常言道“以史为鉴，可以知兴替”。“史”不仅仅是短暂的人类文明演化历史，更是漫长的地球自然变化史。 约270万年前，随着北半球大陆冰盖的逐渐发育，气候系统开始经历万年尺度为周期的冷暖交替，即我们熟知的冰期-间冰期气候旋回。20世纪初，南斯拉夫学者米兰柯维奇(1)指出，地球轨道引起的北半球太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因，该理论在1976年由J.D. Hays(2)等人通过分析分辨率和长时间尺度的深海岩芯证实，为进一步探索冰期气候的演变规律指明了方向。 地球轨道的变化由三个主要参数控制，即轨道偏心率（Eccentricity）、地轴倾角（Obliquity）和岁差（precession），其对应的周期分别为10万年和40万年、4.1万年、~2.1万年 （图一）。而气候系统对地球轨道变化的响应是非线性的，比如发生在冰期旋回中的千年尺度气候突变事件。该事件，又名Dansgaard-Oeschger（DO）事件，最早由W. Dansgaard和H. Oeschger等人于上世纪八十年代初(3, 4)在陵兰冰芯中发现、并于九十年代初(5)最终确认的一系列千年时间尺度的、冷暖快速交替的气候事件。 图一 地球轨道参数变化示意图：(a) 偏心率, (b) 倾角, (c)岁差 在DO事件中，北半球高纬度地区的年均温可在数十年内变化8-16℃。E. Corrick等人(6)在2020年的一篇记录与模型融合的论文中指出，DO事件对气候的影响具有全球同步性：在北半球高纬地区发生温度突变时，热带季风系统、南半球海温等也都同时做出相应的调整。有关其动力机理，W. Broecker(7)等人早在上世纪80年代就已指出，气候突变的主要原因与大西洋经向翻转环流（即Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的变化有关，这一观点在随后30多年的持续研究中得到普遍认可，但其触发机理存在多种推测：有学者提出，可能与海洋环流的内部变率有关，或是由冰盖或者海冰的消融所致，还有学者则认为大气CO2浓度和南半球西风带也起到积极的作用等，这些推测主要集中在地球系统的内部因素。 图二 大西洋经向翻转流示意图 地球轨道变化是否可以调制千年气候突变事件？ 早在1999年，J. McManus等人(8)在一篇记录方面的文章中提出了冰期放大（glacial amplification）的观点。 他通过研究北大西洋海洋沉积物发现，过去50万年的五个冰期旋回中，每当冰盖大小超过一定临界阈值时，会出现显著的千年尺度气候变化（图三）。中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心和中国科学院青藏高原研究所研究员、兰州大学教授张旭等人在2014(9)和2017(10)年的数值模拟的工作中，从机理角度系统地阐述了冰期放大的原因北半球冰量可通过调控中纬度西风带位置和强度，影响湾流强度和北大西洋的海冰输运，导致AMOC更易于受气候扰动（例如<20ppm的大气二氧化碳变化）的影响，触发气候突变。根据米氏理论，冰期旋回中气候背景的变化（例如冰量）与轨道驱动的北半球太阳辐射联系密切，这说明轨道变化可通过气候系统的内部反馈（例如冰量变化）调制气候突变事件的发生，即轨道对气候突变的间接调制。 图三 80万年以来冰期气候旋回背景下的千年事件强度分布图。阴影的深浅代表千年事件的强弱。纵坐标为底栖有孔虫氧同位素的集成记录（代表全球冰量和温度）；横坐标为南极冰芯的二氧化碳记录。 地球轨道变化是否可以直接触发千年事件？ 2010年，M. Siddall等人(11)通过研究南极冰芯温度记录发现，过去50万年冰期的千年气候变率强度与岁差周期（~2.1万年）有显著相关性，并远强于其与北大西洋融冰事件的相关性，由此他们认为，岁差变化可能调控突变事件的发生。2016年，西安交通大学程海等人(12)通过对60万年来的中国石笋氧同位素记录分析，发现北半球夏季太阳辐射量的变化与千年尺度气候事件在岁差和地轴倾角周期有显著相干性。但目前，对于有着万年以上变化周期的地球轨道变化，是否无需通过改变地球内部环境就可直接触发AMOC突变仍不清晰。造成这一局面的主要原因是，太阳辐射驱动的地球内部气候背景变化与千年气候事件是协同演变的，而记录本身作为气候演变的综合产物，并不能区分太阳辐射和气候背景各自对千年事件的影响。为了解决这一难题，一个由中国科学家主导的国际科研团队利用先进的复杂气候模型，系统地阐述了地球轨道变化驱动千年气候事件的动力机理。该题为“Direct astronomical influence on abrupt climate variability”的工作，已于11月1日在线发表在国际顶级地学期刊《Nature Geoscience》。 图四 80万年以来千年事件强度与轨道变化的相干波分析。右侧的21，40，100kyr分别代表岁差，倾角和偏心率周期。阴影深浅代表相干性强弱。 该论文的第一及通讯作者张旭等人选取末次冰期第5、6、7次千年事件（DO5，6，7）作为研究对象，开展数值模拟研究。 这是因为DO5-7发生的这段时期，全球冰量和温室气体并无显著的变化，可有效排除地球内环境变化对气候突变的调制。基于此，研究者们在开展过去4-3.2万年的气候瞬变模拟试验中，仅将地球轨道参数作为变化量，而其他所有的环境变量（例如冰量、温室气体等）均保持不变。试验中AMOC出现类似于DO事件的千年尺度震荡，相应的温度和降水变化也与重建记录有较好的一致性，在复杂气候模型中首次证实了地球轨道变化可直接驱动气候突变（图五）。 图五 模拟的千年气候事件。a-b 为试验中施加的气候强迫（地轴倾角和岁差），c为模拟的AMOC指数，d和e分别为AMOC突变所造成的全球年均温和降水的变化 。 研究人员又进一步采用轨道参数的单一强迫试验，即仅改变地轴倾角或离心率和岁差，定性不同轨道参数变化对气候突变的影响。