常言道“以史為鑑，可以知興替”。“史”不僅僅是短暫的人類文明演化歷史，更是漫長的地球自然變化史。
約270萬年前，隨著北半球大陸冰蓋的逐漸發育，氣候系統開始經歷萬年尺度為週期的冷暖交替，即我們熟知的冰期-間冰期氣候旋迴。20世紀初，南斯拉夫學者米蘭柯維奇(1)指出，地球軌道引起的北半球太陽輻射變化是驅動冰期旋迴的主因，該理論在1976年由J.D. Hays(2)等人透過分析髙解析度和長時間尺度的深海巖芯證實，為進一步探索冰期氣候的演變規律指明瞭方向。
地球軌道的變化由三個主要引數控制，即軌道偏心率（Eccentricity）、地軸傾角（Obliquity）和歲差（Precession），其對應的週期分別為10萬年和40萬年、4.1萬年、~2.1萬年 （圖一）。而氣候系統對地球軌道變化的響應是非線性的，比如發生在冰期旋迴中的千年尺度氣候突變事件。該事件，又名Dansgaard-Oeschger（DO）事件，最早由W. Dansgaard和H. Oeschger等人於上世紀八十年代初(3, 4)在陵蘭冰芯中發現、並於九十年代初(5)最終確認的一系列千年時間尺度的、冷暖快速交替的氣候事件。
圖一 地球軌道引數變化示意圖：(a) 偏心率, (b) 傾角, (c)歲差
在DO事件中，北半球高緯度地區的年均溫可在數十年內變化8-16℃。E. Corrick等人(6)在2020年的一篇記錄與模型融合的論文中指出，DO事件對氣候的影響具有全球同步性：在北半球高緯地區發生溫度突變時，熱帶季風系統、南半球海溫等也都同時做出相應的調整。有關其動力機理，W. Broecker(7)等人早在上世紀80年代就已指出，氣候突變的主要原因與大西洋經向翻轉環流（即Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的變化有關，這一觀點在隨後30多年的持續研究中得到普遍認可，但其觸發機理存在多種推測：有學者提出，可能與海洋環流的內部變率有關，或是由冰蓋或者海冰的消融所致，還有學者則認為大氣CO2濃度和南半球西風帶也起到積極的作用等，這些推測主要集中在地球系統的內部因素。
圖二 大西洋經向翻轉流示意圖
地球軌道變化是否可以調製千年氣候突變事件？
早在1999年，J. McManus等人(8)在一篇記錄方面的文章中提出了冰期放大（glacial amplification）的觀點。他透過研究北大西洋海洋沉積物發現，過去50萬年的五個冰期旋迴中，每當冰蓋大小超過一定臨界閾值時，會出現顯著的千年尺度氣候變化（圖三）。中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心和中國科學院青藏高原研究所研究員、蘭州大學教授張旭等人在2014(9)和2017(10)年的數值模擬的工作中，從機理角度系統地闡述了冰期放大的原因——北半球冰量可透過調控中緯度西風帶位置和強度，影響灣流強度和北大西洋的海冰輸運，導致AMOC更易於受氣候擾動（例如<20ppm的大氣二氧化碳變化）的影響，觸發氣候突變。根據米氏理論，冰期旋迴中氣候背景的變化（例如冰量）與軌道驅動的北半球太陽輻射聯絡密切，這說明軌道變化可透過氣候系統的內部反饋（例如冰量變化）調製氣候突變事件的發生，即軌道對氣候突變的間接調製。
圖三 80萬年以來冰期氣候旋迴背景下的千年事件強度分佈圖。陰影的深淺代表千年事件的強弱。縱座標為底棲有孔蟲氧同位素的整合記錄（代表全球冰量和溫度）；橫座標為南極冰芯的二氧化碳記錄。
地球軌道變化是否可以直接觸發千年事件？
2010年，M. Siddall等人(11)透過研究南極冰芯溫度記錄發現，過去50萬年冰期的千年氣候變率強度與歲差週期（~2.1萬年）有顯著相關性，並遠強於其與北大西洋融冰事件的相關性，由此他們認為，歲差變化可能調控突變事件的發生。2016年，西安交通大學程海等人(12)透過對60萬年來的中國石筍氧同位素記錄分析，發現北半球夏季太陽輻射量的變化與千年尺度氣候事件在歲差和地軸傾角週期有顯著相干性。但目前，對於有著萬年以上變化週期的地球軌道變化，是否無需透過改變地球內部環境就可直接觸發AMOC突變仍不清晰。造成這一局面的主要原因是，太陽輻射驅動的地球內部氣候背景變化與千年氣候事件是協同演變的，而記錄本身作為氣候演變的綜合產物，並不能區分太陽輻射和氣候背景各自對千年事件的影響。為了解決這一難題，一個由中國科學家主導的國際科研團隊利用先進的複雜氣候模型，系統地闡述了地球軌道變化驅動千年氣候事件的動力機理。該題為“Direct astronomical influence on abrupt climate variability”的工作，已於11月1日線上發表在國際頂級地學期刊《Nature Geoscience》。
https://www.nature.com/articles/s41561-021-00846-6。
圖四 80萬年以來千年事件強度與軌道變化的相干波分析。右側的21，40，100kyr分別代表歲差，傾角和偏心率週期。陰影深淺代表相干性強弱。
