全新世的教训：北极越暖，中纬度越干

来源：中科院地质地球所

2011年, 著名极地气候学家、美国国家冰雪资料中心（NSIDC）主任Mark Serreze发表研究文章称：在温室气体排放增加和全球变暖背景下，北极的变暖幅度远远超出了全球均值（Serreze和Barry, 2011）。这种现象被气候学家称为“北极放大效应（Arctic Amplification）” 。自1979年以来，北极地区的海冰融化加速，其总量持续减少（Overland等, 2018；图1），这种变暖放大效应不断被新的观测数据所验证。

图1 （A）2016年冬季北极温度异常（1981-2010年多年平均值作为对比基准）；（B）1979年以来冬季海冰总量变化，数据截至2018年（Overland等，2018）

唇亡齿寒，北极加速暖化的后果绝不仅仅停留于北极。由于缺乏长期气候观测记录，目前短于百年尺度的观测记录还不足以刻画极地变暖对人类生存的直接影响，“北极放大效应”对全球尤其是北半球中纬度地区 （人类最集中的生活区域）的确切气候影响及其机制尚不清楚。有证据表明地球赤道与两极之间的纬间温度梯度（Latitudinal Temperature Gradient）对中纬度西风急流的位置、强度及运动轨迹有着强烈影响。然而，其关联并非简单的线性关系。系统研究北极放大效应、纬间温度梯度和大气环流之间耦合关系对于理解气候关联机制、预测未来变化趋势、评估气候影响具有重要的现实意义和科学价值。其中一个假说认为北极加速变暖降低了纬间温度梯度，从而削弱了中纬度西风环流，同时减少了温带气旋的频率和强度，进一步导致了中纬度净降水量的减少 （图2）。真相是否如此还不得而知。“以史为鉴，可以知兴替“，延长观测的时间尺度，从地质记录中找寻“历史相似型”是破解这个谜题的一把利刃。

图2  纬间温度梯度和大气环流、中纬度降水之间关系概念图（Routson等，2019）

近日，美国北亚利桑那大学的一个研究团队与多个研究机构合作，利用已发表的多项地质记录数据集成并结合古气候模拟，系统研究了过去1万年来北极暖化对北半球中纬度气候的影响（Routson等，2019），验证了上述假设，其成果以“Letter”的形式在Nature上发表。根据北半球219处共236条地质记录（湖泊沉积、海洋沉积、冰芯、石笋、树轮等）中提取的16项古气候记录代用指标数据（元素比值、同位素、微生物、长链烯酮、孢粉、硅藻、纹层等），该研究重建了过去1万年来北半球不同纬度的温度变化序列。利用中纬度地区（30°N~50°N）的72条水文气候记录（排除了季风降水记录），文章重建了同一时段中纬度地区的降水变化序列。

研究结果显示：北半球早中全新世极地和高纬地区温度较高，此时纬间温度梯度最小。中全新世以后，高纬度地区降温速率显著高于低纬地区，纬间温度梯度逐渐增强（图3）。纬间太阳辐射梯度的增强可能是千年尺度上纬间温度梯度增强的主要驱动力。有趣的是，中纬度地区的净降水量呈现出类似的趋势：早中全新世较为干旱，中全新世以后逐渐湿润（图3）。过去1万年以来，北半球中纬度地区区域平均年净降水量增加了272mm（95%置信区为130-312mm）。利用古气候模式对比计划（PMIP3）模拟显示：纬间温度梯度的减弱削弱了哈得莱环流和西风急流的强度，从而减少了中纬度大尺度对流降水（不包含季风降水）。

作者进一步分析了反馈机制：北半球夏季高纬地区太阳辐射的增强导致了夏季温度升高，使得海冰面积减少、无冰期延长、海冰变薄，进而增强了海洋和大气的热量交换。北极变暖可以降低纬间温度梯度，进而削弱温带气旋的频次和强度，使得中纬度地区年降水量减少。这一解释机制得到了观测数据以及模拟数据的支持。

图3 利用古气候记录集成重建的全新世北半球温度变化（a-e）、纬间温度梯度变化（f）、太阳辐射梯度变化（g）以及区域平均净降水变化（h）（Routson等，2019）

作者还讨论了当前另外几种关于全新世大气环流和纬间温度/太阳辐射梯度变化潜在关系的假说。 例如，其中一种假说认为：纬间太阳辐射梯度减弱将导致欧洲冬季西风增强，夏季西风减弱。这与本文的古气候重建和模拟结果相矛盾，还需要进一步研究。还有一种关于变暖和干旱之间反馈机制的假说认为：早中全新世中纬度干旱的主要原因是较高的夏季太阳辐射导致蒸发量增加，而不是大气环流和风暴频率的变化 （Seager等，2014）。PMIP3模拟结果显示降水减少和蒸发增加可能共同导致了早中全新世的干旱。但是，在中纬度地区最干旱的早全新世，高纬地区冰盖仍然广泛存在，温度较为寒冷，这表明当时的大气环流变化可能是干旱的主要驱动因素。

所有的科学论文都是某种程度上的科研进展报告而远非最终结论。无论这篇论文的机制解释是否正确，它无疑可以促进我们对于这个正在干旱化的星球的持续对话，也扩充了我们对气候机制理解的已有边界。地球进入“人类世”以后，高强度的人类活动与温室气体排放，正在驱动着我们这个蓝色星球进入与之前4.54亿年完全不同的演化路径（Steffen等，2018），我们所面临的当前和未来的气候变化远比全新世更为复杂。正如作者在论文结尾写道：要全面理解区域气候变化，还需要更多的工作和持续的探索。科学永远在路上。

主要参考文献

1.Overland, J., Dunlea, E., Box, J.E., Corell, R., Forsius, M., Kattsov, V., Olsen, M.S., Pawlak, J., Reiersen, L.-O., Wang, M., 2018. The urgency of Arctic change. Polar Science.

2.Seager, R., Neelin, D., Simpson, I., Liu, H., Henderson, N., Shaw, T., Kushnir, Y., Ting, M., Cook, B., 2014. Dynamical and thermodynamical causes of large-scale changes in the hydrological cycle over North America in response to global warming. J Climate 27, 7921-7948. 

3.Serreze, M.C., Barry, R.G., 2011. Processes and impacts of Arctic amplification: A research synthesis. Global Planet Change 77, 85-96.

4.Steffen, W., Rockstrom, J., Richardson, K., Lenton, T.M., Folke, C., Liverman, D., Summerhayes, C.P., Barnosky, A.D., Cornell, S.E., Crucifix, M., Donges, J.F., Fetzer, I., Lade, S.J., Scheffer, M., Winkelmann, R., Schellnhuber, H.J., 2018. Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 8252-8259.

5.Routson, C.C., McKay, N.P., Kaufman, D.S., Erb, M.P., Goosse, H., Shuman, B.N., Rodysill, J.R., Ault, T., 2019. Mid-latitude net precipitation decreased with Arctic warming during the Holocene. Nature 568, 83-87.