气候模式如何说明和解释冰河时期的气候变化

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冰河时期多世纪气候变化对北大西洋地区气温的影响。图中显示了气候变化的冷暖阶段之间的温差。鸣谢:MARUM不来梅大学海洋环境科学中心；科学进展(2023年)。DOI: 10.1126

（）据不来梅大学海洋研究中心（Jana Nitsch）：虽然人类对当前的全球气候变暖负有责任，但我们的星球一直在经历自然气候波动。造成这种变化的可能机制是太阳亮度的变化或火山爆发，但也包括大气/海洋/海冰系统内的相互作用。

这种振荡的持续时间也称为可变性，可以变化很大。这种气候变异性在气候研究中尤其重要，尤其是对于进一步提高我们对当前人为气候变化影响的认识。然而，除了少数例外，持续几个世纪的气候振荡一直缺乏明确性。

MARUM和地球科学部门的地球系统建模师Matthias Prange博士是在科学进展发表的一项新研究的第一作者，他解释说:“数百年时间尺度的自然气候变化尚未得到很好的了解。首先，没有覆盖这么长时间的观测时间序列。另一个原因是，在这个时间尺度上，只有少量分辨率足够高的替代数据记录。

“迄今为止，气候模型在描述100至1000年时间尺度的自然气候变化方面存在很大困难，这也是一个问题。”

冰川高峰期的自然气候变率增强了四倍

然而，这些模型近年来一直在不断改进，与Prange合作的科学家现在已经能够使用一个经过良好测试的气候模型来更仔细地研究上一次冰川高峰期100至1000年时间范围内的自然气候变化。

来自冰和海底岩芯的现有古数据显示，在23，000年至19，000年期间，自然气候变化加剧，在全球范围内比现在的全新世强四倍。这在北大西洋尤为突出。

“事实上，我们现在已经有了可以描述自然气候变化的气候模型，这反映了气候建模的巨大进步，并展示了模型令人印象深刻的能力，”Prange说。

寻找内部作用力的因素

没有证据表明多世纪气候变率的外部强迫。在寻找其他原因的过程中，科学家们将注意力转向了可能的内部机制。“我们使用了著名的社区地球系统模型，简称CESM1.2，它也被政府间气候变化专门委员会用于预测，并为其提供了上一个冰河时代的边界条件，”Prange说。“我们输入温室气体浓度水平、大陆冰分布范围和当时的特征轨道参数。”

当冰河期处于顶峰和最显著的时候，科学家们能够探测到北大西洋持续数百年的自发振荡，伴随着大西洋经向翻转环流(AMOC)的波动。AMOC变强然后变弱的一个周期持续了大约400年。这包括将低盐度的水从南部输送到北大西洋。

一路走来，海水的含盐量变得更少，因此海水变得更轻，无法有效地沉入北大西洋深处。因此，深水的产生及其向南大西洋的输送变得较弱。

这个循环过程是自我维持的，因为AMOC的减弱导致低盐度水从南大西洋再次向北输送。因此，北大西洋的盐度可能会再次增加，导致更多深水的产生。

正如Prange解释的那样，“这些过程表明，数百年的气候变化与水柱中盐度和温度的差异密切相关。”虽然变化的幅度很小，但对北大西洋海冰的范围和格陵兰岛的温度有明显的影响。“由于AMOC振荡，那里的年平均气温变化了大约4摄氏度，”Prange总结道。

高分辨率古数据

为了支持这些模型的发现，科学家们调查了那个时期的海面温度。“为了做到这一点，我们汇编并分析了来自北大西洋海洋沉积物的所有高分辨率重建，”该研究的合著者、MARUM的微体古生物学家Lukas Jonkers博士说。“这里的高分辨率意味着一个系列的数据点平均相隔不超过200年，没有一个步长超过1000年。”

所研究的古档案提供了证据，表明在最后一次冰期最大值期间，表层水每150至1000年出现一次温度振荡，这与模拟的具有内部强迫机制的数百年气候变化相一致。

最近的研究结果强调了详细研究和理解气候系统反馈过程的重要性。Prange强调需要更深入地了解不同时间尺度下的气候变化，因为这可能会对未来的气候变化产生影响，从而给社会带来意想不到的不良后果。这些发现也纳入了位于MARUM的海底——地球未知界面卓越小组的工作中。