深海同位素三期海冰变化对大西洋环流强度及全球气候的影响

During Marine Isotope stage3, two kinds of abrupt change were observed in the Northern Hemisphere proxy data. The first kind is called Dansgaard-Oeschger （D-O）events and the second kind of these changes is called Heinrich events. D-O events are characterized by abrupt warming of more than 10 degrees within several decades in Greenland surface temperature whereas Heinrich events have longer occurrence pace. Previous studies suggested that these two kinds of events had global climate fingerprints and the occurrence of these abrupt climate changes were closed related to the strength change of Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC) induced by sea ice melting event. More importantly, during the early stage of Marine stage isotope stage 3, D-O events had much lower frequency than the late stage. Hence, this project aims at investigating the mechanisms of abrupt climate changes and how they affect the global climate system through climate modeling. Different boundary conditions will be applied to a state-of-the-art climate model and the model results will be compared with proxy records. In such a way, as global warming might melt sea ice and slow down the AMOC at current condition, this study could provide reference for future abrupt climate change prediction resulted from ocean circulation change.

海洋同位素三期(MIS3)，古气候观测数据记录了北半球高纬地区两类多次周期性极端气候异常变化，1.年代际尺度的Dansgaard-Oeschger(D-O)振荡。主要表现为格陵兰岛几十年内地表气温上升10度以上; 2.周期约为7千年的Heinrich event, 表现为北大西洋海冰异常融化。研究表明，这两种气候异常变化不仅在全球观测数据中都有反应，而且其发生均可能与海冰融化引发的北大西洋环流强度变化有关，继而可以引发全球尺度的气候突变。目前对于这些极端气候变化成因的研究仍没有定论。本项目计划通过在数值模式中采取MIS3背景气候场，以海冰作为主导影响因子, 探讨其对于大西洋环流强度的影响，进而分析D-O振荡的产生机制及其对全球气候系统的影响。以便为预测将来可能产生的，由于全球变暖导致的环流突变继而引发的全球气候突变提供理论参考。

本项目主要研究了深海同位素三期阶段以及末次冰盛期北大西洋经向翻转环流的改变对于全球气候的影响以及数值模式中公式的改进对于北大西洋经向翻转环流模拟结果的影响。主要得出的结果有以下三点：1. 北大西洋经向翻转环流的强弱直接影响了海洋中跨赤道热量输送，进而通过海气耦合影响了大气跨赤道热量输送。在环流变弱的情况下，跨赤道海洋输送热量减少，大气热量输送增多，北半球变冷，南半球变暖，赤道地区年总降水量以及北半球赤道降水在不同季节的降水量(冬季及夏季)都有所降低，南半球季风降水各季节都增多。环流增强对于全球季风降水量及南北半球冬夏季低纬度降水量几乎没有影响。其原因是由于海洋跨赤道热量输送存在阈值，增强的环流不能进一步影响热量输送从而影响季风降水。对比古气候观测值，不论是低纬度降水量还是环流强度的变化都与历史时期相符合。2. 模拟结果表明，海洋同位素三期对比末次冰盛期而言，北大西洋经向翻转环流更强，也更靠近环流强度的临界值，全球大气和海洋水循环也更快。因此，同样量值的淡水扰动可以在深海同位素三期引发环流强度的突变，进而在北半球高纬诱发气候突变。却不能在末次冰盛期引发环流强度突变。这一理论可以解释为何同样有海冰融化现象，格陵兰岛只在同位素三期发生了千年尺度的气候突变(Dansgaard-Oeschger (D-O) events)，而没有在末次冰盛期发生。同时，不论是模式对于环流强度的模拟结果还是北纬高纬度气候突变，都与古气候观测相符合。3. 通过改变数值模式中海水的密度公式，使用刚性化方程，模式对于环流的模拟能力得到了显著的提高。以上关于环流以及全球气候突变的研究不仅对于解释古气候时期发生的气候突变有着显著的理论参考意义，且对于随着全球变暖和北极海冰的减少可能在将来引发的环流及气候变化有较强的参考价值，最后，此结果对于今后提高数值模式对于环流的模拟能力也有指导价值。