基于米氏理論的全球日射量變化與全球氣候關(guān)系研究

基于米氏理論的全球日射量變化與全球氣候關(guān)系研究

1積極應(yīng)對米氏理論的溫度挑戰(zhàn)在漫長的地質(zhì)斜史中，不同時期和時期的氣候特征及其強大的力是不同的。但是,除了在地球演化的早期階段,來自地球內(nèi)部的熱量和物質(zhì)釋放以及大陸板塊運動等曾起過重要作用外,來自太陽的輻射強迫始終起著重要作用。冰芯、深海巖芯以及黃土沉積等古氣候記錄表明,在人類出現(xiàn)并發(fā)展的第四紀(jì)(過去240萬年左右),地球氣候幾乎總是處于變動的狀態(tài)中。記錄還表明,第四紀(jì)晚期(過去70萬年)的氣候,具有以2~10萬年為周期的一系列冰期—間冰期旋回變化特征,其周期與地球軌道偏心率(周期為10萬年)、黃赤交角(周期為4.1萬年)以及歲差(周期為1.9~2.3萬年)的周期相關(guān)。在這一時期,除了偶爾的火山(包括海底火山)爆發(fā)可以將地球內(nèi)部的熱量和物質(zhì)輸入大氣之外,來自太陽的輻射能幾乎成為驅(qū)動地—氣系統(tǒng)這部熱機的唯一能源。與此同時,人類在很早以前就已經(jīng)知道,到達地氣系統(tǒng)的太陽輻射能是受地球繞日公轉(zhuǎn)軌道影響的。所以,將天文學(xué)與地球氣候聯(lián)系起來是很自然的。其中,塞爾維亞天文學(xué)家米盧廷—米蘭科維奇(MilutinMilankovitch),在20世紀(jì)40年代提出的、被后人稱為“米氏理論”的假說,是發(fā)展比較成熟并得到較普遍認(rèn)同的氣候變化天文理論。但是,在米氏理論提出的最初階段,它并未得到普遍認(rèn)同,甚至還受到不同程度的批判。存在爭議的主要原因在于,接受米氏理論需要解決兩個難點:首先,使地球氣候發(fā)生變化的關(guān)鍵日射量是什么?事實上,這一問題的答案一直是不確定的;其次,地質(zhì)定年上存在很大的不確定性,而精確的地質(zhì)定年卻是驗證軌道理論的關(guān)鍵所在。直到20世紀(jì)60年代末,特別是70年代初,隨著更多地質(zhì)資料的獲得、定年方法的改進以及天文和氣候模式的發(fā)展,米氏理論才被再度提起,人們逐漸開始接受這一氣候變化的天文理論,但仍然充滿著爭議。實際上,米氏理論之所以能逐漸被接受,主要歸功于可用來研究古氣候變化的地質(zhì)資料的獲得,其中包括深海巖芯、珊瑚礁、花粉、樹木年輪、冰芯等。20世紀(jì)60年代,在巴巴多斯島、夏威夷和新幾內(nèi)亞進行的珊瑚礁研究表明,在距今約8萬年、10.5萬年和12.5萬年時期,冰原尺寸縮小,海平面上升到較高水平,且存在一個2.0~2.5萬年的周期,這與米蘭科維奇計算的冰川曲線結(jié)果一致。另外,Emilinani從深海巖芯得到的主要反映冰原尺寸變化的氧同位素記錄也提供了此類信息。CLIMAP(Climate:Long-rangeInvestigation,MappingandPrediction)計劃,結(jié)合幾種定年技術(shù),采用功率譜分析等數(shù)學(xué)方法進行的研究表明,至少地球氣候變化的某些周期類型與地球軌道變化有關(guān)。1978年,Pisias從深海巖芯中測量了碳酸鈣、硅、浮游動植物殘骸在巴拿馬盆地的累積率。硅的累積率反映近地表特殊類別的生物群落的大小,其值隨著氣候變化而增加或減小。碳化率則反映了底層水對累積的碳酸鹽的溶解能力。Pisias通過功率譜分析,從整個氣候記錄中抽取最強的周期特征,發(fā)現(xiàn)碳酸鹽和硅的累積率分別表現(xiàn)出一個2.3萬年和10萬年周期,與歲差周期和軌道偏心率周期接近。另外,這些周期也出現(xiàn)在另一站點巖芯的氧同位素記錄中。