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北半球冰盖地形导致的南半球气候变率

摘要

末次盛冰期北半球大冰盖的存在和温室气体浓度的降低从根本上改变了全球海洋-大气气候动力学1。模式模拟和古气候记录表明,冰川边界条件影响了El Niño-Southern振荡2,3.这是短期全球气候变率的主要来源。然而,人们对中高纬度地区短期气候变率的变化知之甚少。在这里,我们使用来自西南极洲的高分辨率水同位素记录来证明,在南纬高纬度地区,末次盛冰期的年际和年代际气候变化几乎是随后的全新世(过去11700年)的两倍。气候模式模拟表明,这种增加的变率反映了热带太平洋和西南极洲之间遥相关强度的增加,这是由于热带对流平均位置的变化。这种转变反过来又可归因于北美冰盖的地形和反照率对大气环流的影响。随着地球冰川消融,远相关强度的最大和最突然的下降发生在大约16000年至15000年前,随后缓慢下降到全新世早期。

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图1:WDC高频信号强度。
图2:海洋和大气变率指标。
图3:HadCM3遥连强度。
图4:HadCM3机制属性。

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下载参考

致谢

本研究获得美国国家科学基金会(NSF)资助项目:0537593、0537661、0537930、0539232、1043092、1043167、1043518和1142166。野外和后勤活动由美国沙漠研究所WAIS分科科学协调办公室和美国新罕布什尔大学管理(NSF拨款0230396,0440817,0944266和0944348)。美国国家科学基金会极地项目分部资助了冰钻探项目办公室(IDPO)、冰钻探设计和操作(IDDO)小组、国家冰芯实验室(NICL)、南极支持承包商和第109纽约空军国民警卫队。W.H.G.R.由Leverhulme信托研究项目基金资助。所有HadCM3模型的模拟均使用布里斯托尔大学高级计算研究中心(http://www.bris.ac.uk/acrc/)。我们感谢P. J. Valdes和J. S. Singarayer提供的模型模拟,以及作为PMIP2/3的一部分提供气候模型数据的小组。

作者信息

作者及单位

作者

贡献

t.r.j., W.H.G.R.和E.J.S.设计了这个项目,并主导了论文的写作。t.r.j., j.w.c.w., E.J.S.和B.R.M.贡献了水同位素测量。W.H.G.R.进行了HadCM3模拟并主导了模型分析。t.r.j., k.m.c., E.J.S.和J.W.C.W.发展了扩散校正计算。B.R.M.贡献了变化点检测算法和功率密度比计算。所有作者都讨论了结果并为稿件提供了意见。

相应的作者

对应到t·r·琼斯

道德声明

相互竞争的利益

作者声明没有与之竞争的经济利益。

额外的信息

出版商注:b施普林格《自然》杂志对已出版地图的管辖权要求和机构从属关系保持中立。

扩展数据图和表

扩展数据图1信号检测。

一个, 500年光谱数据窗口计算的1年、2年、3年和4年周期的相对振幅,归一化为最近数据窗口的年信号值。气候和扩散都会影响这些高频信号的振幅。然而,主要是扩散的影响,造成年信号的损失在bb1014k年前。同样,在17 kyr前至19 kyr前,WDC的扩散速率最高,2年周期损失16。在过去的31年里,bb0 - 3年的周期在扩散中幸存下来。b反褶积计算的一个例子,显示了观测到的δD水同位素记录(即原始数据;虚线(红色)和扩散校正记录(黑线)。虽然本文的数据没有使用这种计算,但它可以直观地帮助理解扩散校正后的水同位素记录在时域中的样子。我们在频域中进行了所有的扩散校正计算,以减少不确定性。c, 1951 - 2017年南方涛动指数的功率密度谱(黑色;95%置信区间(灰色),与从与南方涛动指数具有相同自相关和方差的合成数据的100个功率谱的平均值计算的红噪声零假设(红色)相比。南方涛动指数在2 ~ 17年的广谱峰上的功率大于红噪声,可细分为2 ~ 7年的高频峰和8 ~ 17年的峰。由于现代观测的时间跨度有限,不能充分确定南方涛动指数的多年谱估计。d,利用WDC水同位素数据500年窗口进行扩散校正的相对振幅。e连续5毫米WDC水同位素样品的年龄差异(蓝色)和500年滑动平均值(红色)。f, WDC积累速率63,倒。累积量(以每年冰当量米为单位),并引申为连续5毫米WDC水同位素样品的年龄差异e在18.5 kyr前的消冰期发生了较大的变化,比16 kyr前遥相关强度的变化点早2.5 kyr。

源数据

扩展数据图2变更点检测。

一个, 500年数据窗的WDC 4 - 15年变率(虚线为1)σ不确定性;见的方法)。b回归检验算法确定WDC第一次显著变化的4 - 15年变异性一个。下面的第一个彩色数据点P-value显著性阈值发生在16.44年前。c,以15.54 kyr前为中心的100年数据窗口的扩散校正计算示例;原始数据(黑色),扩散校正数据(蓝色),高斯拟合(红色),虚线1σ不确定性界限(见方法)。同样的计算也适用于500年的数据窗口。d在100年分辨率下计算的扩散校正4 - 15年振幅(绿色)的子集。这些值归一化为16.24 kyr前的振幅值,表示向更小振幅变化的点。

