1.在人類活動並不成為威脅的地質曆史上

，氣候為什麼也會劇烈變化

？

常言道“以史為鑒，可以知興替”。“史”不僅僅是短暫的人類文明演化曆史，更是漫長的地球自然變化史。

經過多年的研究，科學家們發現，適合人類生存的溫暖氣候並不是一直存在的。約270萬年前，隨著北半球大陸冰蓋的逐漸發育
，氣候係統開始經曆萬年尺度為周期的冷暖交替
，即冰期-jianbingqiqihouxuanhui。zaimeicidebingqixuanhuizhong
，wennuanshirundeqihouhuanjingjinjinchixujiqiannian，ershengxiadejiwannianzhongdiqiujihuyizhichuzaiyigeyoudalubinggaicunzaidehanlengbingqi。

早在20世紀初，南斯拉夫學者米蘭·柯維奇就指出，地球軌道引起的北半球夏季太陽輻射變化是驅動冰期旋回的主因。地球軌道變化由三個主要參數控製，即軌道偏心率
、地軸傾角和歲差，其對應的周期分別為約10萬年和40萬年、4.1萬年


、2.1萬年。因此，若氣候變化存在與地球軌道相仿的周期信號
，則米氏理論可信，這最終由J.D.Hays等人於1976年通過分析髙分辨率和長時間尺度的深海岩芯證實，為進一步探索冰期氣候的演變規律指明了方向。

在冰期-間冰期氣候旋回背景下，氣候係統同時經曆著一係列的相對高頻的氣候波動。在20世紀80年代初，W.Dansgaard和H.Oeschger等人發現格陵蘭島冰芯中的氧同位素記錄了末次冰期一係列千年時間尺度、冷暖快速交替的氣候波動
，經後續近十年的研究，於20世紀90niandaizuizhongquerenlegaiqihoubodongshizhenshicunzaideqihoushijian
，yiweizheqihouxitongdeyanbianyouzhemingxiandefeixianxingguocheng
，zengjialewomenyucedangqianrenweieryanghuatanpaifangruheyingxiangqihoubianhuadenandu。weilejinianzheliangweikexuejiadegongxian，zhexieqiannianqihoushijianbeichengweiDansgaard-Oeschger（DO）事件。

在DO事件中，北半球高緯度地區的年均氣溫
，可在數十年內變化8-16℃。那麼地球的其他地區是如何響應的呢
？E.Corrick等人在2020年的一篇記錄與模型融合的論文中指出，DO事件並非隻是格陵蘭島的一個局地氣候現象
，而是一個具有全球同步性的氣候事件：在北半球高緯地區發生溫度突變的同時
，熱帶季風係統（南美季風，非洲季風和亞洲季風）、南大西洋的海溫等都同時做出相應的調整。

在氣候寒冷的冰期
，並沒有人類活動的影響
，那是什麼原因造成了這些劇烈的氣候突變呢

？W.Broecker等人在20世紀80年代就已指出，氣候突變的主要原因與大西洋經向環流的變化有關——daxiyangjingxianghuanliukeyixiedairedaihenanbanqiudereliangdaobeibanqiugaoweidudiqu，danggaihuanliufashengdafujianruohuotingzhishi，jiangdaozhijingxiangdereshusongdafuduxiajiang，yinqibeibanqiugaoweidudexianzhujiangwen；與此同時
，由於熱量的堆積，南半球則逐漸升溫——這一觀點在隨後30多年的持續研究中得到普遍認可。

