全球季風(fēng)與氣候的長期變化*

汪品先

（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092）

當(dāng)前關(guān)于“全球變暖”的爭論，實(shí)質(zhì)問題在于如何區(qū)分人類活動的影響和自然界本身的變化。只要認(rèn)識了氣候變化的自然趨勢，問題也就迎刃而解，但是這方面科學(xué)界的意見分歧太大。如，下次冰期什么時候到來，有的認(rèn)為遠(yuǎn)在5萬年之后（Berger and Loutre,2002），而有的卻說幸虧有早期人類活動的影響，要不然冰期幾千年前就已經(jīng)降臨（Ruddiman 2003）。不同時期科學(xué)界的主流觀點(diǎn)也不相同：氣候?qū)W家今天談?wù)撊蜃兣?0年前“冷戰(zhàn)”時期，談?wù)摰膮s是“全球變冷”和“核冬天”。

意見分歧太大，說明氣候變化的學(xué)科還欠成熟。雖然氣候?yàn)?zāi)難見于各國的古代傳說，但全球氣候會發(fā)生根本性變化的概念，卻在文藝復(fù)興以后長期得不到現(xiàn)代科學(xué)的承認(rèn)。到19世紀(jì)，才發(fā)現(xiàn)確實(shí)有過大規(guī)模的氣候變化，主要分成兩路：歷史和考古學(xué)家看到的是大洪水，地質(zhì)學(xué)家看到的是大冰期。時至今日，現(xiàn)代氣候?qū)W家注意的是水文循環(huán)，關(guān)鍵在于干與濕；古氣候?qū)W家強(qiáng)調(diào)的是冰期旋回，關(guān)鍵在于冷與熱，兩者的差異一脈相承。與側(cè)重低緯過程的現(xiàn)代氣候?qū)W不同，古氣候?qū)W總的來說是以高緯的冰蓋為中心。大多數(shù)古氣候?qū)W家相信，全球氣候變化源自冰蓋的消長，通過“大洋傳送帶”驅(qū)動著全球各地的變化。

古氣候?qū)W的這種傾向性，有著研究方法上的歷史根源。許多年來，高分辨率的定量古氣候研究只能適用于最近的地質(zhì)時期。近年來的發(fā)現(xiàn)使情況發(fā)生改變：巨大的氣候變化，不僅高緯區(qū)有、熱帶區(qū)也有，不僅地球南北極有冰蓋的時候有，在沒有大冰蓋的時候也有，這就大大拓寬了氣候?qū)W的視野。原來今天的地球?qū)儆谔厥鉅顟B(tài)：近200萬—300萬年來，南、北兩極都壓在大冰蓋下，是地球歷史上至少6億年來絕無僅有的異常現(xiàn)象；在“正常”狀態(tài)下的地球兩極都沒有大冰蓋，氣候變化的主角是低緯過程，比如季風(fēng)。

300多年來，季風(fēng)一直被看成一種巨型的“海陸風(fēng)”，屬于區(qū)域性現(xiàn)象；直到現(xiàn)在方才意識到這是一個全球系統(tǒng)，為南極以外各個大陸所共有（Trenberth et al.,2000）。全球季風(fēng)貫穿著至少6億年來的地質(zhì)歷史，并且隨著各種地質(zhì)旋回而變化，包括地球運(yùn)行的軌道周期。正是全球季風(fēng)的2萬年歲差周期，導(dǎo)致了大約4000年前亞洲和非洲一系列古文明的衰亡。同樣的周期性變化也影響著大氣的化學(xué)成分，極地冰芯氣泡中的甲烷濃度和氧同位素值，也都隨著歲差周期而發(fā)生變化。有證據(jù)表明：全球季風(fēng)還給大洋碳儲庫帶來長周期變化（Wang,2009）。大洋碳儲庫在地質(zhì)歷史上呈現(xiàn)出40萬年的變化韻律，來源于偏心率的長周期，被喻為地球系統(tǒng)的“心跳”（P?like et al.,2006）。這種韻律反映的是全球季風(fēng)和低緯過程的長周期，在“正常”狀態(tài)下的氣候系統(tǒng)里扮演著主角。160萬年前極地冰蓋的大幅度增長打破了這種狀態(tài)，大洋碳儲庫的40萬年周期“拉長”（Wang et al.，2004），地球系統(tǒng)進(jìn)入“心律不齊”的狀態(tài)。

可見，偏心率長周期在全球氣候變化中起著關(guān)鍵性作用。不過大洋碳儲庫如何隨著偏心率變，其中的機(jī)理并不清楚。初步推測：由于偏心率的長周期，使全球季風(fēng)的強(qiáng)度呈現(xiàn)40萬年的周期性盛衰，引起大陸化學(xué)風(fēng)化作用的長周期變化，進(jìn)而通過大洋沉降顆粒中有機(jī)碳與無機(jī)碳的比率（即所謂“沉積雨比值”）而改變大洋碳儲庫；但是冰蓋的快速增長，可以通過洋流攪亂海洋對這種長周期的“正常”響應(yīng)。今天的地球，正在經(jīng)歷著40萬年一遇的偏心率低值期，因此理解大洋碳儲庫長周期變化的實(shí)質(zhì)、揭示其驅(qū)動機(jī)制，是古氣候研究的當(dāng)務(wù)之急。

可惜古氣候?qū)W對于長度超過105年的周期興趣不大，而現(xiàn)代氣候?qū)W又只關(guān)心與人類壽命相近或者稍微長一點(diǎn)的時間尺度。但現(xiàn)代科學(xué)卻已經(jīng)證明，氣候變化從年際到百萬年以上的時間尺度上都在發(fā)生。不同尺度的氣候變化就像俄羅斯“套娃”那樣層層重疊；不但重疊，它們還通過相互作用糾纏在一起，以至于不考慮長過程就無法正確理解較短的過程。一部科學(xué)史告誡我們：人類的大腦總是傾向于依賴自己的感官，因此科學(xué)家很容易陷入“人類中心論”的時空觀。恰如當(dāng)年的“地心說”相信人類居住的地球是宇宙的中心一樣，今天的氣候?qū)W也習(xí)慣地只考慮與人類壽命可比的時間尺度，殊不知?dú)夂蛳到y(tǒng)的“中心”并不在人類的尺度上。地球系統(tǒng)是復(fù)雜的，想把長期變化撂在一邊，只走“近路”就能找到氣候變化規(guī)律的企圖，是不可能取得成功的。

在空間上講，現(xiàn)代的大洋-大氣系統(tǒng)中有兩大對流不穩(wěn)定區(qū)：一是西太平洋暖池的上空，季風(fēng)大環(huán)流在那里輻散；另一是高緯度的大洋，北大西洋深層水在那里下沉。兩者都是深穿透環(huán)流的產(chǎn)生地（Webster，1994），都是氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：在全球氣候系統(tǒng)里前者是“引擎”，后者是“開關(guān)”。古氣候研究的重點(diǎn)不能只是以冰蓋消長為核心的高緯過程，也應(yīng)該注意季風(fēng)一類的低緯過程，因?yàn)樵谡麄€地質(zhì)歷史上低緯過程更為常見、更為典型。Pierrehumbert(2002)有個很好的比喻：“氣候是二氧化碳和水的雙人舞,而冰蓋是位重要的客串演員”。近來的100萬—200萬年，正是“客串演員”上場的一幕。當(dāng)我們在為客串演員精湛演藝喝彩的時候,可不要忘掉了雙人舞的主角。