NAO在末次冰盛期和全新世对AMOC影响的对比研究_高杨.pdf

第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，高杨，刘健，温琴，等 在末次冰盛期和全新世对 影响的对比研究 第四纪研究，（）：，（）：文章编号：（）在末次冰盛期和全新世对 影响的对比研究高杨，刘健，温琴，孙炜毅，宁亮，严蜜，（南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，南京师范大学地理科学学院，江苏 南京；江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室，南京师范大学数学科学学院，江苏 南京；青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋气候同位素模拟开放工作室，山东 青岛；中国科学院地球环境 研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安）摘要：大西洋经向翻转环流（）的年代际变率对气候变化起着重要的调制作用。在现代气候背景下，北大西洋涛动（）加强能使 增强，但这种关系在更长时间尺度上是否成立尚不清楚。本研究利用 模拟资料，对比分析末次冰盛期（）和全新世时期 对 影响的异同。结果表明，时期较全新世时期经向温度梯度偏强，位置偏南，这导致 与 关系的不同：的增强在 时期可以使 增强，而在全新世使 减弱。具体地，在 时期 的加强使北大西洋副极地气旋性环流增强，其南支导致向北的高盐海水输送增加，从而使北大西洋副极地区域密度升高，增强。与此同时，正位相还能在中纬度激发异常的 下沉流使 加强。相反，在全新世时期，正位相导致北大西洋副极地地区气旋性环流减弱，这导致中纬度向高纬度输送的高盐度海水减少，减弱。本研究表明 与 的关系在很大程度上取决于不同气候背景下 的位置。关键词：末次冰盛期；全新世；北大西洋涛动；大西洋经向翻转环流中图分类号：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）、国家自然科学基金中瑞合作交流项目（批准号：）、中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目（批准号：、和）和江苏省高校优势学科建设项目（批准号：）共同资助 第一作者简介：高杨，男，岁，硕士研究生，古气候模拟研究，：通讯作者：温琴，：引言大 西 洋 经 向 翻 转 环 流（，简称）是气候系统的重要组成部分，其年代际变率能通过改变向北的热量输送调制区域甚至北半球的气候。例如，年代际变率可以直接驱动北极海冰厚度的年代际变化，也与北半球地表平均温度的年代际变化显著相关。由于 的观测时间较短，其变率的研究主要依赖于模式模拟。基于模式模拟，许多研究表明 的年代际变率与北大西洋涛动（，简称）紧密联系。正位相往往使 增强，。具体地，当 处于正位相，北大西洋将产生反气旋性环流异常。这种环流异常通过驱动表层海水的辐合辐散（运动）分别在 以北产生异常 上升流和 以南产生异常 下沉流；而后者促进北大西洋深水形成，从而使 增强。此外，还可以通过斜压调整使北大西洋副热带和副极地涡旋增强，加剧拉布拉多海的热损失和深对流，使 增强，。然而，也有学者认为 驱动 年代际变率的说法欠妥。这部分研究表明 和 的年代际变率是海洋大气互相耦合的结果。具体地，这其中涉及到海洋驱动大气，以及大气反馈给海洋的双向过程：当 增强，北大西洋海表升温，期高杨，等：在末次冰盛期和全新世对 影响的对比研究 偏强，这属于海洋驱动大气过程；而当 偏强，北大西洋深水形成区域蒸发减弱，同时北大西洋向高纬度输送的高盐度海水减少，这又反过来减弱了，这属于大气驱动海洋过程。尽管这种观点受到了观测和模式模拟的验证，但也受到另外一部分研究的质疑，尤其是 到底能否影响 目前还存在较大争议。由此可见，目前的研究对 与 之间的关系尚未达成一致的看法。要想厘清二者的关系，我们需要研究其在不同气候背景下的表现特征。