應(yīng)當(dāng)指出的是,在此類研究中,最具可信度的要屬Hays等的研究,他們獲取了跨度為45萬年的深海巖芯記錄,發(fā)現(xiàn)了2.3萬年、4.2萬年和10萬年周期的氣候變化;并認(rèn)為,在過去的35萬年里,這些周期一般來說都與適當(dāng)?shù)能壍乐芷诓秸{(diào)一致。至此,越來越多的證據(jù)支持米氏理論,地球軌道變化影響氣候的觀點開始被接受。最近,在10萬到百萬年時間尺度上的古氣候研究中,有若干重要的發(fā)現(xiàn)。1999年,Petit等在《自然》雜志上發(fā)表了南極東方站過去42萬年大氣和氣候變化的歷史資料,涵蓋了最近的4個冰期—間冰期旋回;EPICA(EuropeanProjectforIceCoringinAntarctica)更將氣溫距平資料擴展到涵蓋最近8個冰期—間冰期旋回的74萬年。另外,格陵蘭、南極富士丘穹以及我國的古里雅冰芯記錄、海洋沉積、黃土和石筍記錄等也給出了寶貴的古氣候資料。其中,GISP2(GreenlandIceSheetProjectTwo)于1993年6月在格陵蘭中心的鉆探,得到了最深的北半球冰芯,跨時為10萬年。南極富士丘穹(DomeFuji)站的最新資料跨時32萬年。中國國內(nèi)也有很多類似的古氣候變化研究,包括對孢粉、樹木年輪、敦德與古里雅冰芯、石筍以及黃土等地質(zhì)資料的分析研究。但是,包含大氣和氣候變化歷史的最完整、最長的資料仍然是Petit等1999年給出的研究結(jié)果。所以,本文以下的討論將圍繞這一記錄展開。目前,關(guān)于冰期—間冰期旋回的米氏理論的研究,正在進一步深入,研究熱點和遭遇的困難,大致有以下3個方面:強迫(驅(qū)動力)問題,周期與位相問題,以及如何構(gòu)建一種具有堅實物理基礎(chǔ)的模式對觀測資料進行重建并對模擬結(jié)果進行科學(xué)評價。2強制阻力問題2.1反應(yīng)日射量與地表氣溫經(jīng)典的米氏理論認(rèn)為,偏心率、黃赤交角和歲差等地球軌道三要素的變化,造成了到達北半球中高緯度的夏季日射量變化;然后,這種變化通過日射量/地面溫度/冰雪覆蓋/反照率反饋(以下記為IStISA反饋,Irradiance/SurfaceTemperature/Ice-SnowCover/PlanetaryAlbedoFeedback),造成冰期—間冰期旋回。特別地,米氏在其模式中使用了65°N的夏季日射量。其后的大量研究者,基本上沿襲了這一處理方法。這似乎是很有理由的:一方面,北半球的冰雪覆蓋面積對夏季日射量的變化遠較冬季日射量敏感。換句話說,冬季日射量減少、氣溫降低所造成的雪覆蓋面積的擴展,遠不如夏季日射量增大、氣溫上升所造成的冰雪覆蓋面積縮小的效果大。另一方面,北半球中高緯度的陸地面積比南半球大得多,而陸地上的冰雪覆蓋可能比海洋對地表溫度更為敏感。但是,在造成雪冰覆蓋/地表溫度反饋的日射量選取這一關(guān)鍵問題上,一直存在爭議,成為米氏理論的研究難點之一。如早在1968年,Broecker等就認(rèn)為,對于過去15萬年的古氣候記錄來說,如果選取45°N的夏季日射量代替米氏所選的65°N夏季日射量,則所得結(jié)果與觀測記錄更符合。1975年,Kula指出,米氏理論的欠缺之處,就在于日射量的選取上,并認(rèn)為:關(guān)鍵的日射量應(yīng)該是南北半球9月和10月的日射量。Hays等在1976年的研究中,分析了日射量功率譜,計算了55°N和60°N的日射量,并得出2點結(jié)論:其一,日射量功率譜表現(xiàn)出黃赤交角和歲差周期的特點,但沒有體現(xiàn)軌道偏心率特征;其二,黃赤交角和歲差對日射量影響的相對重要性隨緯度和季節(jié)的不同而不同。