研究发现，岁差的变化可通过影响北半球低纬地区的夏季太阳辐射，调节大气水汽从大西洋向太平洋的输送强度，进而调控北大西洋的海表盐度，引起大西洋经向翻转环流突变。同时，地轴倾角可通过影响北半球高纬地区的年平均太阳辐射变化，调控北大西洋深层水生成区的海水温度以及海冰面积，进而影响表层海水垂直混合的强度，引起这些突变（图六）。这一系列的数值模拟试验证实了单一轨道参数变化也可直接造成北大西洋海洋环流的突变，即轨道对气候突变的直接调制。 图六 地球岁差(a-c)和地轴倾角(d-f)变化引发的气候突变。a和d是试验中施加的岁差和倾角强迫，b和e为试验中的大西洋经向环流强度指数，c和f为轨道参数变化引起的气候响应。其中c中阴影为净降水，等值线为海表气压，矢量箭头为整层积分的水汽输送，f中阴影为海冰密集度，等值线为垂直混合层深度。 冰期旋回中，轨道直接与间接调制如何协同影响气候突变爆发？ 研究人员进一步开展了一系列气候敏感性试验，总结出一个用于阐述轨道双重调制的动力概念模型（图七）：在冰期旋回过程中，当气候背景类似于末次盛冰期（Last Glacial Maximum）或者末次间冰期暖期（Eemian）时，轨道变化无法触发气候突变，因为盛冰期的大冰盖和间冰期最暖期的高温室气体浓度导致AMOC的基本态（即不受外力扰动情况下的状态）较为稳定，对外力扰动的敏感性较低(9,10)。当气候背景进入到两者之间时，即当冰量和温室气体处在盛冰期和间冰期最暖期之间时，轨道变化可直接引起千年尺度的气候自震荡；自震荡可在某一特定的轨道参数范围内持续存在，直到轨道参数移出该特定的范围（这个特定范围可称为千年气候事件的“机会窗口”）；而与此同时，气候背景的变化，可改变“机会窗口”在轨道周期中出现的位置例如当北大西洋处于一个偏冷（暖）的冰期气候背景时，“机会窗口”可能出现在地轴倾角或地球岁差的高（低）值区。 图七 地球轨道对气候突变双重调制的动力概念模型。左、右图分别为地轴倾角和地球岁差对千年气候事件的调制模型。 在晚更新世之前（大约100万年以前），冰期旋回的周期约为4万年，与晚更新世的10万年周期有着显著不同，但两时期的轨道变化没有本质区别。根据该模型及现有古海洋记录推测，中早更新世的千年气候事件也同样受到轨道变化的调制，这得到了在《Nature Geoscience》同步上线的一篇题为“persistent orbital influence on millennial-scale climate variability through the pleistocene”古气候资料重建工作Sun et al. 2021(13)的验证，肯定了该动力概念模型的普适性，为系统地理解更新世冰期旋回中轨道调制气候突变的规律提供了参考。 通过这些研究，我们可以确定：更新世以来的千年尺度气候事件很可能一直受到地球轨道参数变化的双重调制。但轨道尺度气候变化（冰期旋回）和千年尺度气候突变如何协同影响更新世以来的气候演变，还需通过含冰盖动力过程的地球系统模型做进一步研究。科学家们通过对古气候现象背后机理的研究，尝试揭示不同时空尺度气候过程的协同作用对气候变化的影响，努力掌握气候演变的规律，不仅对于人类预测和应对未来气候突变有巨大而深远的意义，也有助于深化对“未来地球可持续性”和“人与自然生命共同体”的科学认知。 该工作得到国家自然科学基金“青藏高原地球系统”基础科学中心项目（41988101）和面上项目（42075047）的联合资助。 参考文献： 1. 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C. Corrick, R. N. Drysdale, J. C. Hellstrom, E. Capron, S. O. Rasmussen, X. Zhang, D. Fleitmann, I. Couchoud, E. Wolff, Synchronous timing of abrupt climate changes during the last glacial period. Science 369, 963969 (2020). 7. W. Broecker, D. peteet, D. Rind, Does the ocean-atmosphere system have more than one stable mode of operation? Nature. 315, 2126 (1985). 8. J. F. McManus, D. W. Oppo, J. L. Cullen, A 0.5-Million-year record of millennial-scale climate variability in the North Atlantic. Science 283, 971975 (1999). 9. X. Zhang, G. Lohmann, G. Knorr, C. purcell, Abrupt glacial climate shifts controlled by ice sheet changes. Nature. 512, 290294 (2014). 10. X. Zhang, G. Knorr, G. Lohmann, S. Barker, Abrupt North Atlantic circulation changes in response to gradual CO2 forcing in a glacial climate state. Nat. Geosci. 10, 518523 (2017). 11. M. Siddall, E. J. Rohling, T. Blunier, R. Spahni, patterns of millennial variability over the last 500 ka. Clim. past. 6, 295303 (2010). 12. H. 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