过去 年以来，地球系统经历了冰期到间冰期大陆冰盖消融、温室气体增加、淡水输入等外强迫的影响，气候也发生了重大的改变。末次冰盛 期（，简 称）（约 ）和全新世时期（约.至今，简称）是两个典型的极冷和极暖时期。重建资料显示末次冰盛期的海平面可能比现代低 左右，全球平均温度较现代要低 ；早全新世的海平面比现代低 左右，之后逐步上升，年均温在 最暖，大约比现代高.，之后逐步变冷。和 在这两个时期内各自的特征与变化已有较多人研究，但还未有人对比过这两个气候背景下 和 关系的异同。此外，考虑到重建资料记载的信息有限，无法给出 和 相互作用的具体过程，再加上重建资料互相的不一致增加了我们认识 和 的困难，因此，模式模拟是研究两个时期 影响 的重要手段。模 拟（）是全球第一个使用复杂模式对过去 全球气候的瞬变演变所展开的模拟工作。该模拟对冰期间冰期的气候转换、冷事件、暖事件、新仙女木事件以及全新世气候都有合理的再现能力。事实上，许多研究已经利用 模拟资料分别研究了 和：如 在末次冰消期以来的稳定性、对外强迫的响应以及 和 在气候突变事件中的作用。然而，还未有研究利用该资料系统地研究 时期和 时期 对 影响的异同。因此，该试验为本论文研究两个时期 与 的关系提供了可能。本文利用 数值模拟试验，对比分析 和 时期 和 关系的异同，并探究在两个气候背景下 影响 年代际变率的过程差异，旨在更好地理解 驱动 年代际变化的机理。本文首先介绍了所用的资料与方法然后分析了两个时期平均气候态的变化，以及不同时期内 影响 年代际变率的具体机理。资料和方法.资料 模拟基于美国国家大气研究中心（，简 称）开发的全耦合气候系统模式（，简称）。该资料已经被证实能重现古气候记录中的全球气候变 化，其 在 过 去 气 候 变 化 研 究 中 被 广 泛 应用，。作为耦合的气候模式共包含大气（）、海洋（）、海冰（）和陆面（）个子模块，并由一个通量耦合器连接起来。该模式的大气模块包含 个垂直分层，水平分辨率约为.；海洋模块的纬向分辨率为.，经向分辨率在赤道附近约为.，从赤道到 逐渐增大到.，越往高纬越小。中的全强迫试验（，简称）包含了地球轨道参数、温室气体浓度、大陆冰盖以及淡水注入这 个外强迫因子。图 展示了 种外强迫的时间序列。本文选取 作为 的研究时期。为了与 时期的 年尺度对应，我们也从 选取最后 年（）。需要指出的是，和 在中晚全新世演变稳定（图），因此从中晚全新世任意选取 年都是可行的，均不影响本文的研究结果。本文研究使用的数据为模式输出原始数据的 年平均的结果。.指数和 指数的定义本 文 采 用 等定 义 的 和 站点间海平面气压的差值来表征 指数。这种基于海平面气压差得到 指数的方法可以同时保留气候态变化以及叠加于气候态之上的年代际变率。的空间模态则用相应时期内海平面气压异常 分解后的第一主成分模态来表示。第 四 纪 研 究 年图 外强迫的时间序列，分别为（）的 月（红实线）平均日照、（）浓度（绿实线）、（）北半球淡水通量（）（蓝实线）以及（）北半球平均冰盖厚度（紫实线）.（）（），（）（），（）（）（）（）（）图 以来 指数（黑线）和 指数（红线）的演变序列.（）（）强度（）是表征 的重要指标，其定义为北大西洋 ，深度范围内流函数的最大值。结果分析.平均气候态的变化 和 在 时期和 时期呈现出不同的特征：时期的 强度较强、振幅较弱，时期的 强度较弱、振幅较强，且 在 时期的空间位置较 时期更偏南。图 展示了 在两个时期内的流函数 分 布，可 以 发 现 在 时 期 流 函 数 在、范围内的最大值主要位于 的 深度附近，可以达到 ；而在 时期，北大西洋流函数的整体强度有所下降，其最大值中心强度仅为 。这说明了 时期的 强度比 时期整体更弱，在北大西洋副极地的对流范围更小、强度更弱。图 为两个时期海平面气压的第一模态（）及其对应的时间序列。其中 和 时期的（图 和）的方差贡献率分别为.和.。在空间模态上两个时期都表现出亚速尔高压和冰岛低压之间气压反向变化关系的 模态，但高压中心和低压中心的位置在 时期比在 时期更偏南；图 和 是两个时期分别的 指数序列，都呈现出年代际的正负位相波动。