那(na)麼(me)，是(shi)什(shen)麼(me)原(yuan)因(yin)導(dao)致(zhi)了(le)大(da)西(xi)洋(yang)經(jing)向(xiang)環(huan)流(liu)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)
？目(mu)前(qian)，科(ke)學(xue)家(jia)們(men)主(zhu)要(yao)認(ren)為(wei)是(shi)氣(qi)候(hou)係(xi)統(tong)的(de)內(nei)部(bu)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)的(de)。例(li)如(ru)有(you)學(xue)者(zhe)提(ti)出(chu)
，可(ke)能(neng)與(yu)海(hai)洋(yang)環(huan)流(liu)的(de)內(nei)部(bu)變(bian)率(lv)有(you)關(guan)，或(huo)是(shi)由(you)北(bei)半(ban)球(qiu)的(de)冰(bing)量(liang)或(huo)者(zhe)北(bei)大(da)西(xi)洋(yang)的(de)海(hai)冰(bing)的(de)消(xiao)融(rong)所(suo)致(zhi)；也有學者認為大氣二氧化碳濃度和南半球中緯度西風帶的變化也起到積極的作用。

2.軌道偏心率、地軸傾角和歲差，是否有可能引發氣候突變？

萬wan物wu生sheng長chang靠kao太tai陽yang，地di球qiu氣qi候hou變bian化hua亦yi是shi如ru此ci。當dang地di球qiu繞rao太tai陽yang運yun動dong軌gui道dao的de幾ji何he形xing狀zhuang發fa生sheng變bian化hua時shi，地di球qiu表biao麵mian所suo接jie受shou到dao的de來lai自zi太tai陽yang的de輻fu射she能neng量liang也ye隨sui之zhi發fa生sheng改gai變bian

，進jin而er造zao成cheng地di球qiu上shang氣qi候hou發fa生sheng相xiang應ying的de變bian化hua

，例li如ru前qian文wen提ti到dao的de冰bing期qi-間冰期氣候旋回。

早在1999年
，J.McManus等人就在一篇記錄方麵的文章中提出了冰期放大的觀點。他通過研究北大西洋沉積物中浮冰碎屑含量變化發現
，過去50萬年的五個冰期旋回中
，每當北半球冰量超過一定臨界閾值時，會出現顯著的千年尺度氣候突變事件。

中國科學院青藏高原研究所的科學家領導的研究團隊在2014和2017年的數值模擬工作中，從動力機製角度係統地闡述了冰期放大的原因——北bei半ban球qiu冰bing蓋gai高gao度du變bian化hua可ke控kong製zhi中zhong緯wei度du西xi風feng帶dai的de位wei置zhi和he強qiang度du，進jin而er影ying響xiang北bei大da西xi洋yang灣wan流liu強qiang度du和he南nan拉la布bu拉la多duo海hai的de海hai冰bing輸shu運yun，導dao致zhi大da西xi洋yang經jing向xiang環huan流liu更geng易yi受shou氣qi候hou擾rao動dong（例如

根據米氏理論，冰期旋回中氣候背景的變化（例如冰量）與軌道驅動的北半球夏季太陽輻射聯係密切
，這說明軌道變化可通過氣候係統的內部反饋（例如冰量變化）調製氣候突變事件的發生，即地球軌道對氣候突變的間接調製。簡單地說，地球軌道的改變引起了地球冰蓋、特別是北半球冰蓋大小的變化，其通過與其他係統（例如海洋-大氣係統）的相互作用，進而影響大西洋經向環流對氣候擾動的敏感性
，最終導致氣候突變在冰期的頻發。

前麵說過，地球軌道的變化由軌道偏心率、地軸傾角和歲差三個主要參數控製。那麼，哪個因素比較重要呢？

2010年，M.Siddall等人通過研究南極冰芯溫度記錄發現，過去50萬年冰期的千年氣候變率強度與歲差周期（約2.1萬年）有顯著相關性
，並遠強於其與北大西洋融冰事件的相關性
，由此他們認為，歲差變化可能調控氣候突變事件的發生。2016年，西安交通大學程海等人通過對60萬年來的中國石筍氧同位素記錄分析，發現北半球夏季太陽輻射量的變化與千年尺度氣候事件在歲差和地軸傾角周期有顯著相幹性。

