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早始新世海洋经向翻转环流:大气强迫和海峡结构的作用

2022/03/24点击次数:

近日,厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室张彧瑞副教授与国内外合作者在Paleocanography and Paleoclimatology发表了题为“Early Eocene Ocean Meridional Overturning Circulation: The Roles of Atmospheric Forcing and Strait Geometry”的研究成果。文章主要通过比较DeepMIP计划的8个耦合气候模式对早始新世(47-56Ma)时期海洋翻转环流的模拟数据,结合深海环流相关代用指标,为早始新世时期海洋环流格局的重建提供了科学依据,探讨了水文循环对海洋环流格局及模式结果的重要性。


研究背景

全球经向翻转环流(MOC)作为海洋环流的一个重要组成部分,通过调节热量的再分配及影响海-气相互作用可以对全球气候产生重要影响。考虑到始新世大气CO2水平与预测本世纪末的水平相当,故对始新世早期经向翻转环流的格局和运输问题的研究具有重大意义。

国际深时古气候模拟比较计划项目(DeepMIP)囊括了8个独立的地球系统模式,对标于早始新世气候-海洋耦合系统的演变,但因模式本身及边界条件细节具有差异(如海峡设置等)导致输出结果不同。故此项研究的目的是通过比较DeepMIP计划中这8个模式数据,结合现有的代用指标,恢复早始新世时期大洋环流格局,并解释多模式之间结果差异性的原因。

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研究成果

多模式大洋环流结果对比

大多数模式(即8个模式中的6个)显示早始新世经向翻转环流的整体结构是由南半球翻转单元主导的,深水区域存在于南大洋(图1)。另外模拟结果显示早始新世北大西洋2000 m以下并不存在翻转环流。

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图1 DeepMIP模式中形成的深水区域。大多数模式表明深水形成于南大洋;GFDL模式显示了北太平洋深水的形成。箭头表示南大洋深水运输路径,星状符号标志εNd数据站点。

不同模式之间的大洋环流差异可以用与大气圈水通量和海峡结构的微小差异来解释。通过数据分析发现最小大气圈淡水收入的区域与深水下沉发生区域之间有共存性,进一步凸显了淡水通量在深水形成中的关键作用;模式中海峡通道构型的微小不同也会影响模式中翻转环流和深水形成区域。不同海域的盐度对比分析揭示了这些模式间差异维持机制是“温盐循环”作用,可以有效指示深水形成区域。

研究通过对比不同CO2浓度下的全球经向翻转环流,发现其结构和强度在CO2浓度较低时相对稳定,揭示了全球经向翻转环流对CO2强迫因子的非线性响应。


大洋环流代用指标汇总

通过δ13C汇总分析得出始新世早期可能存在单一的主体深水源,南大洋深水区占主导地位,北大西洋的贡献微不足道。εNd值汇总分析发现太平洋εNd值总体趋势从北到南呈梯度减弱,大西洋具有相同趋势(图2)。两种代理指标表示早始新世时大西洋并不存在双极对流,北太平洋深水形成证据也比较模糊,最有可能的是南半球引发的强烈翻转环流。

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图2 (a)古新世到始新世深海(底栖有孔虫类)δ13C汇编,灰色区域表示差异减少区间,大致与早始新世相对应;(b)54-45Ma间εNd值汇编,箭头表示水团可能运动方向。


模式-指标对比分析

模式结果和代用指标数据对比分析揭示了始新世早期稠密海水在南大洋下沉并向北输运的环流格局,以及北大西洋并无深水区和翻转环流存在。

另外,整合的εNd数据支持GFDL模拟中出现的早始新世北太平洋对流,但是其他模拟并无显示,因此需要更多的εNd数据证明北太平洋深海水的确切运输方向。


研究团队及资助

该项研究工作由厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室联合瑞典斯德哥尔摩大学、英国布里斯托大学、澳大利亚新南威尔士大学、英国帝国理工学院等来自9个国家的14个研究团队合作完成,张彧瑞副教授为第一兼通讯作者。该项研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金(207202100)、瑞典研究委员会(2016-03912、2020-04791)、英国自然环境研究委员会(NE/P01903X/1)等资助。


论文来源

Zhang, Y., de Boer, A. M., Lunt, D. J., Hutchinson, D. K., Ross, P., van de Flierdt, T., et al. (2022). Early Eocene ocean meridional overturning circulation: The roles of atmospheric forcing and strait geometry. Paleoceanography and Paleoclimatology, 37, e2021PA004329.

论文链接

https://doi.org/10.1029/2021PA004329

供稿:张彧瑞课题组 朱广坤