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轻松读懂海洋(6)复杂的海陆空耦合 精选

已有 5993 次阅读 2021-12-11 17:52 |系统分类:科普集锦

了解气候系统的运作,涉及海陆空三位一体的耦合关系,这是气候模型研究的常规操作。但是,在短尺度研究和长尺度研究中,物理海洋学家和古海洋学家还存在很大的知识体系和科学概念障碍。这是因为,时间尺度越短,涉及的因素越多,越复杂。时间尺度越长,越会掩盖住很多因素,产生积分效应。比如,春夏秋冬这种年季变化,在古海洋学中就很难涉及,因为被平均掉了。即使是厄尔尼诺这种几年-几十年尺度的现象,也只不过是太平洋区的东西向能量震荡,在千年尺度上也类似于平均状态,很难去研究。充其量会出现“类厄尔尼诺”现象这种说法。有的科学家支持,有的科学家并不喜欢这类词语。

温盐环流也是这样。在长尺度上,我们发现一部分大西洋的水慢慢跑到太平洋,然后翻转上来,再跑回大西洋。但是,真实观测中,很难看到这种现象。以至于温盐环流这个概念本身也遭到了一定的挑战,逐步被子午向翻转流所代替。当然,其中还有一个原因,科学家发现,风的吹动作用对大洋环流一直起重要作用,并不是温度和盐度本身就百分百能驱动全球的温盐环流。

关于大气,在长尺度上的运作机制相对简单,主要是CO2、甲烷、水汽等温室气体效应。在年季和几十年尺度的短尺度研究上需要探讨大气环流的变化。此外,在区域性季风研究上,不同的水汽来源就很重要。比如,关于亚洲夏季风的水汽来源就会涉及印度洋水汽和太平洋水汽,二者的d18O值区别很大。太平洋水汽比较近,如果它占主导,d18O值就会偏正。而印度洋水汽偏远,随着路径增加,会逐渐偏负。印度洋水汽可以从两个不同路径到达东亚,一条是从云南地区,一条是转折到南海,再登陆。显然前者的路径较短,其d18O值相对南海的水汽d18O值要偏正。

在中国不同地区又很多溶洞,内部的石笋是记录水汽变化的良好介质。科学家经常用石笋的d18O值来追踪水汽变化,但是发现不同区域的石笋记录的d18O值变化很大,究其原因,与上面的因素有一定关系。当然,在长时间尺度上,如果水汽从源区的d18O值就有变化,也会造成在石笋区的记录变化。如果在中国东部地区,既有可能受到印度洋水汽和太平洋水汽的共同影响,二者的耦合关系会使得记录解释变得更加复杂。

陆地上的过程就复杂一些,包括两极的冰盖演化、植物分布、硅酸盐风化等等。海洋里的过程就更加复杂,涉及到生物、溶解度、温度、不同水团之间的相互作用、海面浮冰的分布等等。基本上,这些因素牵一发而动全身。但是,在不同的气候模式下,这些因素起到的作用权重并不相同。

我们先看最简单的大气CO2浓度和海洋温度的关系。前人研究表明,二者存在着显著的相关关系。当二者达到平衡后,假设我们让大气中的CO2浓度增加一些,由于温室效应,全球温度增加,海洋的温度随之增加,其CO2的溶解度减小,海洋中溶解的CO2会更多地释放到大气中,形成正反馈。如果这个过程像原子弹一样的链式反应,那很小的大气CO2浓度增加就可能造成严重的全球升温后果。实际上,这不会存在。还有很多过程对这种反馈加以限制。比如,大气中CO2含量增加,就会有从大气向海洋输入CO2的趋势。所以,最终必须达到新的平衡。

如果我们让海洋的温度增加一点,其结果会让海洋中的CO2向大气释放,提升温室气体效应,全球会升温,进而会让海洋温度增加。最终,海洋升温和大气CO2浓度增加达到新的平衡。

实际的气候系统肯定要比这复杂,海陆空三方面都会涉及,但确实会有侧重。比如,在末次盛冰期LGM时,陆地上高纬冰盖发育,当冰消期来临时,随着温度快速升高,冰盖快速融化,大气CO2变化可能占据主导过程,而海洋温度及CO2溶解度变化导致的CO2贡献就会相对偏小一些。这就需要其他的过程促进海洋中的CO2与大气交换,比如之前说的海底通风加强。与之对比,如果我们考察海洋氧同位素3阶(MIS3),情形就会不同。MIS3时期,全球温度升温适中,冰盖演化不那么显著,于是海洋CO2溶解调控过程就变得更加敏感。

