历史上变暖的“电影”为未来气候变化的快照铺平了道路

麦迪逊——通过为地球的上一次主要全球变暖准确建模——并回答关于它的成因的迫切问题——由威斯康星大学麦迪逊分校的气候学家领导的一组科学家正在解开这种可能在未来发生的剧烈气候变化的错综复杂之处。

“我们想知道未来将发生什么，特别是想知道气候是否会发生突然的变化，” 威斯康星大学麦迪逊分校的大气和海洋科学教授、Nelson环境研究所气候研究中心主任Zhengyu Liu说。“问题在于，你不知道你的模型是否对这种气候是正确的。重要的是验证你的模型。”

为了这样做，Liu和他的同事回溯运行了他们的模式，然后把气候模拟的结果与历史气候的物理证据进行了对比。

Liu的研究组从2.1万年前的末次盛冰期开始模拟大气和海洋的环境，经过了科学家称之为Bølling-Allerød变暖的时期，这是地球上一次主要的温度激增，发生在大约1.45万年之前。这个模拟与化石和地质记录中获得的当时的环境（温度、海平面和冰川覆盖面积）接近。

“这是我们模拟上一次主要的全球变暖事件的最认真的尝试，而且这也是对模型本身的验证，”Liu说。

这些最新的气候建模实验的结果发表在了今天（7月17日）出版的《科学》杂志上。

该研究组的模拟是在位于田纳西州橡树岭的橡树岭国家实验室的一对克雷超级计算机“凤凰”和“美洲虎”上运行的。这些模拟也帮助确定了驱动Bølling-Allerød变暖的3个环境因素的贡献，它们分别是：大气二氧化碳的增加、停止的热输送洋流的启动，以及这些洋流静止的时候海洋次表层热的剧烈积累。

Liu解释说，在冰川到达最大覆盖面积、遮盖了北美洲大部分之后，气候多米诺骨牌开始倒下。随着冰川融化，大量的水流入了北大西洋，降低了海洋的盐度，这帮助启动了一个主要的对流，它就像一条传送带，把热带温暖的表层水运送到了北方，而把更冷、更重的次表层水运送到了南方。

根据这个模型，结果海洋环流停止了。没有了温暖的热带水流向北方，北大西洋变冷，热回到了南方的水中。之后，冰川融化减慢或停止了，最终启动了破坏性的洋流——它拥有能改变北方的更大规模的热积蓄。

“所有那些储存的热就像火山一样释放，在几十年的时间里涌出，”Liu解释说。“这让格陵兰的温度升高并融化了（北极的）海冰。

该模型表明，仅仅过了几个世纪，格陵兰平均温度就上升了15摄氏度，海平面上升了5米。这些发现与该时期呈现在物理记录中的气候符合得很好。

“有能力首次成功地用一个全面气候模型模拟几千年前的气候是一个重大科学成就，”美国国家大气研究中心（NCAR）的大气科学家和气候建模科学家、这篇《科学》论文的作者之一的Bette Otto-Bliesner指出。“这是朝着更好地理解世界气候如何可能在未来的世纪里随着冰帽的不断融化而发生剧烈变化而迈出的重要的一步。”

Liu说，在Bølling-Allerø变暖事件期间的融冰率仍然是一个问题，但是它的后果没有争议。这些建模科学家既模拟了融冰的缓慢减少，也模拟了融冰失控的突然停止。在这些情况中，结果都是15摄氏度的升温。

“这在历史上发生了，”Liu说。“问题在于，在未来，如果你遇到了全球变暖和格陵兰融化，那么它还会再次发生吗？”

时间——现实的时间和计算的时间——将会告诉我们。2008年，该研究组模拟了过去2.1万年的大约1/3。利用另外400万处理器小时，这个威斯康星大学的研究组的模拟将最终到达今天和200年后的未来。

Liu解释说，传统的气候建模方法受到了计算机时间和能力的限制。

“它们制作幻灯片，就像快照，”Liu说。“你模拟了100年，然后你模拟另外100年，但是这些世纪可能（在模型中）间隔了2000年。研究突然的变化不存在捷径。”

Liu说，利用NCAR开发的共同体气候系统模型中的陆地、水、大气和冰的相互作用，这组科学家已经有能力建立远远更详细的细节以及间隔很近的快照册，“让我们拥有了更像是一部数千年的气候电影。”

他强调了让计算、海洋学、大气科学和冰川专家合作的重要性——这些专家包括威斯康星大学麦迪逊分校的气候建模科学家John Kutzbach，以及负责冰川融化建模的博士生Feng He。Liu说，所有这些人对于获得重建历史气候环境必需的细节都具有关键作用。

“所有这些数据来自化学代用指标和沉积物中的虫子，”Liu说。“你确实需要一个非常跨学科的研究团队：研究深海的人，研究地质学的人，知道这些虫子的人。这是一个巨大而且非常成功的合作。”

这项新的研究受到了美国自然科学基金会的资助，另外的资助来自美国能源部。