這里,需要著重指出的是,之所以無法對冰期—間冰期旋回的強迫(驅(qū)動力)問題給出一個確切答案,根本原因在于大多數(shù)研究側(cè)重于北半球中高緯度的夏季日射量與地表氣溫的相關(guān)性分析,缺乏物理基礎(chǔ)。事實上,從物理學(xué)特別是能量學(xué)的觀點來看,決定地表年平均溫度并進而決定冰雪覆蓋面積的物理量,不應(yīng)當(dāng)僅僅是北半球中高緯度的夏季日射量,特別是65°N6月21日的日射量。盡管,我們目前仍然難于回答:在不同的時間尺度上,全球年平均的日射量在決定全球年平均地表溫度中究竟起著多大程度的作用,因為它涉及到地球氣候系統(tǒng)內(nèi)部各構(gòu)成要素之間復(fù)雜的、也許是非線性的相互作用,但是,有一點是肯定的:在地球氣候的冰期—間冰期旋回研究中,用65°N6月21日的日射量來驅(qū)動地球氣候系統(tǒng),按照我們目前的認(rèn)知水平,所得結(jié)果是無法令人接受的。本文利用Berger方案計算了過去42萬年6月21日到達65°N的地面日射量(圖略),發(fā)現(xiàn):在過去42萬年間,最小日射量出現(xiàn)在大約23萬年之前,其值為435W/m2,而最大值則是大約22萬年前的552W/m2,二者相差117W/m2。從另一方面來說,目前,普遍認(rèn)為,全球平均地表溫度響應(yīng)ΔTs與其強迫ΔF(輻射強迫)存在以下關(guān)系:ΔΤs/ΔF=λΔTs/ΔF=λ其中,λ是所謂的氣候靈敏度參數(shù),典型取值為0.5K/(W·m2)。盡管在氣候模式中,由于對諸如水汽反饋、冰雪反照率反饋,特別是云反饋等物理過程的處理方法不同,λ可以變化很大,但是,政府間氣候變化專門委員會的科學(xué)報告認(rèn)為,其取值范圍在0.3~1.4K/(W·m2)之間。于是,如果我們采用65°N6月21日所接受到的日射量來驅(qū)動地球氣候系統(tǒng)的話,必將導(dǎo)致全球地表溫度變化35~164K。不但按照我們目前對地球氣候系統(tǒng)的認(rèn)知水平,無法接受這一結(jié)果,而且南極東方站的冰芯記錄和其他深海沉積物的記錄均顯示出,在冰期—間冰期旋回期間,地表溫度的變化只不過是10K左右。因此,我們猜測,造成地表溫度變化10K左右的日射量,只應(yīng)當(dāng)大致在7~40W/m2之間。2.2大氣2dman的非線性響應(yīng)如上所述,在米氏理論提出的最初階段,它面臨的難題,主要是缺乏氣候隨軌道形狀變化而變化的證據(jù)。在找到相關(guān)性證據(jù)后,卻又遭遇了另一個難題:簡單的IStISA反饋是否足以引起冰期—間冰期旋回期間如此巨大的氣候變化?換句話說,地球氣候在響應(yīng)軌道變化引起的日射量變化時,除IStISA反饋外,是否還存在其他機制?仍是個很大的謎。1983年,Shackleton等分析了極地冰芯中大氣CO2的4萬年記錄,發(fā)現(xiàn):在末次冰期的最冷時期(約2萬年前),大氣CO2體積濃度比工業(yè)革命前的典型濃度值280×10-9低40×10-9~100×10-9;大約1.6萬年前,隨著大的冰原開始融化,CO2濃度開始快速增加,直到大約1萬年前達到工業(yè)革命前的濃度水平后才停止增加。為了進一步確認(rèn)冰芯記錄的正確性,他們將CO2的間接沉積物記錄擴展到了過去34萬年,同時,又在同一個東太平洋站點對比了地球軌道變化和地表冰量變化記錄,利用交叉功率譜分析方法發(fā)現(xiàn),軌道變化趨勢超前于CO2的變化。因此,如果地球軌道變化是地球氣候變化的最初起因,則大氣CO2濃度的變化必定有助于放大氣候?qū)壍雷兓捻憫?yīng)。