作為地球氣候系統(tǒng)最大的熱儲(chǔ)庫(kù),海洋吸收了90%以上人類活動(dòng)造成的地球能量盈余。過(guò)去一個(gè)世紀(jì)以來(lái),海洋增暖主要發(fā)生在海洋上層,下層的溫度變化則很小。這種差異反映為海洋較小的瞬時(shí)熱儲(chǔ)存效率(全球平均海洋溫度變化與平均海表溫度變化之比),目前其觀測(cè)值僅為0.1左右。那么,在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上,海洋熱儲(chǔ)存效率能達(dá)到多少,其背后的物理機(jī)制又是什么呢?
古氣候記錄為這一問(wèn)題提供了線索。南極冰芯和深海溫度記錄表明,末次盛冰期(約2萬(wàn)年前)以來(lái)海洋平均溫度升高了約3°C(圖1C),這與平均海表溫度的升高幅度相當(dāng)(圖1B),即在末次冰消期萬(wàn)年尺度上海洋熱儲(chǔ)存效率約等于1(圖1D)。這暗示海洋的熱儲(chǔ)存潛力遠(yuǎn)大于目前觀測(cè)所得。但以往這些記錄僅代表海洋平均的情況,無(wú)法解析其增暖的三維結(jié)構(gòu),從而無(wú)法對(duì)海洋熱儲(chǔ)存機(jī)制進(jìn)行深入探討。
針對(duì)此問(wèn)題,依托地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置,研究整合了涵蓋全球海洋次表層的119個(gè)底棲有孔蟲氧同位素記錄,結(jié)合先進(jìn)的地球氣候瞬變模擬試驗(yàn)iTRACE,對(duì)末次冰消期的海洋熱量變化進(jìn)行了詳盡的觀測(cè)-模擬對(duì)比研究。研究首先復(fù)現(xiàn)了末次冰消期海洋熱儲(chǔ)存效率在萬(wàn)年尺度上接近于1,在千年尺度事件如海因里希事件(發(fā)生在距今1.8-1.47萬(wàn)年前)里大于1的觀測(cè)事實(shí)(圖1B-D)。

圖1 末次冰消期海洋溫度演變的觀測(cè)記錄與模擬結(jié)果
在此基礎(chǔ)上,三維海洋溫度重建結(jié)果和模式結(jié)果一致顯示,相比于其他深度水體,末次冰消期里海洋中層深度(300-1500米)的增暖最強(qiáng) ,底層的增暖最弱(圖2)。iTRACE不同氣候強(qiáng)迫因子的敏感性試驗(yàn)表明,溫室氣體升高和陸地冰川退縮造成中緯-副極地海區(qū)出現(xiàn)增暖極值,增暖區(qū)對(duì)應(yīng)于強(qiáng)烈的中層水通風(fēng)區(qū),熱量得以通過(guò)潛沉過(guò)程不斷轉(zhuǎn)移到海洋內(nèi)部,顯著增強(qiáng)了海洋中層水的熱量儲(chǔ)存。在千年尺度事件中,北大西洋淡水注入造成的翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱引起熱量在海洋次表層累積(圖2D-F),進(jìn)一步增強(qiáng)了海洋熱儲(chǔ)存效率。

圖2 末次冰消期海洋溫度變化的空間分布
以往研究認(rèn)為占據(jù)全球海洋體積50%以上的深層水的溫度變化決定了海洋整體溫度的變化。然而在末次冰消期,深水形成區(qū)大部分被海冰所覆蓋,溫度維持在冰點(diǎn)附近(約-1.8°C),因而深層水的溫度變化也較小(圖2)。該研究解決了這一悖論,指出在末次冰消期里海洋中層水的增暖最顯著,是決定海洋整體增暖的關(guān)鍵。
研究揭示了長(zhǎng)時(shí)間尺度上海表增暖型態(tài)及海洋環(huán)流變化影響海洋熱儲(chǔ)存效率的物理機(jī)制,研究結(jié)果對(duì)理解過(guò)去(如冰期-間冰期旋回)及未來(lái)增暖下海洋的熱儲(chǔ)庫(kù)效應(yīng)具有重要意義。
上述研究成果近期發(fā)表于期刊《Science Advances》,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所朱晨玉副研究員和美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)Saray Sanchez博士生為論文共同第一作者,美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)劉征宇教授和俄勒岡州立大學(xué)Peter U. Clark教授為論文共同通訊作者,來(lái)自中國(guó)海洋大學(xué)、嶗山實(shí)驗(yàn)室、大氣所,美國(guó)邁阿密大學(xué)等國(guó)內(nèi)外多家單位的專家學(xué)者參與了該項(xiàng)研究。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、嶗山實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”(EarthLab)等的共同資助和支持。
論文信息:Chenyu Zhu et al., Enhanced ocean heat storage efficiency during the last deglaciation. Sci. Adv.10,eadp5156(2024). DOI:10.1126/sciadv.adp5156