分布的调节器，一直以来被认为是控制北半球百年至千年尺度高纬度温度变化的主因[11-12]。但模拟结果发现，在岁差尺度上，北极气温的变化并不直接受控于AMOC的强度变化。当夏季太阳辐射强时，即使AMOC显著减弱（图2a），北极仍呈增暖趋势（图7a）。在轨道尺度上，北极气温与整体海冰面积的多寡联系密切，而海冰受夏季太阳辐射主控，夏季太阳辐射的增强造成海冰的整体消融[29]；而在北大西洋无海冰的垂直混合区，例如冰岛南部海域（图7），气温的变化受控于经向热输运，即与AMOC强度变化有着密切关系。因此，我们认为，岁差尺度上，北半球极区气温变化受控于夏季太阳辐射驱动的海冰变化，而在大西洋中高纬度的深层水生成区， AMOC变化对气温的影响更为显著。

图7 强、弱季节性背景北半球高纬地表气温差异场Fig. 7 Surface air temperature anomaly field at high latitude in the Northern Hemisphere under strong and weak seasonal background绿线和红线分别对应 Pmax和 Pmin时期 15% 海冰密集度分界线Green and red lines represent 15% sea ice concentration in Pmax and Pmin , respectively

4 结论与展望

本文通过两组岁差敏感性试验，系统的探讨了间冰期和末次盛冰期背景下AMOC对岁差变化的响应机理，对理解晚更新世AMOC重建记录中持续存在的岁差周期具有重要启示意义，因是单一模型的结果，虽与AMOC在记录中对岁差的响应相符[13]，但响应机理可能存在模式依赖性，需后续工作进行补充验证。

主要结论总结如下：

（1）PI和LGM时期AMOC对岁差的响应取决于高低纬度水文过程和高纬度海冰的共同作用；

（2）热带海盆间水汽输送过程对岁差减小的响应不依赖于气候背景，在PI和LGM时期都倾向于使得AMOC减弱；高纬度水文响应依赖于气候背景，对AMOC的影响与热带水文过程同向，但在PI时期最为显著；

（3）高纬度海冰响应对AMOC的强度影响存在气候背景依赖性。PI时期影响较弱，LGM时期影响较强；

（4）岁差尺度上，北半球极区的气温变化受控于夏季太阳辐射驱动的海冰变化，而在中高纬度的大西洋深层水生成区，AMOC变化对气温的影响更为显著。

附录

图A1 工业革命前（PI）和末次盛冰期（LGM）强、弱季节性情景下的大西洋经向翻转环流分布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是强季节性背景；b, d是弱季节性背景a,c. PI climate background; b, d. LGM climate background