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张旭:“复原”古气候 “预言”大未来
——记兰州大学资源环境学院教授张旭

作者:□ 刘玉杰    发布时间:2019-06-05

导读:  他长期从事极端气候、气候动力学及不同尺度气候变化的研究,同时也是第一个获得德国亥姆霍兹联合会极地海洋研究所Heinrich Medal杰出贡献奖的青年学者。听他讲述气候研究内容,就如同亲历一场科幻大片,带领我们穿过浩渺时空,了解古气候的变迁。

  “我主要是做气候变化的研究,侧重从古代的气候变化中找到规律,为未来的气候变化提供借鉴。”张旭开门见山地说,“古气候研究的一个依据就是通过古地质记录或者从古海洋沉积物中得到一些信息,从而来看过去整个地球系统的变化规律。”
  在古海洋研究这个大的方向中,张旭更侧重通过模拟的方式来解释从数据中所观察到的现象。“小学的时候我们都会学看图说话,而我们就是利用一些记录曲线,比如黄土的记录,来看过去发生过什么现象,再结合气候学,比如大气动力过程、海洋动力过程,来研究现象背后的动力机制。也就是用现在所知的动力框架来解释古代气候中所发生的现象。”张旭解释道。
  在两个小时的采访中,记者听张旭讲述他的研究内容,就如同亲历一场科幻大片。正因有了张旭和其同行的潜心研究,我们才能在穿过浩渺的时空后,还能了解古气候的情况,才能预见未来气候衍变的方向。
  
回首向来处 十载求学路
  
  古气候记录里的现象,根据其频谱差异可分出百年—千年尺度事件,次轨道—轨道尺度事件,以及地质构造尺度事件。而张旭关注的是百年到千年尺度的变化。“在我们的生活中,人们所能经历的气候突变应是在几年或者几十年内发生的,这与千年事件中气候突变的时间尺度一致。因此,自从千年事件被发现以来,已有大量的工作致力于研究其产生的动力机理,因为这对我们了解全球变暖背景下的气候响应尤为重要,但在我的工作开展之前,并没有一个完善的理论框架能很好地融合不同重建记录的信息来解释千年事件的发生。”张旭告诉记者,“如果能在机理方面有所突破,那将为我们利用气候模型预测未来气候变化提供宝贵的参考。”
  回想起当时进入气候研究这一领域,张旭觉得既有偶然因素,也是兴趣使然。“2003年高考的时候,受父母的影响,我选择了离家近的中国海洋大学,报考了当时最热门的海洋科学专业,但后来我被调剂到了大气科学专业。刚听到这个名字时,我都不知道这个专业是做什么的。”张旭说,后来他才知道,当年是因为我国急需天气预报方面的人才,才被调进了这个专业。
  本科期间,张旭是班长,同时也是党员。本科毕业,他本打算找工作直接就业。然而巧合的是,当时他参加了中国大学生“挑战杯”创业计划大赛,并获得了全国一等奖,因此被保送读研,继续学业。
  攻读硕士研究生期间,张旭主要研究季风变化的动力过程。当时,中国海洋大学有一个很好的平台——与德国布莱梅大学联合办学。“我挺感兴趣的,也想出去体验一下外面的科研氛围。”于是,张旭进入了德国不来梅大学攻读博士学位。
  张旭的求学之路看似一帆风顺,实则充满坎坷。在2010年刚到德国读博士时,他接触到了一个新的领域——古气候模拟。在德国AWI极地与海洋研究所,他就负责这一领域中的冰期气候模拟。这是一个全新的领域,在他之前所里没有人做过类似的研究,也就没有经验可供借鉴。因此,在经过了4年废寝忘食的苦心研究后,张旭才发表了自己的第一篇博士论文。“我都想放弃了,研究做了那么久,都没有任何成果,这对我的自信心是个很大的打击。”张旭回忆起那段经历依然感慨良多,“多亏当时有我爱人的鼓励。等我坚持过来,也就豁然开朗了。”
  
