作為地球氣候系統(tǒng)最大的熱儲庫,海洋吸收了90%以上人類活動造成的地球能量盈余。過去一個世紀以來,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熱儲存效率(全球平均海洋溫度變化與平均海表溫度變化之比),目前其觀測值僅為0.1左右。那么,在更長時間尺度上,海洋熱儲存效率能達到多少,其背后的物理機制又是什么呢?
古氣候記錄為這一問題提供了線索。南極冰芯和深海溫度記錄表明,末次盛冰期(約2萬年前)以來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(圖1B),即在末次冰消期萬年尺度上海洋熱儲存效率約等于1(圖1D)。這暗示海洋的熱儲存潛力遠大于目前觀測所得。但以往這些記錄僅代表海洋平均的情況,無法解析其增暖的三維結(jié)構(gòu),從而無法對海洋熱儲存機制進行深入探討。
針對此問題,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個底棲有孔蟲氧同位素記錄,結(jié)合先進的地球氣候瞬變模擬試驗iTRACE,對末次冰消期的海洋熱量變化進行了詳盡的觀測-模擬對比研究。研究首先復現(xiàn)了末次冰消期海洋熱儲存效率在萬年尺度上接近于1,在千年尺度事件如海因里希事件(發(fā)生在距今1.8-1.47萬年前)里大于1的觀測事實(圖1B-D)。

圖1 末次冰消期海洋溫度演變的觀測記錄與模擬結(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 ,底層的增暖最弱(圖2)。iTRACE不同氣候強迫因子的敏感性試驗表明,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)對應(yīng)于強烈的中層水通風區(qū),熱量得以通過潛沉過程不斷轉(zhuǎn)移到海洋內(nèi)部,顯著增強了海洋中層水的熱量儲存。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),進一步增強了海洋熱儲存效率。

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。
研究揭示了長時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存效率的物理機制,研究結(jié)果對理解過去(如冰期-間冰期旋回)及未來增暖下海洋的熱儲庫效應(yīng)具有重要意義。
上述研究成果近期發(fā)表于期刊《Science Advances》,中國科學院大氣物理研究所朱晨玉副研究員和美國俄勒岡州立大學Saray Sanchez博士生為論文共同第一作者,美國俄亥俄州立大學劉征宇教授和俄勒岡州立大學Peter U. Clark教授為論文共同通訊作者,來自中國海洋大學、嶗山實驗室、大氣所,美國邁阿密大學等國內(nèi)外多家單位的專家學者參與了該項研究。研究得到國家自然科學基金、嶗山實驗室、國家重大科技基礎(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