古生代大洋环流演变及其对现代的启示-北京大学海洋研究院

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]以下文章来源于ScienceAAAS ，作者胡永云团队
   [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]“大陆演化与季风系统演变”基础科学中心骨干胡永云教授团队对古生代（5.4-2.5亿年前）全球海洋经向翻转环流的演变及其主控因子进行了系统数值模拟研究，该研究成果近期发表于开放获取期刊  Science Advances   [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]。      
     
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* |* G4 h$ M2 `( [7 W2 n    海洋经向翻转环流（MOC, meridional overturning circulation）指的是大洋经向和垂直方向的闭合环流，海洋经向翻转环流对全球气候有重要影响。就现代海陆分布而言      （图1A）      ，MOC主要存在于大西洋。大西洋上层高温高盐的海水向北运动，在北大西洋下沉，从深海流回南半球，在南大洋上升，构成AMOC（图1B）。在地质历史时期，诸多气候事件是与AMOC的变化联系在一起的，比如D-O事件、新仙女木事件等。      
     
     

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  图1：现代和4亿年前的海陆分布、全球海洋经向翻转流和纬向平均风应力。上排：现代，下排：4亿年前。在B和E中，红黄色表示顺时针运动，蓝色表示逆时针运动。
   
  G# W# m: T) ~7 Y3 l- I     古生代指的是5.41-2.5亿年前这一时期。在古生代早期，大陆主要散布在南半球中高纬度（图1D），后来逐渐聚合，并向北半球移动，在2.5亿年前后形成纵贯南北极的潘吉亚超大陆。古生代海陆分布与现代的差异如此之大，其GMOC的形态和强度与现代的有何差异？随着古生代大陆演化，GMOC如何演变？什么因素主导了GMOC演变？这些是该项研究所关注的科学问题。     
/ L- G9 ^; S8 v+ v; s* u0 @# W     使用海气耦合气候模式（CESM1.2.2），该团队开展了两套模拟试验，第一套试验重建了古生代气候演化（Group I）。第二套试验固定温室气体浓度与太阳常数不变（Group II），仅海陆分布变化。     
0 H' `1 Z- C/ m2 E" `5 k     结果表明，古生代GMOC在南半球下沉，北半球上升，与现代的方向相反（图1E）。分析发现，海陆分布导致的两个半球之间风应力的差异决定了古生代GMOC的方向和强度。在古生代早期，大陆主要在南半球，北半球几乎全部是海洋。北半球开阔的洋面有利于西风驱动绕北极洋流（类似现代的南极绕极流），从而产生很强的埃克曼上翻。对比图1C和1F可以看出，古生代风应力最大值在北半球中纬度，而现代的在南半球。相对来讲，半球间密度的作用弱得多。     

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7 i: A7 Y) E* ^6 y  图2：GMOC强度和风应力演变。实线和虚线分别是Group I和Group II的结果。红线表示GMOC强度，蓝线表示北半球中纬度（30°N~60°N）纬向平均风应力。图片左上角标出了两组试验中GMOC强度与风应力的相关系数。
   
     图2表明古生代GMOC演变和风应力密切相关，相关系数高达0.85。随着大陆逐渐移动到北半球，北半球地表粗糙度增加，阻力加强，西风减弱，埃克曼抽吸减弱，GMOC也相应地减弱。对比两组试验结果表明，在构造时间尺度上，温度变化（CO2浓度）对GMOC几乎没有影响，因为两组试验中的GMOC强度和风应力的差异很小。     
     从图2可以看出，GMOC与风应力的相关性在420 - 350 Ma这个时段相对较弱，这与海陆分布有关。在该时期，赤道附近没有陆地，热带东风驱动强的自东向西的赤道贯穿流，在科里奥利力的作用下，海水向北运动。与此同时，北半球中纬度西风驱动的海水向南流动，在10°N-30°N形成海水堆积，造成海表高度异常高（图3中的棕色区域），产生南北半球间压力差。该压力差导致上层海水从北半球向南半球流动，加强了风应力驱动的GMOC。该发现丰富了对于MOC驱动机制的认知。     
   

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9 q6 C- y3 e) C8 R3 ~2 t   图3：海表高度差增强GMOC方向和强度示意图。白色箭头表示风驱动的表层海水运动方向。     
     该项研究为我们理解现代大洋环流提供了重要的启示。早期关于AMOC的研究认为，北大西洋高盐度海水下沉是AMOC的驱动力。近期研究表明，南大洋西风驱动的埃克曼上翻也是AMOC的重要驱动力。因此，这里的古生代研究进一步表明了风应力是驱动大洋翻转流的重要因素。该研究还发现，海表面高度差也是驱动大洋环流的重要因素，这一发现是过去的研究中未曾注意到的。     
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" a: [- |  X/ ^$ }                                  博士生袁帅和刘永岗教授为论文的共同第一作者，胡永云教授为通讯作者。该项研究由国家自然科学基金（42488201、42225606）共同资助完成。         
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全文链接：www.52ocean.cn  

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袁帅，北京大学物理学院大气与海洋科学系博士生，研究方向为古气候模拟、物理海洋学。

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刘永岗，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者，主要从事古气候模拟和物理海洋学方面的研究。

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胡永云，北京大学博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者，美国气象学会会士，从事现代气候变化、深时气候演化、行星气候和宜居性研究。

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本文由论文作者团队供稿，文中观点仅为作者团队观点，不代表Science/AAAS立场。