這(zhe)些(xie)研(yan)究(jiu)將(jiang)這(zhe)一(yi)領(ling)域(yu)縱(zong)深(shen)推(tui)進(jin)，但(dan)對(dui)於(yu)有(you)著(zhe)萬(wan)年(nian)以(yi)上(shang)變(bian)化(hua)周(zhou)期(qi)的(de)地(di)球(qiu)軌(gui)道(dao)變(bian)化(hua)，是(shi)否(fou)無(wu)須(xu)通(tong)過(guo)改(gai)變(bian)地(di)球(qiu)內(nei)部(bu)環(huan)境(jing)就(jiu)可(ke)直(zhi)接(jie)觸(chu)發(fa)千(qian)年(nian)時(shi)間(jian)尺(chi)度(du)的(de)大(da)西(xi)洋(yang)環(huan)流(liu)的(de)驟(zhou)變(bian)

？

科(ke)學(xue)家(jia)們(men)對(dui)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)仍(reng)不(bu)清(qing)楚(chu)。造(zao)成(cheng)這(zhe)一(yi)局(ju)麵(mian)的(de)主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)是(shi)，太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)驅(qu)動(dong)的(de)地(di)球(qiu)內(nei)部(bu)氣(qi)候(hou)背(bei)景(jing)變(bian)化(hua)與(yu)千(qian)年(nian)尺(chi)度(du)氣(qi)候(hou)事(shi)件(jian)一(yi)直(zhi)是(shi)協(xie)同(tong)演(yan)變(bian)的(de)，共(gong)同(tong)塑(su)造(zao)了(le)過(guo)去(qu)幾(ji)百(bai)萬(wan)年(nian)來(lai)的(de)氣(qi)候(hou)演(yan)變(bian)特(te)征(zheng)。而(er)古(gu)氣(qi)候(hou)重(zhong)建(jian)記(ji)錄(lu)本(ben)身(shen)作(zuo)為(wei)氣(qi)候(hou)演(yan)變(bian)的(de)綜(zong)合(he)產(chan)物(wu)，並(bing)不(bu)能(neng)用(yong)於(yu)區(qu)分(fen)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)和(he)氣(qi)候(hou)背(bei)景(jing)變(bian)化(hua)兩(liang)者(zhe)各(ge)自(zi)對(dui)千(qian)年(nian)事(shi)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，我(wo)們(men)並(bing)不(bu)清(qing)楚(chu)氣(qi)候(hou)突(tu)變(bian)究(jiu)竟(jing)是(shi)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)變(bian)化(hua)導(dao)致(zhi)的(de)
，還(hai)是(shi)由(you)軌(gui)道(dao)驅(qu)動(dong)的(de)氣(qi)候(hou)內(nei)部(bu)變(bian)化(hua)引(yin)起(qi)的(de)，兩(liang)者(zhe)在(zai)這(zhe)一(yi)係(xi)列(lie)千(qian)年(nian)事(shi)件(jian)中(zhong)各(ge)自(zi)的(de)貢(gong)獻(xian)尚(shang)不(bu)清(qing)楚(chu)。

3.新動力模型——地球軌道變化對氣候突變有雙重調製作用

為wei了le解jie決jue上shang述shu難nan題ti
，以yi中zhong國guo科ke學xue院yuan青qing藏zang高gao原yuan研yan究jiu所suo的de科ke學xue家jia領ling導dao的de科ke研yan團tuan隊dui
，利li用yong先xian進jin的de複fu雜za氣qi候hou模mo型xing，係xi統tong地di闡chan述shu了le地di球qiu軌gui道dao變bian化hua直zhi接jie驅qu動dong千qian年nian氣qi候hou事shi件jian的de動dong力li機ji理li。這zhe篇pian論lun文wen已yi在zai線xian發fa表biao於yu國guo際ji地di學xue期qi刊kan《自然·地球科學》。