事實上,Shackleton等將CO2變化的實際記錄加入到模式中以后,發(fā)現(xiàn):冰原很小的非線性響應(yīng)確實能夠放大氣候?qū)Φ厍蜍壍榔穆?0萬年周期的響應(yīng),明顯改進了模擬的冰量變化和觀測值之間的一致性。在10萬年周期問題上,Ruddiman認(rèn)為,溫室氣體可能是將黃赤交角和歲差的日射量強迫進行非線性放大的一個關(guān)鍵來源。10萬年的信號則來自于歲差周期中CH4放大了的間冰期和黃赤交角周期中CO2放大了的冰期之間的交替。偏心率則提供了控制這些交替的總的步調(diào):在大的歲差峰值期間(高偏心率時),出現(xiàn)額外的2.2萬年CH4強迫,在弱歲差(強迫)期間(低偏心率),當(dāng)大冰原形成時發(fā)生4.1萬年的CO2反饋?？傊?目前學(xué)術(shù)界已經(jīng)認(rèn)識到,CO2和CH4等溫室氣體可能在軌道尺度的地球氣候變化中扮演重要角色,但是,仍然缺乏基于大氣溫室效應(yīng)和冰雪反饋等有堅實物理基礎(chǔ)的研究。2.3氣溶膠氣候效應(yīng)南極和格陵蘭的冰芯記錄均表明,顯著的氣候變冷后,大氣氣溶膠濃度是增加的。Petit等1999年的研究表明,在冰期—間冰期旋回期間,南極地區(qū)以鈉鹽為代表的海鹽氣溶膠濃度可以從間冰期的不足15ng/g變化到冰期的120ng/g,相差近1個數(shù)量級;而以沙塵為代表的大陸起源的氣溶膠則可從50ng/g上升到1000~2000ng/g,即增加20~40倍。中國的黃土記錄和歷史文獻記錄均表明,在氣候的寒冷期多沙塵,溫暖期少沙塵。由于大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)已經(jīng)在科學(xué)界得到公認(rèn),所以在冰期—間冰期旋回的研究中,必須把它作為一種強迫包括進去。事實上,對于氣溶膠在冰期氣候中的效應(yīng),Harvey的能量平衡氣候模式研究發(fā)現(xiàn):末次冰期極大值(LCM)期間,大氣氣溶膠光學(xué)厚度的增加可能使全球平均溫度進一步變冷2~3℃,因而對LCM的氣候變冷有顯著貢獻。當(dāng)然,大氣氣溶膠濃度的變化是作為一種反饋機制出現(xiàn)在冰期—間冰期旋回中的,它并不是產(chǎn)生旋回的驅(qū)動機制。3地層內(nèi)周期與相位問題在探索第四紀(jì)地球氣候冰期—間冰期旋回形成的機制中,除了強迫問題(其最重要的作用是決定地面溫度距平的大小)之外,還必須考慮周期與相位問題。如前所述,早在1976年,Hays等就在深海巖芯記錄中發(fā)現(xiàn)了一個10萬年周期,并認(rèn)為,它是由軌道偏心率以某種方式驅(qū)動的。其后,對這一問題,出現(xiàn)了很多研究(如Jouzel等),但到目前為止,仍然存在極大爭論。另外,1981年,又在赤道太平洋深海鉆探計劃站點158中的沉積物里發(fā)現(xiàn)了一個40萬年的軌道周期,成為另一個有待揭開的謎團。3.11偏心率與氣候相互作用的關(guān)系對于10萬年周期的研究,大致可以分為兩類,一是遵循米氏理論,從10萬年氣候周期與日射量之間的相關(guān)性進行研究;但這類研究遭遇到無法克服的困難。另一類則是在某種程度上摒棄米氏理論而另辟蹊徑。在第一類研究中,Imbrie等的評述性研究是很有代表性的。他們發(fā)現(xiàn),周期大約2.3萬年、4.1萬年和10萬年左右的δ18O旋回與天文因子驅(qū)動的日射量旋回之間,是強相關(guān)的(相關(guān)系數(shù)分別達到0.95,0.90和0.91),因此它們之間可能存在某種因果關(guān)系,而且其中可能隱藏著一種令人十分感興趣的物理問題。但是,利用這種相關(guān)性來解釋10萬年周期卻面臨著很多難題,其中包括。