北京时间2021年1月14日凌晨，Nature杂志发表了题为”Antarctic Icebergs Reorganize Ocean Circulation during Pleistocene Glacials”的研究论文（https://www.nature.com/articles/s41586-020-03094-7），在国际古气候学界引起了极大的反响（英文报道）。兰州大学西部环境教育部重点实验室/泛第三极生态环境与气候变化前沿科学中心张旭教授为该研究提供了关键的数值模拟支撑和动力解释，是该研究团队的主要作者之一。
大西洋径向翻转环流（Atlantic meridional overturning circulation，AMOC）是南北半球物质与能量的主要传送带。理论上，AMOC可大体分为上支流和下支流：上支流将热带大西洋以及南半球的热量输送到北大西洋北部及北欧海，暖水失热下沉形成北大西洋底层水（North Atlantic Deep Water，NADW）后，沿西边界流回南大洋，并在南极绕急流附近上涌至海表。这部分水团一部分向北输送，回到AMOC的上支流；而另一部分向南输运，在南极冰架附近冷却下沉，形成富含无机碳的南极底层水（Antarctic Bottom Water，AABW）后，向北输送至大西洋（及其他洋盆）底部，形成AMOC的下支流。150万年以来的更新世，地球系统反复经历了剧烈的气候变化，即冰期-间冰期旋回。大量记录指出，在温暖的间冰期，NADW主导的AMOC上支流可占据大西洋3500米左右以上的水体；但在寒冷的盛冰期，NADW仅能下沉至2500米左右，而其下部水体则由富含无机碳的AABW控制。AMOC这种冰期-间冰期空间形态的变化，之前认为主要是受北大西洋NADW的强度变化所致，但近几年发现，南大西洋东南侧的厄加勒斯洋流对大西洋的温盐平衡也起到至关重要的作用；同时南极绕急流附近表层海水温盐变化和西风带强度变化对NADW和AABW的形成也具有重要影响。但目前为止，这些南半球的过程如何影响AMOC冰期间冰期的形态变化尚不明确。厄加勒斯海底高原（水深在2500-3000米）位于南大西洋的东南部（非洲好望角南部），可以很好地记录冰期-间冰期海底水团性质以及AMOC空间形态的变化 —— 资料显示在现代该地水团主要受控于NADW，而在冰期主要受AABW的影响。
为尝试解答上述问题，由英国、中国、德国、美国等国的科学家组成的科研团队，通过利用“国际海洋发现计划 (IODP)” 361航次从厄加勒斯海底高原采集的海洋沉积物，重建了160多万年以来南大西洋的底层水团性质和南极冰携碎屑量（反映冰山可漂流至此的可能性）的变化。值得注意的是，这两类重建指标因来自同一根海洋岩心，具有一致的年龄框架，为分析不同周期上水团性质和冰携碎屑变化的相位关系提供了十分难得的机会。该研究发现，过去160万年以来，无论是在冰期-间冰期旋回周期上（即地球倾角4万年和偏心率10万年周期），还是在地球岁差（2万年）周期上，厄加勒斯海底高原出现南极冰携碎屑的时间都明显早于水团性质的变化，这说明南大洋水文循环对AMOC冰期空间形态的形成有重要作用。
该研究结合数值模拟进一步指出：当地球进入一个合适的轨道背景（例如偏低的地球倾角），将有利于更多的南极冰山向北输送至南大西洋东南部的厄加勒斯洋流区域，使得融化在南大洋的冰山数量减少，而在南大西洋的数量增多。这一方面淡化了回流至北大西洋的表层海水的盐度，引起NADW形成速率的降低；另一方面，盐化了南大洋表层海水，加快AABW的生成速率，两者的协同作用促进了AMOC从间冰期向冰期空间形态的转变。此外，在向冰期环流态转变的过程中，随着AABW水体体积的增大，会导致更多的大气二氧化碳封存在海洋底部，导致全球气温的下降，这将进一步促进海洋对二氧化碳的吸收（低温海水可溶解更多的CO2）以及北半球大陆冰盖的形成。
南大洋“冰山逃逸”机制示意图
“这一新发现让我们对冰期发育的动力过程有了进一步的认识”，论文主要作者之一，我校西部环境教育部重点实验室/泛第三极生态环境与气候变化前沿科学中心的张旭教授说，“地球轨道引起的微小的太阳辐射变化，可通过南极冰冻圈激发地球系统内部各圈层间（即海洋大气圈-冰冻圈-碳循环）的正反馈过程，有利于地球气候进入冰河期。未来我们需要利用可模拟多圈层耦合过程的地球系统模型重现冰期旋回的演变特征，评估各圈层过程对其的贡献，到时我们将会对这一历史难题有更深入地理解。”
该研究由英国卡迪夫大学的Ian Hall教授和博士生Aidan Starr牵头组织开展。我校西部环境教育部重点实验室/泛第三极生态环境与气候变化前沿科学中心的张旭教授主要负责数值模拟和动力解释。
张旭教授，从事大洋环流，全球气候变化和海气冰多圈层相互作用等动力机理方面的数模研究，主要侧重千年气候事件、冰期-间冰期旋回等百年-轨道尺度气候变率等相关课题。现已在《Nature》，《Science》及其子刊发表文章10篇，其中第一/通讯作者的《Nature》文章2篇，《Nature Geoscience》文章1篇。
