南极冰盖流域在中更新世气候转型期前的级联式突变序列及其机制

《Nature Communications》：Sequence of abrupt transitions in Antarctic drainage basins before and during the Mid-Pleistocene Transition

本研究针对中更新世气候转型（MPT）的驱动机制这一古气候学难题，通过并行冰盖模型（PISM）模拟了过去300万年来南极冰盖（AIS）的演化。研究发现，西南极冰盖（WAIS）的多个流域在1.9-0.8 Ma期间发生了不同步的结构重组，并首次揭示了Thwaites流域存在三稳态（tri-stability）现象。这些阈值行为及其复杂相互作用在MPT前后放大了~100 kyr尺度的气候变率，为理解冰盖动力学对长期气候循环的调控作用提供了新视角。

　　

在地球气候演化的长河中，中更新世气候转型（Mid-Pleistocene Transition, MPT）是一个令人费解的谜题。大约在120万至80万年前，全球冰期-间冰期循环的主导周期从4.1万年突然转变为10万年。这种转变意味着更厚、更庞大的冰盖开始出现，但究竟是什么机制触发了这一重大变化？传统观点多强调北半球冰盖与气候的相互作用，而南极洲——这片被冰雪覆盖的孤独大陆——在其中扮演的角色却一直模糊不清。

问题的关键在于，南极冰盖，特别是其基底大部分位于海平面以下的西南极冰盖（West Antarctic Ice Sheet, WAIS），本身就是一个潜在的“气候 tipping element”。它的稳定性受到海洋温度、海底地形、冰盖动力学等多重因素控制，可能表现出滞后行为（hysteresis behavior）。也就是说，冰盖的演化不仅取决于当前的气候条件，还受到其历史状态的深刻影响。然而，由于缺乏长时间尺度、高分辨率的模拟数据，科学界对南极各冰流流域在百万年时间尺度上的具体演化过程及其与全球气候变率的联系知之甚少。

为了揭开这一谜团，由瑞士伯尔尼大学的Christian Wirths领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们利用并行冰盖模型（Parallel Ice Sheet Model, PISM），首次对过去300万年来南极冰盖的演化进行了连续、高分辨率的模拟，重点关注了各个排水流域（drainage basins）的独立行为及其相互作用。

研究人员采用了一种称为“气候指数法（climate index approach）”的创新方案。该方法的核心是将全球气候模型（GCMs）模拟的特定地质时期（如末次盛冰期LGM、末次间冰期LIG、上新世暖期mPWP）的“气候快照”，与一个来自地质档案（如全球底栖有孔虫δ¹⁸O、南极冰芯记录）构建的、连续演化的“气候指数”时间序列相结合，从而生成驱动冰盖模型所需的、跨越百万年时间尺度的连续气候强迫场。研究团队进行了六组不同模型参数配置的模拟实验（见表1），以充分考虑冰流物理过程（如基底滑动律、冰增强因子）和海洋强迫（如海表温度SST校正目标）的不确定性。

模拟结果描绘了一幅动态的南极冰盖演化图景。在上新世晚期，全球深海温度比现今更高，阻止了大型冰架的发育，西南极冰盖无法向海洋盆地推进。从大约190万年前开始，南极冰体积呈现出增长趋势，其上叠加着冰期-间冰期波动。这一长期增长主要是由西南极冰盖的扩张驱动的，直至MPT结束，Thwaites冰川的接地线（grounding line）推进到接近现代的位置。

研究最引人注目的发现在于南极各流域对气候强迫的差异性响应。根据其动力行为，研究者将南极排水盆地划分为三种类型：A类盆地（如Wilkes盆地）对气候变化呈现渐进式响应，未表现出明显的突变阈值；B类盆地（如Ross盆地）在跨越特定强迫阈值后，冰体积和变率显著增加；而C类盆地（如Thwaites、Ronne和Amery盆地）则表现出更为复杂的响应，其特征是存在两次显著的快速状态转换，意味着冰体积可能在三种偏好状态之间跃迁，即存在“三稳态”（tri-stability）。

为了验证这些阈值并探究其可逆性，团队进行了准平衡滞后回线（hysteresis）实验。结果清晰地显示，西南极冰盖的各个盆地存在不同的临界点。例如，从温暖气候状态开始冷却时，Ross和Ronne盆地首先在气候指数低于0.8-0.85时跨越其冰盖前进阈值；当指数低于0.55时，Thwaites盆地开始大规模冰川化；指数低于0.2-0.15时，Thwaites接地线进一步推进至接近末次盛冰期的位置。在气候回暖过程中，阈值同样存在，但对应的气候指数值更高，表现出典型的滞后行为。Thwaites盆地的三稳态行为尤为显著，其中间状态在瞬变模拟中出现的频率很高，表明其对超出平衡阈值的扰动具有一定的抵抗力，这是慢速 tipping element 的典型特征。

三百万年的南极冰盖变率

模拟显示，上新世晚期南极海平面等效冰体积比现今少8-9米。从约200-190万年前开始，冰体积呈现增长趋势，西南极冰盖的扩张是主因。相对寒冷的间冰期条件（80-40万年前）有助于西南极冰盖的稳定，而其后更暖的间冰期（如MIS 11, 9, 5）则导致其周期性崩塌。

区域变率变化的不同阈值

研究揭示了不同流域对气候强迫的异质性响应。A类盆地响应平缓；B类盆地在跨越阈值后冰体积和变率剧增；C类盆地则表现出三稳态特征，与接地线在海洋性盆地的进退密切相关。

西南极冰盖内部相互关联的状态转换

滞后实验证实了各盆地存在明确的临界阈值。这些阈值的跨越顺序性地导致了稳定海基冰盖的形成。模拟表明，在未来气候比现今略暖的情况下，西南极冰盖的部分区域有可能重新生长。

MPT前以10万年为周期的西南极冰盖变率

从190万年前开始，Ronne和Ross盆地的接地冰体积就出现了8-12万年的周期，Thwaites盆地则从150万年前开始。尽管气候强迫在MPT前一直以4.1万年周期为主，但Thwaites盆地的冰体积变率自其开始发育起就主导了~10万年周期。这种放大效应源于西南极冰盖各盆地独特的阈值和稳定性，可能导致冰盖在某些配置和气候条件下“跳过”间冰期的崩塌事件。西南极冰盖各盆地间的相互关联可能是150万年后8-12万年周期占主导的原因。

综上所述，这项研究揭示了过去300万年来南极冰盖不同区域之间复杂的相互作用，将气候强迫转化为冰盖体积的变率。特别重要的是，西南极冰盖在190万至80万年前依次跨越了一系列关键阈值，最终形成了一个稳定的海基冰盖。研究还首次提出了Thwaites盆地的三稳态机制，该机制在MPT期间及其之前放大了8-12万年波段的气候变率。这项工作支持了南极冰盖动力学通过海基冰盖的形成及相关气候反馈对MPT做出贡献的假说。该研究不仅深化了对过去气候突变机制的理解，也为预测未来冰盖稳定性及其对海平面变化的潜在影响提供了重要的动力学框架。