(1)在10萬年譜帶,日射量信號的幅度只有2W/m左右,比其他兩個譜帶小1個數(shù)量級,但在地球氣候系統(tǒng)的響應(yīng)上卻又遠強于其他兩個譜帶。對此,很難找到一種在物理上似乎合理的解釋。(2)偏心率并不只在10萬年附近變化,實際上,它在41.3萬年處也具有相同的變化量級。最后,從位相上來說,10萬年譜帶的氣候響應(yīng)遠遠滯后于日射量。簡言之,米氏理論在解釋10萬年旋回上所遇到的主要困難是:幅度過小,位相過于超前。許多研究者試圖將10萬年周期旋回解釋為軌道強迫響應(yīng)與大氣、海洋、冰蓋以及巖石圈的內(nèi)部動力過程之間的相互作用。在這些模式中,10萬年旋回的位相受軌道的影響。Weertman曾研制了一個比較復(fù)雜的冰原模式,但并未得到10萬年周期。Pollard的研究認(rèn)為,只有當(dāng)氣候系統(tǒng)的某個要素對日射量的增加比其減少有更加強烈的響應(yīng)時,10萬年周期才可能出現(xiàn)。他在冰原模式中加入了這樣一種非線性響應(yīng),卻發(fā)現(xiàn)氣候變化的幅度仍然不夠大。Imbrie曾使用一個簡單的統(tǒng)計模式,其中,對日射量的軌道偏心率周期加入了一個非線性響應(yīng),模式確實產(chǎn)生了10萬年周期。但是,無法找到能將軌道周期變化和氣候變化聯(lián)系起來的合理物理機制。正是由于遵循米氏理論在研究10萬年周期旋回上遇到的這些困難,所以,第二種類型的研究,試圖將10萬年周期旋回解釋成與米氏強迫無關(guān)的自由、自維持振蕩。其中,10萬年旋回是由氣候系統(tǒng)內(nèi)部過程強迫的,因此相對于偏心率來說,其位相是任意的。此類數(shù)值模式還可以考慮偏心率和氣候之間明顯存在的統(tǒng)計關(guān)系。隨機共振氣候模式就是其中的一個例子。模式結(jié)果表明,利用軌道變化引起的10萬年偏心率外部周期強迫(幅度取為太陽常數(shù)的0.1%左右)和一個內(nèi)部隨機機制之間的共同作用,有可能解釋相當(dāng)于過去40萬年間冰期—間冰期旋回的10K左右的大幅度長期溫度交替。模式利用隨機共振機制,放大原來很小的外部強迫,實現(xiàn)冰期和間冰期這兩個觀測到的氣候態(tài)之間的跳躍。此外,對于第二種類型的研究,還有許多其它的假說和嘗試。如物理學(xué)家Muller及地球物理學(xué)家MacDonald就認(rèn)為,隨著地球軌道平面的傾斜變化,地球周期性地進出黃道云,會觸發(fā)冰期的出現(xiàn)。其后,Kortenkamp通過模擬行星引力、太陽光照以及太陽風(fēng)如何將小行星碰撞產(chǎn)生的沙塵擴散開,計算了沙塵軌跡;并認(rèn)為,過去120萬年里,地球塵埃以一個2~3的因子變化。1998年,Paillard受海洋溫(熱)鹽環(huán)流模式具有多個穩(wěn)定態(tài)的啟發(fā),研究了一種具有3個穩(wěn)定態(tài)的氣候系統(tǒng):間冰期、溫和冰期和完全冰期;只要越過指定的閾值,就發(fā)生氣候態(tài)之間的過渡。他使用的是一個簡單的線性微分模式,該模式受日射量強迫并允許冰量連續(xù)變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn):模式結(jié)果與冰量變化的地質(zhì)記錄之間具有很好的一致性;而且,在對過去200萬年的模擬中,確實發(fā)現(xiàn)了所觀測到的約80萬年前至100萬年前附近的顯著10萬年周期。3.24溫度載荷-雙程強度曲線10-周期如前所述,早在1981年就已經(jīng)在赤道太平洋的深海沉積物中發(fā)現(xiàn)了一個40萬年的周期,成為古氣候變化研究中又一個具有挑戰(zhàn)性的難題。