該論文的第一及通訊作者張旭等人選取末次冰期第5、6、7次千年事件（DO5，6，7）作為研究物件，開展數值模擬研究。這是因為DO5-7發生的這段時期，全球冰量和溫室氣體並無顯著的變化，可有效排除地球內環境變化對氣候突變的調製。基於此，研究者們在開展過去4-3.2萬年的氣候瞬變模擬試驗中，僅將地球軌道引數作為變化量，而其他所有的環境變數（例如冰量、溫室氣體等）均保持不變。試驗中AMOC出現類似於DO事件的千年尺度震盪，相應的溫度和降水變化也與重建記錄有較好的一致性，在複雜氣候模型中首次證實了地球軌道變化可直接驅動氣候突變（圖五）。
圖五 模擬的千年氣候事件。a-b 為試驗中施加的氣候強迫（地軸傾角和歲差），c為模擬的AMOC指數，d和e分別為AMOC突變所造成的全球年均溫和降水的變化 。
研究人員又進一步採用軌道引數的單一強迫試驗，即僅改變地軸傾角或離心率和歲差，定性不同軌道引數變化對氣候突變的影響。研究發現，歲差的變化可透過影響北半球低緯地區的夏季太陽輻射，調節大氣水汽從大西洋向太平洋的輸送強度，進而調控北大西洋的海表鹽度，引起大西洋經向翻轉環流突變。同時，地軸傾角可透過影響北半球高緯地區的年平均太陽輻射變化，調控北大西洋深層水生成區的海水溫度以及海冰面積，進而影響表層海水垂直混合的強度，引起這些突變（圖六）。這一系列的數值模擬試驗證實了單一軌道引數變化也可直接造成北大西洋海洋環流的突變，即軌道對氣候突變的直接調製。
圖六 地球歲差(a-c)和地軸傾角(d-f)變化引發的氣候突變。a和d是試驗中施加的歲差和傾角強迫，b和e為試驗中的大西洋經向環流強度指數，c和f為軌道引數變化引起的氣候響應。其中c中陰影為淨降水，等值線為海表氣壓，向量箭頭為整層積分的水汽輸送，f中陰影為海冰密集度，等值線為垂直混合層深度。
冰期旋迴中，軌道直接與間接調製如何協同影響氣候突變爆發？
研究人員進一步開展了一系列氣候敏感性試驗，總結出一個用於闡述軌道雙重調製的動力概念模型（圖七）：在冰期旋迴過程中，當氣候背景類似於末次盛冰期（Last Glacial Maximum）或者末次間冰期暖期（Eemian）時，軌道變化無法觸發氣候突變，因為盛冰期的大冰蓋和間冰期最暖期的高溫室氣體濃度導致AMOC的基本態（即不受外力擾動情況下的狀態）較為穩定，對外力擾動的敏感性較低(9,10)。當氣候背景進入到兩者之間時，即當冰量和溫室氣體處在盛冰期和間冰期最暖期之間時，軌道變化可直接引起千年尺度的氣候自震盪；自震盪可在某一特定的軌道引數範圍內持續存在，直到軌道引數移出該特定的範圍（這個特定範圍可稱為千年氣候事件的“機會視窗”）；而與此同時，氣候背景的變化，可改變“機會視窗”在軌道週期中出現的位置——例如當北大西洋處於一個偏冷（暖）的冰期氣候背景時，“機會視窗”可能出現在地軸傾角或地球歲差的高（低）值區。
圖七 地球軌道對氣候突變雙重調製的動力概念模型。左、右圖分別為地軸傾角和地球歲差對千年氣候事件的調製模型。
在晚更新世之前（大約100萬年以前），冰期旋迴的週期約為4萬年，與晚更新世的10萬年週期有著顯著不同，但兩時期的軌道變化沒有本質區別。根據該模型及現有古海洋記錄推測，中早更新世的千年氣候事件也同樣受到軌道變化的調製，這得到了在《Nature Geoscience》同步上線的一篇題為“Persistent orbital influence on millennial-scale climate variability through the Pleistocene”古氣候資料重建工作Sun et al. 2021(13)的驗證，肯定了該動力概念模型的普適性，為系統地理解更新世冰期旋迴中軌道調製氣候突變的規律提供了參考。
透過這些研究，我們可以確定：更新世以來的千年尺度氣候事件很可能一直受到地球軌道引數變化的雙重調製。但軌道尺度氣候變化（冰期旋迴）和千年尺度氣候突變如何協同影響更新世以來的氣候演變，還需透過含冰蓋動力過程的地球系統模型做進一步研究。科學家們透過對古氣候現象背後機理的研究，嘗試揭示不同時空尺度氣候過程的協同作用對氣候變化的影響，努力掌握氣候演變的規律，不僅對於人類預測和應對未來氣候突變有巨大而深遠的意義，也有助於深化對“未來地球可持續性”和“人與自然生命共同體”的科學認知。
該工作得到國家自然科學基金“青藏高原地球系統”基礎科學中心專案（41988101）和麵上專案（42075047）的聯合資助。
參考文獻：
1. M. Milanković, Kanon der Erdbestrahlung und seine Anwendung auf das Eiszeitenproblem, Royal Serbien Sciences, Special Publications 132, Section of Mathematical and Natural Sciences 133 (Royal Serbian Academy, 1941).
2. J. D. Hays, J. Imbrie, N. J. J. . Shackleton, Variations in the Earth ’ s Orbit : Pacemaker of the Ice Ages. Science 194, 1121–1132 (1976).
