海洋与海冰相互作用在渐新世气候最暖期明显增温中的关键作用

当地球出乎意料地温暖

大约1700万年前，地球进入了一次自然的热浪期，称为渐新世气候最暖期。全球气温较今天高出许多，极地地区的增温尤为显著。然而，即便是我们最先进的气候模型也难以再现当时极端的高温，尤其是在两极附近。本研究提出了一个简单但有力的问题：那段远古的高温是否不仅仅由大气中的温室气体决定，还受高纬度海洋与海冰状况的影响？

挑战我们模型的古气候

地质证据表明，在渐新世气候最暖期，全球地表温度比工业化前大约高出8–10°C，极地海洋有时比今天高出超过10°C。二氧化碳浓度可能是工业革命前的两到三倍，这可以部分解释这种增温，但不能解释赤道与极地之间出人意料的小温差。许多以往的模拟研究能够将行星整体变暖，但一致未能将高纬度加热到位。这种不匹配引发了对我们理解过去与未来温暖气候能力的质疑。

将两个虚拟地球投入考验

作者使用了两种复杂的地球系统模型——NorESM1-F 和 IPSL-CM5A2——并为它们设置相同的渐新世地理、植被、冰盖和两种合理的二氧化碳水平。这样的设置允许公平比较每个模型在相同古环境下的表现。两个虚拟地球都显著变暖，平均升温约4–8°C，与许多复原结果相符。但在北极表现上分歧明显。NorESM 模拟出极端的极地增温，北极表面温度比工业化前高出超过20°C，且北冰洋几乎无冰。相比之下，IPSL 显示的极地增温要温和得多，季节性海冰在冬季仍覆盖大片区域。将模型结果与来自岩石和沉积物的化石及化学温度线索对比时，NorESM 在再现异常温暖的高纬度海洋方面比 IPSL 更为一致，尽管它在部分陆地区域偏热。

海流与海冰如何改变天平

为了解模型行为差异的原因，研究人员剖析了能量收支和环流模式。在两个世界中，额外的温室气体俘获了更多热量，融冰减少了高反照率区域，使行星吸收更多阳光。云也在高纬度增加了一些额外增温。但关键差别在于海洋与海冰。在 NorESM 中，大西洋强烈的翻转环流将大量暖咸水输送到北极并向下混合，同时来自南方的深水减弱。这种强劲的环流，加上大西洋与北极之间宽广的开放海道，将热量与盐度注入极地海洋。更咸的水更难结冰，强烈的混合不断将温暖带到表层，阻止海冰重新形成。在全年几乎无海冰的情况下，深色海洋吸收了更多太阳能，进一步推高极地温度。相比之下，IPSL 模拟出较弱的翻转环流、向北热量输送减少，以及在冬季持续存在的海冰，这些因素共同使北极保持较凉。

检验大气的作用

研究团队还检验了仅凭大气差异是否能解释这些对比结果。两个模型都显示热带到极地的气流减弱，这一模式类似于未来增温情景的预期。当研究人员用来自 IPSL 运行的海表温度和海冰模式驱动 NorESM 的仅大气版本时，所产生的增温模式更像 IPSL 而非原始 NorESM。该实验表明，在大尺度上，两模型的大气表现相似。真正的关键在于各自海洋与海冰系统的响应——特别是海洋向北输送多少热量以及北极多容易失去冰盖。

从古老海洋得到的未来教训

简而言之，这项工作认为，渐新世气候最暖期可能是一种根本不同类型的极地气候：强劲的海洋环流、咸度升高的表层海水和大幅减少的海冰，与温室气体共同作用，显著增强了高纬度的增温。NorESM 所呈现的那种世界——具有强大的大西洋环流和近乎无冰的北极——比更冷、冰多的北极更能符合现有证据，尽管它可能将海冰丧失推向极端。该研究强调，正确再现过去与未来的温暖气候不仅仅是设定正确的二氧化碳水平，还需要捕捉海洋与海冰如何相互作用，以及这些系统对地理与强迫变化的敏感性。更多模型之间的比较以及关于古代海冰和深海环流的地质线索，将对于确定未来数百年中我们变暖的海洋可能如何重塑极地气候至关重要。

引用: Tan, N., Fluteau, F., Zhang, Z. et al. A critical role of ocean–sea ice interactions in the pronounced warmth during the Miocene Climatic Optimum. Commun Earth Environ 7, 326 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03324-2

关键词: 渐新世气候最暖期, 海洋环流, 海冰, 极地放大效应, 大西洋翻转环流