1999年,Rial利用時間跨度為120萬年、140萬年及160萬年的3個站點(ODP(OceanDrillingProgram))站點806、849和677)的深海沉積物記錄,通過氧同位素功率譜分析,再次證實:除了觀測到的8~12萬年間的周期外,還有一個從較快、較高頻率到較慢、較低頻率變化的41.3萬年天文周期(約略地稱為“40萬年周期”),它是在軌道拉長過程中疊加到較短周期上而產(chǎn)生的,可能對10萬年周期具有調(diào)制作用。在這種想法的指導(dǎo)下,Rial通過引入軌道強迫間的一種相互作用,計算了41.3萬年周期應(yīng)該如何調(diào)整10萬年周期,并檢驗了氣候記錄與模擬結(jié)果之間的一致性。他認(rèn)為,調(diào)頻過程周期性地改變冰期持續(xù)時間。雖然他無法指出這種將41.3萬年周期轉(zhuǎn)化為一個10萬年周期的變長和變短的物理機制,但他認(rèn)為日射量變化的較長周期可能與氣候系統(tǒng)的一個振蕩部分(諸如冰原)相互作用,從而驅(qū)動氣候系統(tǒng)發(fā)生變化。盡管其他研究者在某種程度上接受了這種調(diào)頻觀點,但對于米蘭科維奇強迫、氣候旋回與冰期開始之間的聯(lián)系仍不甚清楚。4氣候變化的物理機制以上,我們較為詳細地回顧了米蘭科維奇氣候變化天文理論的歷史發(fā)展過程,從古氣候記錄和模式研究兩個方面簡述了到目前為止的研究成果和依然存在的困難,其中包括強迫問題和周期問題等。大致可以概括為:(1)深海沉積物、黃土和冰芯等古地質(zhì)氣候記錄中,顯示出周期大約是2萬年、4萬年和10萬年的明顯的氣候變化,它與歲差、黃赤交角以及地球軌道偏心率等地球軌道三要素的周期相當(dāng)一致。(2)經(jīng)典的米蘭科維奇氣候變化天文理論認(rèn)為,地球軌道三要素的變化所造成的夏季北半球中高緯度日射量的變化,通過IStISA反饋,造成第四紀(jì)地球氣候的冰期—間冰期旋回。但是,在包括日射量選取在內(nèi)的驅(qū)動力、反饋機制以及地球軌道要素和氣候變化兩個系列之間的周期和位相等問題上,米氏理論遭遇到極大困難。特別是在10萬年周期上,軌道偏心率帶來的日射量變化幅度過小,位相過于超前。(3)為了克服這些困難,已經(jīng)提出了各種假說,進行了大量模式研究:或者遵循米氏理論的基本思路,或者將10萬年周期旋回解釋成與米氏強迫無關(guān)的自由振蕩,其中,包括隨機共振氣候模式。但是,困難依然存在。最根本的是,無法在觀測到的氣候變化與其強迫(外部的和/或氣候系統(tǒng)內(nèi)部的)之間建立令人信服的物理機制。(4)記錄表明,觀測到的氣候變化(以地面溫度距平為代表)與大氣CO2和CH4等溫室氣體濃度之間存在極好的正相關(guān)關(guān)系,且溫室氣體濃度變化滯后于氣溫變化。另一方面,氣候變化與海鹽和沙塵氣溶膠濃度之間存在較好的負(fù)相關(guān)。因此,溫室氣體和氣溶膠有可能成為軌道日射量的兩個“放大”因子。最近,我們利用一個Budyko-Sellers型南北一維能量平衡氣候模式(EBM)研究了過去42萬年里的氣候變化。結(jié)果表明,這種從物理能量學(xué)出發(fā)的模式,雖然比較簡單,但它可以較好地重建過去42萬年冰期和間冰期旋回期間的基本氣候變化特征,特別是模擬結(jié)果證明:溫室氣體和大氣氣溶膠在其中起著重要的作用。但是,模式模擬的間冰期(10萬年峰值)溫度,除了目前我們所處的這個間冰期(其模擬溫度高于觀測值,這可以歸因于近年來人類活動造成的大氣溫室氣體GHGs濃度的“超常”增加)之外,其他三個間冰期的地面氣溫仍然偏低1~2°,而冰期溫度卻又普遍偏高