團隊選取末次冰期第5、6、7次千年事件（過去四萬到三萬兩千年之間）作zuo為wei研yan究jiu對dui象xiang，開kai展zhan數shu值zhi模mo擬ni研yan究jiu。這zhe是shi因yin為wei這zhe些xie突tu變bian發fa生sheng的de時shi期qi
，全quan球qiu冰bing量liang和he溫wen室shi氣qi體ti並bing無wu顯xian著zhu的de變bian化hua，可ke有you效xiao排pai除chu地di球qiu內nei環huan境jing變bian化hua對dui氣qi候hou突tu變bian的de調tiao製zhi。

基於此
，研究者們在開展這段時期的氣候瞬變模擬試驗時，僅將地球軌道參數的變化作為氣候試驗的強迫因素
，而其他所有的環境變量（例如冰量、溫室氣體等）junbaochibubian。gaishiyanshejideyoushishikezhijiezhenduanguidaobianhuaduidayanghuanliudezhijieyingxiang。shiyanzhong
，daxiyangjingxianghuanliuchuxianleisiyuguqihouzhongjianziliaozhongdeqiannianchiduzhendang
，qisuoyinqidequanqiuwenduhejiangshuibianhuayeyuzhongjianjiluyoujiaohaodeyizhixing，zaifuzaqihoumoxingzhongshoucizhengshilediqiuguidaobianhuakezhijiequdongqihoutubian。

研究人員又進一步采用軌道參數的單一強迫試驗，即僅改變地軸傾角或離心率和歲差，定性不同軌道參數變化對氣候突變的影響。

研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)，歲(sui)差(cha)的(de)變(bian)化(hua)可(ke)通(tong)過(guo)影(ying)響(xiang)北(bei)半(ban)球(qiu)低(di)緯(wei)地(di)區(qu)的(de)夏(xia)季(ji)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)量(liang)，調(tiao)節(jie)大(da)氣(qi)水(shui)汽(qi)從(cong)大(da)西(xi)洋(yang)向(xiang)太(tai)平(ping)洋(yang)的(de)輸(shu)送(song)強(qiang)度(du)，進(jin)而(er)調(tiao)控(kong)北(bei)大(da)西(xi)洋(yang)的(de)海(hai)表(biao)鹽(yan)度(du)。大(da)西(xi)洋(yang)海(hai)表(biao)鹽(yan)度(du)的(de)變(bian)化(hua)通(tong)過(guo)影(ying)響(xiang)北(bei)大(da)西(xi)洋(yang)深(shen)層(ceng)水(shui)生(sheng)成(cheng)的(de)強(qiang)度(du)，觸(chu)發(fa)大(da)西(xi)洋(yang)經(jing)向(xiang)環(huan)流(liu)的(de)突(tu)變(bian)。同(tong)時(shi)，地(di)軸(zhou)傾(qing)角(jiao)可(ke)通(tong)過(guo)影(ying)響(xiang)北(bei)半(ban)球(qiu)高(gao)緯(wei)地(di)區(qu)的(de)年(nian)平(ping)均(jun)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)變(bian)化(hua)，調(tiao)控(kong)北(bei)大(da)西(xi)洋(yang)深(shen)層(ceng)水(shui)生(sheng)成(cheng)區(qu)的(de)海(hai)水(shui)溫(wen)度(du)以(yi)及(ji)海(hai)冰(bing)麵(mian)積(ji)
，進(jin)而(er)影(ying)響(xiang)表(biao)層(ceng)海(hai)水(shui)垂(chui)直(zhi)混(hun)合(he)的(de)強(qiang)度(du)，引(yin)起(qi)這(zhe)些(xie)突(tu)變(bian)。

這一係列的數值模擬試驗證實了在寒冷的冰期單一軌道參數變化也可直接造成北大西洋海洋環流的突變—即地球軌道的變化不僅可以通過影響冰蓋大小等方式間接調控氣候突變的發生，也可通過影響海洋-大氣係統直接觸發氣候突變。

