轨道加速瞬态模拟揭示过去80万年冰期-间冰期气候周期的驱动机制

　　为解决轨道尺度气候变化的驱动机制问题，Baohuang Su团队利用CESM1.2.2地球系统模型开展了过去80万年的轨道加速瞬态模拟，包含全强迫和单因子强迫实验。结果表明模型能准确再现中低纬度季风系统和高纬度气候特征，但低估了热带海表温度波动。该研究为解析地质记录中的长期气候信号提供了可靠数据集。

　　

冰期旋回的密码：超级计算机如何解码80万年气候变迁

地球气候在过去80万年间如同巨大的钟摆，在冰期与间冰期之间规律摆动。这种被称为"冰期旋回"的现象，其背后驱动机制一直是古气候学的核心谜题。传统地质记录虽能揭示气候变化轨迹，却难以区分轨道参数、CO₂
浓度和冰盖体积等强迫因子的独立作用。更棘手的是，复杂气候模型受限于计算资源，以往多采用中等复杂度模型或离散时间切片模拟，无法完整捕捉气候系统的非线性响应。

中国气象科学研究院青藏高原气象研究所的Baohuang Su团队在《Scientific Data》发表的研究，如同给古气候研究装上了"时间加速器"。他们利用社区地球系统模型CESM1.2.2（Community Earth System Model），首次实现了过去80万年的全强迫与单因子强迫轨道加速瞬态模拟。这项研究不仅将三个完整冰期-间冰期循环纳入同一模拟框架，更通过创新的实验设计，解开了不同气候强迫因子的"纠缠态"。

关键技术方法
研究采用轨道加速技术（压缩比100:1）将80万年气候演化压缩至8000模型年。基于PISM（Parallel Ice Sheet Model）模拟的北半球冰盖数据，构建了时空分辨率更高的边界条件。通过四组实验（全强迫ALL、温室气体GHG、轨道ORB、冰盖ICE），结合Berger轨道参数和南极冰芯的CO₂
/CH₄
记录，使用T31-gx3v7分辨率（大气3.75°，海洋3°）的CESM1.2.2完成模拟。验证时采用小波交叉谱分析比对全球42处地质记录。

突破性发现

全球温度与降水响应
全强迫实验成功捕捉到约3°C的冰期-间冰期温度波动，但幅度小于地质记录，反映低分辨率CESM的气候敏感性局限。有趣的是，CO₂
强迫实验在布鲁尼斯事件（Mid-Brunhes Event）后突然增强的温度振幅（图2b），暗示南极底层水形成的变化可能放大气候响应。而冰盖强迫通过垂直温度递减率和反照率效应，贡献了约1°C的温度变化（图2c），揭示其在高纬度的特殊调控作用。

热带海温的未解之谜
模拟显示热带海表温度（SST）变化幅度仅为地质记录的1/3（图4）。西太平洋暖池的100 kyr周期信号在单强迫实验中显著（图S6a-b），但在全强迫实验中却意外衰减，暗示多因子耦合可能抑制热带响应。而东太平洋ODP 846站点强烈的岁差周期（~20 kyr）（图S5b），支持ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）活动受岁差调控的假说。

季风系统的"双节律"特征
东亚夏季降水与三宝洞石笋δ¹⁸
O记录在岁差周期上高度一致（图5a），但滞后90°相位差揭示还存在其他调控因子。黄土高原年降水则呈现100 kyr（冰量）与20 kyr（岁差）的"双节律"特征（图5b），证实不同时间尺度上存在分离的驱动机制。

高纬度的气候突变信号
模型成功再现南极温度（图7a）和北大西洋SST在间冰期末期的断崖式下跌（图7b）。AMOC（大西洋经向翻转环流）强度指数显示，每次间冰期结束时都会发生环流崩溃（图7c），这与IODP U1385站点的地质记录（图7d灰色矩形）惊人吻合，证实冰盖动力学是触发气候突变的"开关"。

启示与展望
这项研究构建了迄今最完整的80万年瞬态模拟数据集，其创新性体现在三方面：一是通过轨道加速技术突破计算瓶颈，使复杂模型能模拟多冰期旋回；二是采用PISM模拟的冰盖数据，改善传统基于δ¹⁸
O标度的边界条件；三是单因子实验揭示CO₂
主导热带SST变化，而冰盖调控高纬度响应。

局限性在于固定现代植被分布和河流路线，可能低估陆地反馈作用。未来若加入南极冰盖动态和融水脉冲效应，或将更准确模拟AMOC突变。这套数据集如同"古气候罗塞塔石碑"，为解码地质记录中的混合信号提供了参照系，特别对理解当前间冰期（全新世）的演化轨迹具有警示意义——当轨道参数走向下一个冰期启动点时，人类活动叠加的自然变率会如何改写气候剧本？这个问题，或许就藏在这800，000行的气候密码之中。