3. W. Dansgaard, H. B. Clausen, N. Gundestrup, C. U. Hammer, S. F. Johnsen, P. M. Kristinsdottir, N. Reeh, A new Greenland deep ice core. Science 218 (1982), pp. 1273–1277.
4. H. Oeschger, J. Beer, U. Siegenthaler, B. Staufer, W. Dansgaard, C. C. Langway, Late-glacial climate history from ice cores. Palaeoclim. Res. Model. Proc. Work. Brussels, 1982, 95–107 (1983).
5. W. Dansgaard, S. J. Johnsen, H. B. Clausen, D. Dahl-Jensen, N. S. Gundestrup, C. U. Hammer, C. S. Hvidberg, J. P. Steffensen, A. E. Sveninbjoernsdottir, J. Jouzel, G. Bond, Evidence for general instability of past climate from a 250-kyr ice-core record. Nature. 364, 218–220 (1993).
6. E. C. Corrick, R. N. Drysdale, J. C. Hellstrom, E. Capron, S. O. Rasmussen, X. Zhang, D. Fleitmann, I. Couchoud, E. Wolff, Synchronous timing of abrupt climate changes during the last glacial period. Science 369, 963–969 (2020).
7. W. Broecker, D. Peteet, D. Rind, Does the ocean-atmosphere system have more than one stable mode of operation? Nature. 315, 21–26 (1985).
8. J. F. McManus, D. W. Oppo, J. L. Cullen, A 0.5-Million-year record of millennial-scale climate variability in the North Atlantic. Science 283, 971–975 (1999).
9. X. Zhang, G. Lohmann, G. Knorr, C. Purcell, Abrupt glacial climate shifts controlled by ice sheet changes. Nature. 512, 290–294 (2014).
10. X. Zhang, G. Knorr, G. Lohmann, S. Barker, Abrupt North Atlantic circulation changes in response to gradual CO2 forcing in a glacial climate state. Nat. Geosci. 10, 518–523 (2017).
11. M. Siddall, E. J. Rohling, T. Blunier, R. Spahni, Patterns of millennial variability over the last 500 ka. Clim. Past. 6, 295–303 (2010).
12. H. Cheng, R. L. Edwards, A. Sinha, C. Spötl, L. Yi, S. Chen, M. Kelly, G. Kathayat, X. Wang, X. Li, X. Kong, Y. Wang, Y. Ning, H. Zhang, The Asian monsoon over the past 640,000 years and ice age terminations. Nature. 534, 640–646 (2016).
13. Y. Sun, J. F. McManus, S. C. Clemens, X. Zhang, H. Vogel, F. Guo, T. Wang, X. Liu, Z. An, Persisitent orbital influence on millennial climate variability through the Pleistocene. Nat. Geosci. (2021).https://www.nature.com/
articles/s41561-021-00794-1.
來源： 中國科學院青藏高原研究所
