美赛/小美赛历年话题-冰期气候突变的高低纬同步性

杨利霞

美赛/小美赛历年话题-冰期气候突变的高低纬同步性

一项最新发表在 Science 上的研究表明[1], 北极格陵
兰岛冰芯记录的末次冰期中发生的气候突变事件与中低
纬度的气候变化是同时发生的.
由于积雪年复一年的堆积, 地球两极的格陵兰岛和南
极大陆形成了厚厚的冰盖. 冰盖中不同冰层间的微小气泡,
保留了当时大气的水分子和其他粒子, 为我们了解地质历
史时期的地球古气候和古环境提供了独一无二的记录载
体. 例如, 气泡中的化学成分可以记录过去的温室气体(比
如二氧化碳)的水平, 而火山灰或沙尘则暗示着强大的火
山喷发或显著的全球干旱. 它们像古生物化石, 勾勒出过
去特定时段的古气候特征. 因此, 从冰川或者冰盖中钻取
的长冰芯记录, 为我们了解地球历史上发生过的复杂气候
变化提供了一把钥匙. 其中, 冰芯中氧同位素比值(δ18O,
指质量数为 18 的氧原子所占比率与标准平均海洋水的偏
差再乘以 1000)的变化, 与当地气温有着密不可分的联
系[2], 为我们重建过去大气温度的变化提供了可能.
格陵兰岛的冰芯钻孔记录了地球历史中的最后一次冰
期旋回(即末次冰期, 时间范围为过去约 115~11.7 ka). 最早
是由 Dansgaard 和 Oeschger 于 1982 年发现了冰芯 δ18O 记录
中一系列反复、剧烈的快速冷暖交替的信号, 在 1993 年再
次确认后, 这一现象被命名为 Dansgaard-Oeschger (DO)事
件[3]. 在 DO事件期间, 格陵兰岛的年均气温可在短短数十
年内(人类寿命范围内)迅速升高 8~16°C, 当地气候进入一
个相对暖的时期, 即间冰阶期; 之后温度逐渐下降, 最后
迅速进入一个相对冷的时期, 即冰阶期. 这一过程反映了
气候系统的非线性变化特征, 而 Broecker 和 Denton[4]提出
的大洋传送带动力机制过程来解释这一特征是目前较为
主流的观点.
大洋传送带是一个理论上的贯穿全球各大洋的物质
能量输运带, 其在大西洋的部分又名大西洋经向翻转流
(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC), 可将
赤道附近的低纬度大西洋甚至南半球的热量向北输送至
大西洋北部及北欧海, 这些暖水在此失热后变重下沉, 形
成北大西洋底层水, 再经大西洋底部流回南大洋. 因此,
AMOC 的减弱或停滞将导致北半球高纬度地区的变冷和
南半球的变暖, 由此引起南北半球经向(沿经线方向)温度
梯度的变化, 使得热带辐合带(intertropical convergence
zone, ITCZ)(雨带)位置南移, 并导致北半球夏季降水减
少、南半球降水增多. 如果实际情况与理论推测一样, 那
么格陵兰的温度变化与 ITCZ 相关的降水应该有几乎同步
的响应. 但这一推测目前仍缺少可靠的证据, 主要难点在
于如何确定格陵兰 DO 事件与中低纬度地区的气候变化是
否同步.
为了验证二者的同步性, 需要分别从高纬和低纬地区
获得足够多且精确定年的古气候记录, 分析它们在 DO 事
件发生时的先后顺序. 虽然现在有大量公开发表的冰芯、
海洋沉积物等古气候记录, 但它们因为定年误差偏大, 并
不适用于该方面的研究.
在岩溶(或喀斯特)地区广泛发育的洞穴沉积物是研
究以上科学问题的良好载体. 洞穴内部的次生碳酸盐, 包
网络首发时间：2020-12-01 10:59:53
网络首发地址：https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1784.N.20201130.1534.008.html 2020 年 1 月 第 65 卷 第 1 期
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括钟乳石和石笋等, 是由洞穴顶部裂隙中渗透而下的滴
水(含有碳酸氢根离子和氢离子)在洞穴内部的滴水点缓慢
沉积碳酸钙而行成. 石笋沉积过程中会随着时间形成旋
回层(层理), 其氧同位素(δ18O)信号可用来大致反映碳酸
钙生成时的洞穴内部温度和大气降水同位素变化. 更重要
的是, 这些沉积物(岩)可使用一种称为铀钍定年的放射性
图 1 DO 事件发生时全球不同地区的气候响应[1]. (a) 根据洞穴
石笋 δ18O 记录集成所得的两个季风区(亚洲夏季风(ASM)与南美
季风区(SAM), 蓝色), 以及欧洲和两个季风区(欧洲-地中海(EM)
与季风区, 红色)之间的空间年龄偏移量的概率分布函数(PDFs),
以及先前发表的南极 WAIS 冰芯 δ18O 记录与北极 NGRIP 冰芯
δ18O记录之间的偏移量(棕色)[13]. (b)~(k) DO期间模型注水实验的
气候变化, 每条曲线均表示相对于模拟数据平均值的差异变化.
(b) 北大西洋经向翻转流(AMOC)指数(定义为北大西洋 45°N 以
北 300~1500 m 水域经向流函数的最大值); (c) NGRIP 冰芯钻孔所
在位置的表层年均气温(NGRIP MAT); (d) 欧洲-地中海地区的表
层年均气温(30°~45°N, 25°~40°E)(EM MAT); (e) 东亚地区(20°~
30°N, 108°~120°E)年均降水量; (f) 印度地区(25°~35°N, 75°~85°E)
年均降水量; (g) 南美地区(5°~10°S, 30°~75°W)年均降水量; (h)
热带-亚热带大西洋(5°~30°S, 60°W~10°E)年均海平面温度; (i) 反
映海平面气压从 20°~90°S 变化的南半球环状模态指数; (j) 南大
洋(55°~75°S, 60°W~10°E)年均海平面温度; (k) 南极大陆西部
(75°~82°S, 90°~135°W)表层气温, 可代表 WAIS 冰芯位置上空的
表层气温. 黄色阴影表示大气对大西洋 ITCZ 开始向亚热带北大
西洋迁移的快速响应期, 粉红色阴影表示 AMOC 和北半球变暖进
一步加强的时期, 蓝色阴影表示 AMOC 开始转变为间冰阶模式.
灰色曲线是原始模型输出序列, 其他彩色曲线为 11 年滑动平均
后的序列. 黑色虚线为应用贝叶斯和最小二乘法对每条原始时间
序列进行分析后导出的模式序列. (a)中年份是指每个概率分布函
数的偏移年数; (b)~(k)中横坐标为模式年份, 第 1年重置为除去淡
水通量的年份. 因此, (a)中 NGRIP-WAIS 概率分布函数曲线相对
于(b)~(k)中的模式年份比例处于近似正确的位置