beat365官方网站大氣與海洋科學系胡永雲教授團隊對古生代（5.4-2.5億年前）全球海洋經向翻轉環流的演變及其主控因子進行了系統數值模拟研究，成果最近發表在《科學進展》（Science Advances）。
海洋經向翻轉環流（MOC, meridional overturning circulation）指的是大洋經向和垂直方向的閉合環流，海洋經向翻轉環流對全球氣候有重要影響。就現代海陸分布而言（圖1A），MOC主要存在于大西洋。大西洋上層高溫高鹽的海水向北運動，在北大西洋下沉，從深海流回南半球，在南大洋上升，構成AMOC（圖1B）。在地質曆史時期，諸多氣候事件是與AMOC的變化聯系在一起的，比如D-O事件、新仙女木事件等。
圖1：現代和4億年前的海陸分布、全球海洋經向翻轉流和緯向平均風應力。上排：現代，下排：4億年前。在B和E中，紅黃色表示順時針運動，藍色表示逆時針運動。
古生代指的是5.41-2.5億年前這一時期。在古生代早期，大陸主要散布在南半球中高緯度（圖1D），後來逐漸聚合，并向北半球移動，在2.5億年前後形成縱貫南北極的潘吉亞超大陸。古生代海陸分布與現代的差異如此之大，其GMOC的形态和強度與現代的有何差異？随着古生代大陸演化，GMOC如何演變？什麼因素主導了GMOC演變？這些是該項研究所關注的科學問題。
使用海氣耦合氣候模式（CESM1.2.2），該團隊開展了兩套模拟試驗，第一套試驗重建了古生代氣候演化（Group I）。第二套試驗固定溫室氣體濃度與太陽常數不變（Group II），僅海陸分布變化。
結果表明，古生代GMOC在南半球下沉，北半球上升，與現代的方向相反（圖1E）。分析發現，海陸分布導緻的兩個半球之間風應力的差異決定了古生代GMOC的方向和強度。在古生代早期，大陸主要在南半球，北半球幾乎全部是海洋。北半球開闊的洋面有利于西風驅動繞北極洋流（類似現代的南極繞極流），從而産生很強的埃克曼上翻。對比圖1C和1F可以看出，古生代風應力最大值在北半球中緯度，而現代的在南半球。相對來講，半球間密度的作用弱得多。
圖2：GMOC強度和風應力演變。實線和虛線分别是Group I和Group II的結果。紅線表示GMOC強度，藍線表示北半球中緯度（30°N~60°N）緯向平均風應力。圖片左上角标出了兩組試驗中GMOC強度與風應力的相關系數。
圖2表明古生代GMOC演變和風應力密切相關，相關系數高達0.85。随着大陸逐漸移動到北半球，北半球地表粗糙度增加，阻力加強，西風減弱，埃克曼抽吸減弱，GMOC也相應地減弱。對比兩組試驗結果表明，在構造時間尺度上，溫度變化（CO2濃度）對GMOC幾乎沒有影響，因為兩組試驗中的GMOC強度和風應力的差異很小。
從圖2可以看出，GMOC與風應力的相關性在420 - 350 Ma這個時段相對較弱，這與海陸分布有關。在該時期，赤道附近沒有陸地，熱帶東風驅動強的自東向西的赤道貫穿流，在科裡奧利力的作用下，海水向北運動。與此同時，北半球中緯度西風驅動的海水向南流動，在10°N-30°N形成海水堆積，造成海表高度異常高（圖3中的棕色區域），産生南北半球間壓力差。該壓力差導緻上層海水從北半球向南半球流動，加強了風應力驅動的GMOC。該發現豐富了對于MOC驅動機制的認知。
圖3：海表高度差影響GMOC方向和強度示意圖。白色箭頭表示風驅動的表層海水運動方向。
該項研究為我們理解現代大洋環流提供了重要的啟示。早期關于AMOC的研究認為，北大西洋高鹽度海水下沉是AMOC的驅動力。近期研究表明，南大洋西風驅動的埃克曼上翻也是AMOC的重要驅動力。因此，這裡的古生代研究進一步表明了風應力是驅動大洋翻轉流的重要因素。該研究還發現，海表面高度差也是驅動大洋環流的重要因素，這一發現是過去的研究中未曾注意到的。
博士生袁帥和劉永崗教授為論文的共同第一作者，胡永雲教授為通訊作者。該項研究是由國家自然科學基金委基礎科學中心項目“大陸演化與季風系統演變”（42488201）和國家傑出青年科學基金項目（42225606）共同資助完成。
全文鍊接：Shuai Yuan, Yonggang Liu, Yongyun Hu, Jie Mei, Jing Han, Xiujuan Bao, Xiang Li, Qifan Lin, Mengyu Wei, Zhibo Li, Zihan Yin, Kai Man, Jiaqi Guo, Yue Liu, Jiacheng Wu, Jian Zhang, Qiang Wei, Jun Yang1, Ji Nie, 2023: Controlling Factors of the Strength of Global Meridional Overturning Circulation (GMOC): A lesson from the Paleozoic.Science Advances,10, eadm7813 (2024),https://doi.org/10.1126/sciadv.adm7813.
