地球轨道的变化无需通过改变地球内部气候背景就可直接触发气候突变。一个由中国，英国，德国和澳大利亚的科学家组成的国际科研团队，利用复杂气候模型，系统论证了地球轨道变化对气候突变的双重调制，为理解更新世气候突变事件的触发机理提供了全新的动力模型。该题为“Direct astronomical influence on abrupt climate variability”的数值模拟工作，于北京时间11月1日在国际顶级地学期刊《Nature Geoscience》线上发表（https://www.nature.com/articles/s41561-021-00846-6）。中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队的张旭研究员为该工作的第一及通讯作者。

图1 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 。

研究人员首先开展过去4-3.2万年的气候瞬变模拟试验。在试验中，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）均保持恒定，以此检验轨道变化是否可以直接触发大西洋经向翻转流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）的突变（图1a-b）。试验中的AMOC出现类似于气候记录中的千年尺度震荡，相应的温度和降水变化也与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1c-d）。

图2 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为试验中的大西洋径向环流强度指数，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，适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。

随后，研究人员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，进一步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，引起大西洋径向反转流的突变（图2a-c）。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的变化，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2d-f）。这组数值试验证实了单一轨道参数的变化也可直接触发北大西洋海洋环流的突变，即轨道变化对气候突变的直接调制。

图3 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。

为了系统地厘清冰期旋回中轨道变化调制千年气候事件的规律，研究人员通过数值试验，总结出一个解释更新世不同时期千年气候事件的动力概念模型（图3）：在冰期旋回中，当气候背景类似于末次盛冰期或者末次间冰期最暖期时，轨道变化无法触发气候突变，因为冰盛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。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，可以改变“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。该模型被证实不仅适用于晚更新世，而且也适用于中早更新世。

该工作得到国家自然科学基金会“青藏高原地球系统”基础科学中心项目（41988101）和面上项目（42075047）共同资助。