由于AABWCDW的形成,南极洲地区的南大洋就变得较为重要。当全球温度降低时,南极洲外围的冬天海冰发育,夏天海水分层作用加强,同时生物泵作用也加强,更多的CO2会封存于海底。NADW在冷期时减弱,于是,冷的AABW会更容易向北移动,占领NADW先前的区域,这使得整个大洋的平均温度降低。在太平洋地区,科学家已经发现北太平洋地区的深海温度和南极洲的温度可一一对此。这也是AABW直接北上,链接了南太平洋和北太平洋所致。

除了南大洋,赤道附近的印度-太平洋暖池区的作用也很重要。如果赤道附近没有陆地阻拦,就会像绕南极环流一样,形成一个完整的从东向西的绕赤道环流。但是由于南亚的阻挡,热水和热量在西太平洋赤道地区聚集,形成一个暖池(Warm pool)。这对于该区的水气蒸发起到决定性作用,进而对全球气候产生重要影响,在年季和几十年尺度上气候变化上的作用尤其明显。在间冰期,该区的温度可以上升3.5-4°,与南极洲温度变化同步,但是比北半球冰盖消亡要早。这强烈暗示,暖池在千年和轨道周期尺度上的作用也不容忽视,可能起到了驱动作用。

在西太平洋区,Walker环流会在东西向移动,造成太平洋东西两边的热量再分配,产生厄尔尼诺和拉齐娜现象。此外,暖池区与西北太平洋的副热带高压也会产生纬向上的耦合关系。这一关系最近被越来越多的科学家重视。

这里涉及到一个更为核心的问题,在气候的长尺度变化上,南大洋和赤道暖池区,到底谁更占主导?是低纬驱动北半球高纬度?还是南半球驱动北半球? 如果是后者,则暖池区只是一个中转站。

南北两半球的陆地分布面积不同,热量分布也不均匀。我们会发现,在大西洋热盐环流减弱时,南半球流向北半球的热量减少,于是在南半球的热量反而会增加。这就形成了南北半球的跷跷板现象(Bipolar Seesaw)。南北半球的温度差加强,进一步增加了跨越赤道流的强度。南半球温度增加,使得AABWCDW的温度也增加,这会使得深层海水的温度整体增加。所以,在全球变暖的时候,深海也不能独善其身。反过来,在冰期时期,南半球变冷,AABECDW也变冷,这会使得深海冷却,从而可以吸收更多的CO2

在间冰期,我们发现会存在很多次的快速增温事件,叫做D-O旋回。这些事件发生得很快速,持续几百到几千年。在这种相对短的气候事件中,只靠大西洋冰盖裂解不能完全解释。我们把目光在放开一点,北欧陆地上的冰盖的作用也不容忽视。于是,在暖期,这些陆地上冰盖大幅度减少,很自然地,气候也就变得更加稳定。

在大西洋,其边界条件贯穿南北,热量传输也非常充分,所以,大西洋区造成的气候事件相对快速。但是,绕南极环流几乎处于同一维度,南大洋在响应与反馈全球气候的时候,其周期就比较长。所以,要想寻找10-40年等长周期的气候机制,需要从南大洋的过程找起。在这一尺度上,北半球的气候特征,包括赤道区,也会随之改变,我觉得赤道和北半球在长尺度上处于被动过程。

北太平洋地区宽广,在海陆之间,容易形成复杂的耦合体系。比如,在冷期,阿留申低压加强,西风带增强,通过太平洋西边界流,大量热量被传输到高纬地区。但是,同时,东亚高纬大陆的顺时针气旋也加强,这个气旋带来的大气冷而干燥,当吹过鄂霍次克海和西白令海时,使得该区海域的表层盐度增强,减弱了盐度分层效应,更容易形成太平洋中层水。这些冷空气进一步吹过西北太平洋时,会使得该区的温度降低。于是,就会出现一个复杂现象,在该区到底是受到低纬传输来的影响,还是西伯利亚冷风谁来的的影响?这个还真不得而知,需要具体问题具体分析。不过,该区肯定是研究这两个气候因素相互耦合关系的良好区域。




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