已有的大量古气候记录显示，地球地表系统发生了一系列千年-百年尺度的气候变化（Dahl-Jensen et al.,1998），比如近一千年来，全球经历了中世纪暖期（公元1000-1500年），随后进入全球小冰期（公元1500-1850年），之后再次进入20世纪全球增温期。受地表温度变化影响，海洋也响应全球的变化，但是由于海洋巨大的热容量和漫长的海洋环流热输送过程，整个海洋完成一次增温或降温的过程需要经历1000多年的时间(Primeau，2005；Gebbie and Huybers, 2012)。这就意味着海洋可能会承载过去某个时期地表温度变化的相关信号，但是这些信号是否能检测出来？海洋的温度滞后效应是否会影响当前的全球变暖过程？这些问题目前还不清楚。 

　　为了研究2000年来海洋内部如何响应地表温度的变化，伍兹霍尔海洋研究所( WHOI )和哈佛大学的研究人员将模拟结果EQ–0015与先前海洋不同区域不同深度系统的温度观测数据，以及世界海洋环流实验结果相结合，探讨了上述问题，成果发表于Science。 

　　他们首先利用总矩阵相互比较法（TMI）(Gebbie and Huybers，2010)反演了现代海洋环流示踪观测值，在对经验环流模型进行初始化后，进行了2000年的模拟，估算出各地海洋对地表温度响应的差异。结果显示：虽然大部分海洋已经随全球变暖而升温，但太平洋深处的海水温度变化滞后了几个世纪，为响应小冰期的变化，目前反而正在降温（图1）。 

图1  海洋内部2000年对地表温度变化响应的异常值图（Gebbie and Huybers，2019）。（A）2000年来全球平均（黑线）和区域平均（彩色线）表面温度异常值；1870之前的数据来自古气候指标的估算值，1870之后为仪器观测值；（B）EQ-0015的太平洋平均温度异常值随时间演化的分布图；（C）EQ-0015的大西洋平均温度异常值随时间演化的分布图　　  

　　由于EQ-0015模拟实际上是简化模型，研究者需要通过观测数据来进一步验证。他们找到了19世纪70年代英国皇家海军“挑战者”号（H.M.S. Challenger）上的海洋温度测量数据和90年代世界海洋环流实验（WOCE）的现代观测结果。在对HMS的历史数据进行异常值筛选，并校正压力以及麻绳伸展（悬挂温度测量仪器的麻绳具有伸展性）对温度计数值的影响后，进一步通过对比分析WOCE-HMS的数据（差值）（图2）发现，全球海洋的大部分地区的上层海水（1000 m以上）都在变暖，这些区域的变暖是20世纪地球变暖的结果。但是WOCE-HMS数据（图2）同时显示，大西洋的整体都在变暖，而太平洋深部（在大约1000米以下）却正在变冷，模型的预测与实测数据是吻合的。这再次证明：太平洋深处的温度变化落后了地球表层气候变化几个世纪，太平洋仍然“记得”数百年前全球经历的小冰期。 

图2  WOCE-Challenger温差随深度的变化（Gebbie and Huybers，2019）。红线：ATL，大西洋；蓝线：PAC，太平洋；虚线：模型EQ-0015；实线：观测OPT-0015　　  

　　将大西洋和太平洋全流域温度趋势平均得到的OPT-0015与观测到的冷却趋势进行比较后发现，OPT-0015的结果和观察值的变化趋势之间显示了很好的对应关系，只是OPT-0015太平洋深部冷却趋势更强。这证明太平洋深处仍在变冷这一特征是一个真实的现象。温度趋势平均观测值OPT-0015可给出更详细的历史时期整个海洋热量变化结果，例如太平洋热异常变化趋势（图3）认为太平洋深处的冷却趋势可能导致20世纪吸收的热量下降了大约30%，意味着几百年前的小冰期寒冷期仍然通过太平洋底部正在冷却的海水来影响着现代气候的变化。 

　　上述研究预示太平洋深海的降温可能对当前全球增温会起到减缓的作用。目前大气中含有的大量温室气体将引起的增温，可以通过与太平洋海底的正在进入小冰期的冷却海水进行热交换达到平衡，从而可能减缓温室气候造成的地表大幅度增温。但是太平洋深部小冰期降温过程结束后，全球的增温幅度是否会增加可能将是一个我们亟待思考的问题。全新世10000年来发生了一系列千年尺度的气候变化，深部海洋的滞后效应在多大幅度上影响着地表气候的变化？这可能是一个将来需要进一步深入研究的前沿课题。 

图3  2000年来区域地表温度变化和海洋热量变化图（Gebbie and Huybers，2019）。( A )地表温度变化历史。包括四个主要海表层区域(彩色线)和全球加权平均值(黑线)。( B )OPT-0015模型再现的相对于公元1750全球海洋热含量异常的变化历史。( C ) OPT-0015模型再现的相对于公元1750 年太平洋热含量异常的变化历史。青色：上层，0-700米；蓝色：中层，700-2000米；黑色：深层，2000米以下；ANT:南极；NATL:北大西洋；SUBANT:亚南极；NPAC:北太平洋

　　主要参考文献 

　　Dahl-Jensen D, Mosegaard K, Gundestrup N, et al. Past temperatures directly from the Greenland ice sheet[J]. Science, 1998, 282(5387): 268-271..（原文链接） 

　　Gebbie G, Huybers P. Total matrix intercomparison: A method for determining the geometry of water-mass pathways[J]. Journal of Physical Oceanography, 2010, 40(8): 1710-1728.（原文链接） 

　　Gebbie G, Huybers P. The mean age of ocean waters inferred from radiocarbon observations: Sensitivity to surface sources and accounting for mixing histories[J]. Journal of Physical Oceanography, 2012, 42(2): 291-305.（原文链接） 

　　Gebbie G, Huybers P. The Little Ice Age and 20th-century deep Pacific cooling[J]. Science, 2019, 363(6422): 70-74.（原文链接） 

　　Primeau F. Characterizing transport between the surface mixed layer and the ocean interior with a forward and adjoint global ocean transport model[J]. Journal of Physical Oceanography, 2005, 35(4): 545-564.（原文链接） 

　　（撰稿：王静康，旺罗/新生代室）