科學家們並未止步於此。tamenjinyibukaizhanlejiyubutongqihoubeijingxiadeguidaocanshuminganxingshiyan，yiciliqingbingqixuanhuizhongdiqiuguidaodezhezhongzhijieyujianjietiaozhiruhexietongyingxiangqiannianqihoushijiandefasheng
，bingzongjiechuyigechanshuguidaoshuangzhongtiaozhidedongligainianmoxing：

在zai冰bing期qi旋xuan回hui過guo程cheng中zhong
，當dang氣qi候hou背bei景jing類lei似si於yu末mo次ci盛sheng冰bing期qi或huo者zhe末mo次ci間jian冰bing期qi暖nuan期qi時shi，地di球qiu軌gui道dao的de變bian化hua無wu法fa直zhi接jie觸chu發fa氣qi候hou突tu變bian，因yin為wei盛sheng冰bing期qi北bei半ban球qiu的de大da冰bing蓋gai和he間jian冰bing期qi最zui暖nuan期qi的de高gao溫wen室shi氣qi體ti濃nong度du導dao致zhi大da西xi洋yang經jing向xiang環huan流liu的de基ji本ben態tai（即不受外力擾動情況下的狀態）較為穩定，對外力擾動的敏感性較低。

而(er)當(dang)氣(qi)候(hou)背(bei)景(jing)進(jin)入(ru)到(dao)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)時(shi)，即(ji)當(dang)冰(bing)量(liang)和(he)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)處(chu)在(zai)盛(sheng)冰(bing)期(qi)和(he)間(jian)冰(bing)期(qi)最(zui)暖(nuan)期(qi)之(zhi)間(jian)的(de)中(zhong)間(jian)位(wei)置(zhi)時(shi)，軌(gui)道(dao)變(bian)化(hua)可(ke)直(zhi)接(jie)引(yin)起(qi)千(qian)年(nian)尺(chi)度(du)的(de)氣(qi)候(hou)自(zi)震(zhen)蕩(dang)；自震蕩可在某一特定的軌道參數範圍內持續存在
，直到軌道參數移出該特定的範圍（這個特定範圍可稱為千年氣候事件的“機會窗口”）；而與此同時，地球內部氣候背景的變化（例如全球冰量和大氣二氧化碳濃度），可改變“機會窗口”在軌道周期中出現的位置——當北大西洋處於一個偏冷（暖）的冰期氣候背景時，“機會窗口”可能出現在地軸傾角或地球歲差的高（低）值區。

通過這些研究
，我們可以確定：自過去270萬wan年nian以yi來lai
，更geng新xin世shi所suo發fa生sheng的de千qian年nian氣qi候hou事shi件jian很hen可ke能neng是shi地di球qiu軌gui道dao變bian化hua雙shuang重zhong調tiao製zhi的de結jie果guo。當dang然ran，該gai研yan究jiu領ling域yu依yi然ran還hai有you深shen入ru研yan究jiu的de空kong間jian
，例li如ru，軌gui道dao尺chi度du氣qi候hou變bian化hua（冰期旋回）和千年尺度氣候突變如何協同作用塑造了古氣候資料重建中所記錄的更新世以來的氣候演變
，還需通過更為先進的地球係統模型（例如含冰蓋動力過程）做進一步研究。

探tan尋xun過guo去qu氣qi候hou變bian化hua的de原yuan因yin，嚐chang試shi揭jie示shi不bu同tong時shi空kong尺chi度du氣qi候hou過guo程cheng的de協xie同tong作zuo用yong對dui氣qi候hou變bian化hua的de影ying響xiang，並bing不bu僅jin因yin為wei好hao奇qi。以yi史shi為wei鑒jian，以yi知zhi興xing替ti。隻zhi有you努nu力li掌zhang握wo氣qi候hou演yan變bian的de規gui律lv，才cai能neng更geng好hao地di預yu測ce和he應ying對dui未wei來lai的de氣qi候hou變bian化hua，指zhi引yin人ren類lei可ke持chi續xu發fa展zhan的de方fang向xiang。

（作者：張旭，係中國科學院青藏高原研究所研究員；劉曉倩，係該所工程師）