北大西洋古气候重建记录的do振荡与hs

北大西洋古气候重建记录的do振荡与hs

0do振荡与hs第四纪（258万公里至今天）北方和南方古气候重建数据记录了两个千年来气候的突变。第一个被称为dansgardoescher（o）的摆动，第二个被称为hs的h斯。DO振荡主要集中于深海氧同位素三期(MarineIsotopeStage3,MIS3，距今6万~2.5万年),而HS却在深海同位素二到四期都有分布。由于找不到任何显著的外强迫可以在千年尺度上驱动这两类气候突变，DO振荡与HS成为了地质历史中最神秘有趣的气候突变现象。虽然这两类气候突变在20世纪90年代就已经被发现且古气候学家对其进行了深入广泛的研究，但目前其发生、发展机制依然没有定论。这两类气候突变都在北大西洋表现得最为明显，但其空间分布具有全球性，全球各类重建数据(例如孢粉，黄土，冰芯)中，都有DO振荡和HS的踪迹。本文旨在综述DO振荡与HS的研究历史，包括其在重建数据中的表现，模拟工作中的进展以及已有的机制理论基础，希望为进一步理解其机制提供思路。最后，在全球变暖的情况下是否会发生此类的气候突变在将来的工作中也显得尤为重要。1大小德国法上的hsDO振荡在格陵兰岛冰芯数据中表现最为明显重建数据表明，DO振荡信号一直从北半球延伸到南半球。整体而言，在冰阶期间，北半球的温度和湿度偏低，且在赤道地区，亚洲夏季风以及西非夏季风有所减弱，大西洋ITCZ南移HS主要表现为在北大西洋发生的海冰异常融化现象。6个异常的冰筏碎屑沉积层(Ice-rafteddebris,IRD)表征了6次HS在HS冰阶期间，融化的淡水直接降低了北大西洋海水盐度值得指出的是，虽然能反应DO振荡和HS两类事件的重建数据在全球分布并不相同，但DO振荡和HS之间存在不可分割的联系。HS总是发生于DO循环的冰阶期间，且每个HS事件以后都会伴随一个强的DO暖相位。另外，并不是所有能反映DO振荡的数据中都能检测到HS。例如HS在格陵兰岛的冰芯中就没有明显的信号。能同时反映DO振荡和HS的高分辨数据只有少数几例2dos3至甲基氨基由于计算资源的限制，大量的模式是利用基于现代气候或者LGM时期的淡水强迫实验来模拟HS或者DO振荡。而不是通过长时间的transient实验来模拟千年尺度的气候变化。绝大多数此类实验中，在北大西洋注入淡水后，AMOC会减弱且南北半球地表气温呈现bipolarseesaw形态，ITCZ南移，非洲季风以及南亚季风减弱如何在模式中诱发DO振荡与解释DO机制紧密相关。除了通过淡水强迫模拟冰阶与间冰阶气候外，最早不叠加外强迫模拟出DO类型急剧升温现象的是EC-Earth模式，其诱发机制始于北大西洋副热带环流东部产生的异常的阻塞高压虽然DO现象主要集中在MIS3时期，但对于MIS3时期的模拟却屈指可数。结果表明，MIS3和LGM相比，AMOC环流强度更强，但稳定度较弱，导致全球水循环在MIS3时期更为活跃。因此，诱发DO间冰阶向冰阶转化所需的淡水强迫的量在MIS3时期仅为LGM时期的一半(e.g.MIS3:0.02Sv;LGM:0.05Sv)3基于北半球气候突然变化的机理研究对于DO振荡的机理研究目前并没有定论但取得了较大的进展3.1岛顶大西洋淡水注入的外部强迫目前，利用AMOC的变化来解释DO循环以及HS现象的发生是最主流及经典的观点。从观测的角度来讲，每个DO周期都伴随着AMOC强度减弱顶部折线:基于百慕大沉积物中Pa-231/Th-230重建的AMOC强度;底部折线:格陵兰岛NGRIP冰芯重建温度。H1-H5a为HS冰阶，数字1-17为DO间冰阶。其中DO5-8为MIS3期间典型的间冰阶。H5a为一次较弱的非经典HS冰阶。弱AMOC状态是否稳定，也有可能取决于白令海峡的开闭。当海峡处于开放状态时，弱AMOC并不稳定，如果停止北大西洋淡水注入，AMOC会很快恢复到强的环流状态。此种情形下，DO振荡不能被激发。而当海峡处于关闭状态时，弱AMOC较为稳定，即使停止淡水注入也可以维持弱环流状态，DO振荡可能被激发另一方面，部分研究指出，AMOC本身即可以理解为一个“盐度振荡器”来激发DO振荡。在这个过程中，并不需要淡水注入此类的外部强迫。足够高的大气温室气体含量可以在冰期使AMOC停滞虽然AMOC理论最为经典，但由于AMOC强度的重建具有很大的不确定性3.2海冰覆盖率和含量简单的半球箱模式以及海冰-海洋-大气的耦合箱模式模拟结果表明，北大西洋海冰覆盖率存在三种不同的状态。