从图 和 的时间序列来看，两个时期 的振幅相似。但如果我们从长期趋势上来看 的变化，可以明显 地 发 现 时 期 的 振 幅 较 更 强（图）。以来 经历了由负到正的转变，年代际变率也有变大的趋势（图）。全新世 整体偏正的位相，可能会使中纬与高纬间的海平面气压差增大从而会加强 年代际变率的振幅，这也与前人的研究相一致。上文分析表明，时期 的位置较 时期明显南移。前人研究指出大陆冰盖、温室气体、太阳辐射等强迫的变化都能引起 空间模 期高杨，等：在末次冰盛期和全新世对 影响的对比研究图 全强迫试验中大西洋的平均流函数（填色，单位：）（）末次冰盛期（）气候态，（）全新世（）气候态；其中，是流量计量单位，.（，：）（）（）（）（）（），图 两个典型时期北大西洋地区（，）海平面气压 分解的标准化第一模态空间模态位于第一行，时间序列位于第二行；（）和（）为 时期（），（）和（）为 时期（）.（，），（）（），（）（）态的改变和高低压中心的南北移动。而 与 时期内 空间位置的差异则主要是受到末次冰盛期北半球冰盖地形的影响。等指出在 时期，劳伦泰冰盖的存在能使急流南移；等也表明 时期温室气体的减少和大范围冰盖的存在会引起对流层温度梯度的和斜压性的增强，导致中纬度急流的南移；等则通过一系列数值模拟试验发现劳伦泰冰盖高度的升高会导致北半球西风带的南移；等也模拟出 时期海平面气压位置南移、方差总体减小的稳健特征，并通过敏感性试验指出主要是冰盖地形作用导致了北大西洋高低压中心的向南偏移。时期西风急流南移与该时期经向温度梯度增强有关。受 时期大范围冰盖地形的影响，时期较 时期而言北半球中高纬度显著降温（图 和），这使得 时期北半球中纬度对流层的经向温度梯度得到加强、大气斜压性增强。在热成风原理下，西风会加强并向南偏移。在此情况下 的高低压中心也相应地向南偏移。第 四 纪 研 究 年图 时期减去 时期的气温和纬向风异常包括（）的气温（填色，单位：）和纬向风（等值线，单位：）的空间场异常以及（）大西洋区域（）纬向平均的气温和纬向风的纬度高度剖面图；其中实线代表 中增强的纬向风，虚线代表减弱的纬向风.，（）（，：）（，：），（）（）图 两个时期 指数与 指数之间的超前滞后相关以及 指数回归的 流函数变化（）和（）是超前滞后相关，方向的正值表示 超前 的年数，虚线表示基于相关系数 检验的 置信水平；（）和（）是回归的 流函数（填色，单位：），等值线代表这个时期的平均分布，注意到在（）中 超前 年，但在（）中为 年；打点 表示回归场通过 的 检验.，（）（），（）（）（，：），（），（）.时期和全新世时期 与 的关系为了进一步研究 时期和全新世时期 年代际变率与 的关系，本文对两个时期内的 指数和 指数分别做超前滞后相关分析（图 和）。结果表明，两者在 时期呈现出显著的正相关关系，而在全新世时期则呈现出负相关关系。图 显示在 时期，当 与 同期变化时，两者的正相关系数最高，并通过了 置信水平的显著性检验，其他时间关系不显著；在 时期，当 超前 年时 期高杨，等：在末次冰盛期和全新世对 影响的对比研究两者呈现显著的负相关，其他时间关系不显著。超前滞后相关表明，是驱动 年代际变率的因素，而不是 年代际变率的结果。图 和 展示了两个时期北大西洋流函数对 指数回归的结果，表明 时期 增强可以使流函数在中纬度增强，对应 加强（图）；而在 时期 增强则使流函数在整个北大西洋区域均减弱，对应 减弱（图）。两个时期 与 相关性的差异说明了在不同的气候背景下 与 在年代际尺度的关系完全不同。.不同时期 对 年代际变率影响的机理 为了探究两个时期 对 的影响过程，我们将海表风应力、速度、海表温度、海表盐度和海表密度跟 指数进行回归（图）。图 显示，在 时期，当 为正，回归出来的海表风应力在北大西洋 为逆时针环流异常，而在 区域为顺时针环流异常。在中纬度 附近异常西风能够将北美大陆的冷空气带到北大西洋，使北大西洋海表空气降温，加剧北大西洋的海气温差，最终使海表降温（图）、密度增大（图）、增强；此外，这种环流异常在北大