源数据

扩展数据图3 ASL可变性。

面板一个b显示方差σ2这些指标Z美国手语(黑色)和Z当地的(蓝色)。一个指数由月平均数据计算,然后用4 - 15年带通滤波器滤波。b,各项指标由年平均产量计算得出。我们计算Z美国手语为55°-70°S和195°-240°e区域的平均500-hPa高度Z美国手语线性去除海温后pac500 hpa高度场时间序列;这是与热带太平洋无关的ASL变异性(Z当地的;见的方法)。的方差,则标记未填充Z美国手语在每个时间片上有95%的显著差异(F(测试)到工业化前时期。c, 21千年前与工业化前500 hpa高度场方差变化图。d与ENSO线性相关的变率,Zpac(这是从Z美国手语屈服Z当地的)。e线性去除ENSO影响后的变率(见方法;这相当于Z当地的)。与ENSO无关的变化发生在阿蒙森海的北部,而阿蒙森海的变化与ENSO有关。在c- - - - - -e等高线间距为40米2,每隔80米就会换一次颜色2。负的轮廓是虚线。

源数据

扩展数据图4 ENSO事件500 hpa高度场复合图。

一个- - - - - -c、“前工业时代”的复合材料(一个)、“全21ka”(b),以及“整个21世纪”与“工业化前”模拟的区别(c)。使用蒙特卡罗检验,当统计显著性超过95%时,轮廓被填充(不是白色)。负的轮廓是虚线。在一个b等高线每5米绘制一次,颜色在±25米处饱和。蓝色细框显示了计算ASL索引的位置。在c等高线每2.5米绘制一次,颜色在±12.5米处饱和。

图5热带太平洋到asl远距连接强度,使用“Full 28-0ka”模拟计算。

一个,阿蒙森海区域平均500 hpa位势高度异常,在图中紫色框内计算图4 .扩展数据。这些值是从仅使用ENSO事件大小的下限构建的组合中获得的(参见主要文本和方法)。b,t-score用红线表示。红色阴影区域以外的值与工业化前值的统计差异为95%。

源数据

扩展数据图6有无上界的500 hpa高度场复合图。

一个使用“Full 21ka”模拟无上限远距连接。b使用“Full 21ka”模拟的上限远距连接。c“全21ka”模拟与没有上限的“工业化前”模拟之间的远距连接差异。d与…相同的区别c有上限。在所有面板中,当使用蒙特卡罗检验,统计显著性超过95%时,负轮廓被虚线,轮廓被填充(不是白色)。在一个b,等高线每5米绘制一次,颜色在±25米处饱和。在cd,等高线每2.5米绘制一次,颜色在±12.5米饱和。

图7 PMIP2/3模式下ENSO事件500 hpa高度场复合图。

对于中的每个模型一个- - - - - -k,顶部面板显示了“工业前”复合材料,底部面板显示了“完整21ka”和“工业前”模拟之间的差异。在底部面板中,使用蒙特卡罗检验,当统计显著性超过95%时,填充轮廓(非白色)。在顶部的面板中,等高线以5米的间隔绘制,颜色在25米处饱和。在底部的面板中,等高线以2.5米的间隔绘制,颜色在±12.5米处饱和。负的轮廓是虚线。与中所示的面板相比,这些面板的统计显著性降低图4 .扩展数据,6,89是由于PMIP2/3档案中可用的数据系列较短。

图8 21年前复合地图对不同边界条件的敏感性

所有的图都显示了21-kyr和0-kyr复合材料之间的差异。复合材料是使用ENSO事件大小的上限和下限构建的。等高线每2.5米绘制一次(负等高线虚线),颜色在±12.5米饱和。使用蒙特卡罗检验,当统计显著性超过95%时,轮廓被填充(不是白色)。一个,“全21ka”模拟。b,“21ka轨道+温室气体”模拟。c,“21ka冰原”模拟。d,“21ka Shelf Exp”模拟。e,“21ka LCIS only”仿真。f,“21ka LCIS反照率”模拟。每个模拟都在补充数据

图9降水和海温的年平均距平。

21千年前相对于前工业化时期的异常地图。一个,“全21ka”模拟。b,“21ka冰原”模拟。c,“21ka LCIS only”仿真。d,“21ka Shelf Exp”模拟。年平均值是根据100年的产量计算出来的。降水等高线间隔为每天1毫米,海面温度为0.5°C。陆地面积用灰色表示。注意,温度的颜色范围一个温度范围为−4℃~ 0℃。这解释了在“全21ka”模拟中看到的平均温室气体冷却。

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琼斯,T.,罗伯茨,W.,斯泰格,E。et al。北半球冰盖地形导致的南半球气候变率。自然554, 351-355(2018)。https://doi.org/10.1038/nature24669

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