近日，我院張彧瑞副教授與國內外合作者在Paleocanography and Paleoclimatology發表了題為“Early Eocene Ocean Meridional Overturning Circulation: The Roles of Atmospheric Forcing and Strait Geometry”的研究成果。文章主要通過比較DeepMIP計劃的8個耦合氣候模式對早始新世（47-56Ma）時期海洋翻轉環流的模擬數據，結合深海環流相關代用指標，為早始新世時期海洋環流格局的重建提供了科學依據，探討了水文循環對海洋環流格局及模式結果的重要性。
研究背景
全球經向翻轉環流（MOC）作為海洋環流的一個重要組成部分，通過調節熱量的再分配及影響海-氣相互作用可以對全球氣候產生重要影響。考慮到始新世大氣CO2水平與預測本世紀末的水平相當，故對始新世早期經向翻轉環流的格局和運輸問題的研究具有重大意義。
國際深時古氣候模擬比較計劃項目（DeepMIP）囊括了8個獨立的地球系統模式,對標于早始新世氣候-海洋耦合系統的演變，但因模式本身及邊界條件細節具有差異（如海峽設置等）導致輸出結果不同。故此項研究的目的是通過比較DeepMIP計劃中這8個模式數據，結合現有的代用指標，恢復早始新世時期大洋環流格局，并解釋多模式之間結果差異性的原因。
研究成果
（一）多模式大洋環流結果對比
大多數模式（即8個模式中的6個）顯示早始新世經向翻轉環流的整體結構是由南半球翻轉單元主導的，深水區域存在于南大洋（圖1）。另外模擬結果顯示早始新世北大西洋2000 m以下并不存在翻轉環流。
圖1 DeepMIP模式中形成的深水區域。大多數模式表明深水形成于南大洋；GFDL模式顯示了北太平洋深水的形成。箭頭表示南大洋深水運輸路徑，星狀符號標志εNd數據站點。
不同模式之間的大洋環流差異可以用與大氣圈水通量和海峽結構的微小差異來解釋。通過數據分析發現最小大氣圈淡水收入的區域與深對發生區域之間有共存性，進一步凸顯了淡水通量在深水形成中的關鍵作用；模式中海峽通道構型的微小不同也會影響模式中翻轉環流和深水形成區域。不同海域的鹽度對比分析揭示了這些模式間差異維持機制是“溫鹽循環”作用，可以有效指示深水形成區域。
研究通過對比不同CO2濃度下的全球經向翻轉環流，發現其結構和強度在CO2濃度較低時相對穩定，揭示了全球經向翻轉環流對CO2強迫因子的非線性響應。
（二）大洋環流代用指標匯總
通過δ13C匯總分析得出始新世早期可能存在單一的主體深水源，南大洋深水區占主導地位，北大西洋的貢獻微不足道。εNd值匯總分析發現太平洋εNd值總體趨勢從北到南呈梯度減弱，大西洋具有相同趨勢（圖2）。兩種代理指標表示早始新世時大西洋并不存在雙極對流，北太平洋深水形成證據也比較模糊，最有可能的是南半球引發的強烈翻轉環流。
圖2 （a）古新世到始新世深海（底棲有孔蟲類）δ13C匯編，灰色區域表示差異減少區間，大致與早始新世相對應；(b)54-45Ma間εNd值匯編，箭頭表示水團可能運動方向。
（三）模式-指標對比分析
模式結果和代用指標數據對比分析揭示了始新世早期稠密海水在南大洋下沉并向北輸運的環流格局，以及北大西洋并無深水區和翻轉環流存在。
另外，整合的εNd數據支持GFDL模擬中出現的早始新世北太平洋對流，但是其他模擬并無顯示，因此需要更多的εNd數據證明北太平洋深海水的確切運輸方向。
研究團隊與資助
該項研究工作由廈門大學海洋與地球學院聯合瑞典斯德哥爾摩大學、英國布里斯托大學、澳大利亞新南威爾士大學、英國帝國理工學院等來自9個國家的14個研究團隊合作完成，張彧瑞副教授為第一兼通訊作者。該研究得到了中央高校基本科研業務費專項資金（207202100）、瑞典研究委員會（2016-03912、2020-04791）、英國自然環境研究委員會（NE/P01903X/1）等資助。
論文來源：
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.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1029/2021PA004329
