气候模型如何说明和解释冰河时代的气候变化

尽管人类对当前全球气候变暖负有责任，但我们的星球一直在经历自然气候波动。这种变化的可能驱动机制是太阳亮度的变化或火山喷发，还有大气/海洋/海冰系统内的相互作用。

这种振荡的持续时间(也称为可变性)可能变化很大。这种气候变化在气候研究中尤为重要，特别是对于进一步提高我们对当前人为气候变化影响的理解。然而，除了少数例外，长期以来，人们对持续几个世纪的气候波动缺乏明确的认识。

马蒂亚斯·普兰奇 (Matthias Prange) 博士是 MARUM 和地球科学系的地球系统建模师，也是《科学进展》上发表的一项新研究的第一作者，他解释说：“数百年时间尺度的自然气候变化尚不清楚。首先，有没有覆盖如此长时间段的观测时间序列。另一方面，只有少数具有足够分辨率的代理数据记录可以在这个时间尺度上阐明这一点。

“还有一个问题是，迄今为止的气候模型很难描述 100 到 1000 年时间尺度的自然气候变化。”

冰川高峰期的自然气候变化强四倍

然而，这些模型近年来不断改进，与 Prange 合作的科学家现在已经能够使用经过充分测试的气候模型来仔细研究 100 至 1000 年时间尺度上的自然气候变化。最后一个冰期高峰期。

来自冰和海底岩芯的现有古数据表明，自然气候变率在 23,000 至 19,000 年期间加剧，全球范围内的气候变率比现在的全新世强四倍。这在北大西洋尤为突出。

普兰奇说：“我们现在拥有可以描述自然气候变异性变化的气候模型，这一事实反映了气候模型的巨大进步，并展示了模型令人印象深刻的能力。”

寻找内强迫因素

没有证据表明外部强迫导致了数百年的气候变化。在寻找其他原因的过程中，科学家们将注意力转向了可能的内部机制。“我们使用了著名的社区地球系统模型，简称CESM1.2，该模型也被政府间气候变化专门委员会用于预测，并为其提供了上一个冰河时代的边界条件，”普兰奇说。“我们输入温室气体浓度水平、大陆冰分布范围以及当时的特征轨道参数。”

当冰河时代达到顶峰和最明显时，科学家们能够检测到北大西洋持续数百年的自发振荡，并伴随着大西洋经向翻转环流(AMOC)的波动。AMOC先强后弱的一个周期大约持续400年。这涉及将低盐度水从南大西洋运输到北大西洋。

一路上它的盐度变得更低，因此海水变得更轻，并且不会有效地沉入北大西洋深处。因此，深水的生产及其向南大西洋的运输变得较弱。

这个循环过程是自我维持的，因为 AMOC 的减弱导致从南大西洋再次向北输送的低盐度水减少。因此，北大西洋的盐度可能会再次增加，从而产生更多的深水。

正如普兰奇解释的那样，“这些过程表明，数百年来的气候变化与水柱中盐度和温度的差异密切相关。” 尽管变化的幅度很小，但对北大西洋海冰的范围和格陵兰岛的气温有明显的影响。“由于 AMOC 振荡，那里的年平均气温变化约 4°C”，Prange 总结道。

高分辨率古数据

为了支持模型的这些发现，科学家们调查了该时期的海面温度。“为此，我们汇编并分析了北大西洋海洋沉积物的所有高分辨率重建数据，”该研究的合著者、马鲁姆大学的微型古生物学家卢卡斯·琼克斯博士说。“这里的高分辨率意味着一系列数据点的平均间隔不超过 200 年，且单个步长不超过 1000 年。”

研究的古档案提供了末次盛冰期期间地表水域每 150 至 1,000 年出现一次温度振荡的证据，这与模拟的具有内强迫机制的数百年气候变化相一致。

最近的研究结果强调了详细研究和理解气候系统反馈过程的重要性。普兰奇强调需要更深入地了解不同时间尺度的气候变化，因为这可能会对未来的气候变化产生影响，从而给社会带来意想不到的和不良的意外。这些发现也被纳入位于 MARUM 的“海底——地球未知界面”卓越集群的工作中。