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【前沿報道】Science:海洋的漫長記憶——歷史上的小冰期仍在太平洋深處上演
2019-05-09 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  已有的大量古氣候記錄顯示,地球地表系統發生了一系列千年-百年尺度的氣候變化(Dahl-Jensen et al.,1998),比如近一千年來,全球經歷了中世紀暖期(公元1000-1500年),隨后進入全球小冰期(公元1500-1850年),之后再次進入20世紀全球增溫期。受地表溫度變化影響,海洋也響應全球的變化,但是由于海洋巨大的熱容量和漫長的海洋環流熱輸送過程,整個海洋完成一次增溫或降溫的過程需要經歷1000多年的時間(Primeau,2005;Gebbie and Huybers, 2012)。這就意味著海洋可能會承載過去某個時期地表溫度變化的相關信號,但是這些信號是否能檢測出來?海洋的溫度滯后效應是否會影響當前的全球變暖過程?這些問題目前還不清楚。 

  為了研究2000年來海洋內部如何響應地表溫度的變化,伍茲霍爾海洋研究所( WHOI )和哈佛大學的研究人員將模擬結果EQ–0015與先前海洋不同區域不同深度系統的溫度觀測數據,以及世界海洋環流實驗結果相結合,探討了上述問題,成果發表于Science。 

  他們首先利用總矩陣相互比較法(TMI(Gebbie and Huybers,2010)反演了現代海洋環流示蹤觀測值,在對經驗環流模型進行初始化后,進行了2000年的模擬,估算出各地海洋對地表溫度響應的差異。結果顯示:雖然大部分海洋已經隨全球變暖而升溫,但太平洋深處的海水溫度變化滯后了幾個世紀,為響應小冰期的變化,目前反而正在降溫(圖1)。 

1  海洋內部2000年對地表溫度變化響應的異常值圖(Gebbie and Huybers,2019)。(A2000年來全球平均(黑線)和區域平均(彩色線)表面溫度異常值;1870之前的數據來自古氣候指標的估算值,1870之后為儀器觀測值;(BEQ-0015的太平洋平均溫度異常值隨時間演化的分布圖;(CEQ-0015的大西洋平均溫度異常值隨時間演化的分布圖    

  由于EQ-0015模擬實際上是簡化模型,研究者需要通過觀測數據來進一步驗證。他們找到了19世紀70年代英國皇家海軍挑戰者號(H.M.S. Challenger)上的海洋溫度測量數據和90年代世界海洋環流實驗(WOCE)的現代觀測結果。在對HMS的歷史數據進行異常值篩選,并校正壓力以及麻繩伸展(懸掛溫度測量儀器的麻繩具有伸展性)對溫度計數值的影響后,進一步通過對比分析WOCE-HMS的數據(差值)(圖2)發現,全球海洋的大部分地區的上層海水(1000 m以上)都在變暖,這些區域的變暖是20世紀地球變暖的結果。但是WOCE-HMS數據(圖2)同時顯示,大西洋的整體都在變暖,而太平洋深部(在大約1000米以下)卻正在變冷,模型的預測與實測數據是吻合的。這再次證明:太平洋深處的溫度變化落后了地球表層氣候變化幾個世紀,太平洋仍然記得數百年前全球經歷的小冰期。 

    

2  WOCE-Challenger溫差隨深度的變化(Gebbie and Huybers,2019)。紅線:ATL,大西洋;藍線:PAC,太平洋;虛線:模型EQ-0015;實線:觀測OPT-0015    

  將大西洋和太平洋全流域溫度趨勢平均得到的OPT-0015與觀測到的冷卻趨勢進行比較后發現,OPT-0015的結果和觀察值的變化趨勢之間顯示了很好的對應關系,只是OPT-0015太平洋深部冷卻趨勢更強。這證明太平洋深處仍在變冷這一特征是一個真實的現象。溫度趨勢平均觀測值OPT-0015可給出更詳細的歷史時期整個海洋熱量變化結果,例如太平洋熱異常變化趨勢(圖3)認為太平洋深處的冷卻趨勢可能導致20世紀吸收的熱量下降了大約30%,意味著幾百年前的小冰期寒冷期仍然通過太平洋底部正在冷卻的海水來影響著現代氣候的變化。 

  上述研究預示太平洋深海的降溫可能對當前全球增溫會起到減緩的作用。目前大氣中含有的大量溫室氣體將引起的增溫,可以通過與太平洋海底的正在進入小冰期的冷卻海水進行熱交換達到平衡,從而可能減緩溫室氣候造成的地表大幅度增溫。但是太平洋深部小冰期降溫過程結束后,全球的增溫幅度是否會增加可能將是一個我們亟待思考的問題。全新世10000年來發生了一系列千年尺度的氣候變化,深部海洋的滯后效應在多大幅度上影響著地表氣候的變化?這可能是一個將來需要進一步深入研究的前沿課題。 

3  2000年來區域地表溫度變化和海洋熱量變化圖(Gebbie and Huybers,2019)。( A )地表溫度變化歷史。包括四個主要海表層區域(彩色線)和全球加權平均值(黑線)。( B )OPT-0015模型再現的相對于公元1750全球海洋熱含量異常的變化歷史。( C ) OPT-0015模型再現的相對于公元1750 年太平洋熱含量異常的變化歷史。青色:上層,0-700米;藍色:中層,700-2000米;黑色:深層,2000米以下;ANT:南極;NATL:北大西洋;SUBANT:亞南極;NPAC:北太平洋

    

  主要參考文獻 

  Dahl-Jensen D, Mosegaard K, Gundestrup N, et al. Past temperatures directly from the Greenland ice sheet[J]. Science, 1998, 282(5387): 268-271..原文鏈接 

  Gebbie G, Huybers P. Total matrix intercomparison: A method for determining the geometry of water-mass pathways[J]. Journal of Physical Oceanography, 2010, 40(8): 1710-1728.原文鏈接 

  Gebbie G, Huybers P. The mean age of ocean waters inferred from radiocarbon observations: Sensitivity to surface sources and accounting for mixing histories[J]. Journal of Physical Oceanography, 2012, 42(2): 291-305.原文鏈接 

  Gebbie G, Huybers P. The Little Ice Age and 20th-century deep Pacific cooling[J]. Science, 2019, 363(6422): 70-74.原文鏈接 

  Primeau F. Characterizing transport between the surface mixed layer and the ocean interior with a forward and adjoint global ocean transport model[J]. Journal of Physical Oceanography, 2005, 35(4): 545-564.原文鏈接 

  (撰稿:王靜康,旺羅/新生代室)

 
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