不同状态之间的切换即形成一个DO振荡周期。在每个周期初始，北大西洋海冰覆盖率相对较高，格陵兰岛温度相对偏低。当海冰达到融化温度时，冰架破裂，注入北大西洋。AMOC减弱，降低了向北的热量输送，海冰缓慢增长到一个比冰期正常的海冰覆盖率更高的阶段，格陵兰岛大气温度继续降低。此时海冰处于第二稳定态。对应DO振荡中的冰阶状态。之后，减弱的AMOC使能量堆积到极地海洋并储存在次表层海水中。当堆积的能量超过可以融化海冰的临界值时，海冰开始融化，并到达比第一状态更少的第三平衡态即冰阶状态，一个DO振荡循环结束3.3太阳辐射驱动说Braun等人通过在简单的大气—海洋概念模型中加入类似太阳辐射的正弦周期强迫后指出，当外强迫与随机波动的叠加效果越过临界值后，即可以在系统内激发类DO振荡的增温3.4冰期西风带环流形态的改变风场驱动观点认为，南北半球西风带的改变有可能是引发DO振荡的原因。对于北半球而言，与现代气候相比，冰期Laurentide和Fennoscandian两大冰盖的存在直接改变了北半球西风带环流形态。与现代气候相比，冰期海拔极高的冰架可以在冰架范围内形成一个反气旋环流，将极地冷空气输送到北大西洋，而在冰架的西边缘却有相对较暖的南风。因此，整个大陆可以形成10℃左右的东西方向温差。反气旋环流也相应改变北大西洋海洋环流，并进一步激发DO振荡的冰阶状态(图4)3.5do间冰阶状态有研究认为，格陵兰岛东部冰架的生长与破裂是决定DO振荡周期的最重要因素。DO冰阶期间，北海大范围的海冰和冰架使局地反照率增加，格陵兰岛温度降低并降低了海洋与大气的热量交换，使次表层海水增温。当次表层海水能量聚集到一定程度，海冰开始融化，冰架的边缘开始破碎，极小的风应力或者热量输送即可将冰架碎片以及海冰向南输送并融化。此时，北大西洋海表反照率降低，反馈作用使局地温度迅速升高，进入DO间冰阶状态。由于冰期冰架极厚，在间冰阶阶段，其对于风应力和热量输送的改变并不敏感。且丹麦海峡在冰阶变窄，海峡北部海冰以及冰架边缘在间冰阶可以继续生长。生长的冰架与海冰升高了反照率，格陵兰岛温度逐渐降低并缓慢回到冰阶状态。因此，在冰架驱动理论中，间冰阶的长度取决于冰架的生长速度3.6保护剂为嘴唇、厄尔尼诺植物而来的水土流失源尽管DO振荡和HS仅在北大西洋被观测到，其源头可能存在于赤道地区并与厄尔尼诺(ElNiño-SouthernOscillation,ENSO)紧密相关3.7气候回转冰阶状态火山喷发可以显著增加大气中硫化物相关的气溶胶含量，反射太阳辐射使对流层降温。然而，火山喷发对于南北半球的温度影响具有不对称性并有可能是控制DO振荡周期的主要因素。统计学结果表明，大部分DO冰阶向间冰阶转换之前(20年甚至更短)，南半球都有明显的火山活动，而间冰阶期间，北半球火山活动增加并最终使气候转回冰阶状态。其理论机制如下：当北半球有明显的火山活动时，由于气溶胶的反射作用，地表温度降低，大气环流圈以及赤道辐合带向南移动，格陵兰岛降温，南极升温。且在冰期，海冰与冰架的正反馈作用可以使降温一直持续于冰阶阶段。当南半球火山活动增加时，大气环流圈以及赤道辐合带向北移动，格陵兰岛快速增温，南极降温，对应了DO间冰阶阶段最新的观点认为，DO现象是北大西洋自发的存在于大气-(海陆)冰-海洋系统中的气候振荡。其诱发的关键点在于北大西洋副极地区域的风应力，海冰覆盖率和海洋环流进入一个反馈循环，且这个反馈循环可以使小的冷/暖扰动强化，直到发生冰阶与间冰阶的转化。现有的气候系统模式已经包含了可以引发DO振荡的物理机制，但模式对于背景气候场的敏感性并不正确。因此，如何能在模式的各气候系统分量中找到最佳的能够诱发DO振荡的平衡点(sweetspot)是将来模拟DO振荡的一个重点4do振荡与hs（1）在不叠加外强迫的情况下，不同模式不同边界条件都模拟出了千年的气候振荡或者AMOC的强度突变。使用复杂的AOCGM在现代冰盖的条件下，在通过改变大气二氧化碳含量引发了AMOC的千年振荡（2）虽然以上研究都模拟出了类DO振荡的气候变化，但都没有解释为何DO振荡主要集中于MIS3时期而在更冷的冰期鲜有发生且在MIS2,MIS4表现与MIS3不尽相同。最新的南极冰芯数据中，千年尺度的气候突变也主要集中于类似MIS3这样介于冰期与间冰期的气候中（3）目前的绝大部分模式都是通过在北大西洋人工引入淡水来模拟HS，而不是在模式系统里自发的触发HS。因此，在模式中找到一种可以自发产生HS的机制或