“痴缠”气候突变研究 探索新动力机制
  
  多年研究工作中,张旭专注于探索动力机制,在他与气候突变相关研究的“痴缠”中,取得了丰硕了成果。
  在20世纪80年代,科学家们在格陵兰岛的冰芯记录里发现,在过去的10万~2万年间——也就是末次冰期,北半球高纬度地区的温度可在短短几十年内发生超过15℃的剧烈变化,此类突变现象的发生与大西洋经向翻转流的变化有着密不可分的关系。主流的观点认为冰盖坍塌导致的大量淡水注入是引起翻转流停滞和温度突变的主因,但是最新的沉积物数据指出,冰盖坍塌的发生明显滞后于海洋环流的变化。
  张旭及其团队利用气候模拟,分别在2014年和2017年在《自然》(Nature)和《自然—地球科学》(Nature-Geoscience)杂志刊文,提出了两套全新的并且相互耦合的动力框架,来解释这类气候突变。在这项工作最新进展中,张旭指出:“在冰阶期,大西洋经向翻转流是一个停滞状态,北大西洋温度较低;随着二氧化碳浓度的升高,热带海洋将出现类厄尔尼诺(El Nino)现象的海表温度响应,导致赤道东太平洋的增温远快于副热带大西洋,这将造成赤道信风的增强,使得更多的水汽从大西洋输送至太平洋,引起北大西洋海表盐度及密度升高,逐渐削弱北大西洋深水生成区的垂直层结;当二氧化碳浓度升高到一个临界值后,冰阶期原本稳定的垂直层结被打破,垂直混合加剧,整个经向翻转流重新启动,进而引起北半球温度的突然升高。”
  这一研究成果,揭示了大气二氧化碳浓度可通过热带过程触发气候突变,导致北半球高纬度地区温度的显著变化,受到业内广泛关注。
  
首次确认北太平洋存在千年尺度淡水
  
  此外,张旭及其团队在2018年7月刊的《自然》(Nature)杂志上还首次确认了北太平洋存在千年尺度淡水,并解释了冰期绕极地遥相关的动力机制。
  自20世纪80年代末在格陵兰冰芯中确认了千年突变事件以来,气候突变一直是古气候研究领域的一个热门话题。迄今已有大量可靠的古海洋记录显示,北大西洋千年事件与北美的Laurentide 冰盖的变化有着密切的联系。张旭介绍:“在Heinrich事件期间,北大西洋海洋沉积物中可观测到冰盖坍塌导致冰携碎屑数据,表明此时有大量的淡水注入北大西洋,导致了整个大西洋翻转流的进一步减弱,进而引起全球气候变化的连锁反应。”
  而北太平洋地区东北紧邻北美的 Cordilleran冰盖,其冰量变化可导致高达8m的全球海平面升高,但因为缺少可靠的数据,其在千年事件中的作用尚不明确,这进一步阻碍着人们了解海盆间气候响应的动力学过程。
  为此,张旭及其团队通过对过去5万年的硅藻δ18O记录研究发现,北太平洋存在千年尺度的淡水事件;他们还利用含有氧同位素的海气耦合模式,通过多组淡水注入实验(hosing experiments),揭示了Cordilleran冰盖融化的机制:北大西洋经向翻转流(AMOC)减弱,导致赤道辐合带南移和赤道东太平洋升温,这将造成赤道西太平洋降水减少,进而通过大气波列北传(太平洋—北美PNA波列),导致阿留申低压加强,使得更多的暖水从副热带输送至极地,东北太平洋次表层增暖,促进了Cordilleran冰盖的融化和东北太平洋的淡水注入;随着东北太平洋海洋垂直混合的减弱,次表层增暖进一步增强,进一步加速了冰盖融化,形成正反馈机制。
  但此正反馈机制受限于背景温度。如果高纬度背景温度过冷,异常冷的北太平洋中层水将控制北太平洋的海温变化,这大大削弱了由AMOC变化导致的东北太平洋次表层海水的增温,进而遏止了正反馈机制的发生。这也解释了3万年前的“Heinrich Stadial 3”时期,东北太平洋显著淡水注入信号为何会缺失。
  此项研究揭示了北太平洋在北半球冰期气候千年变率中的响应及反馈机制,为了解北太平洋和北大西洋之间的遥相关机制提供全新的认识,为研究未来气候变化背景下的北大平洋和北大西洋之间的波动关系提供了重要的参考。
  
深耕五个维度 梳理丝路变迁
  
“亚洲中部干旱区是当前国家绿色丝绸之路建设的核心区域。近期研究显示,在全新世——也就是11500年以来的‘千年—百年—年’代际尺度上,这个区域的气候—水文变化均具有不同于亚洲季风区的独特性。此外,这一区域分布着东西方文化、技术与物质交流的重要通道,其人—环境相互作用频繁,而水资源的稀缺则进一步加大了这种相互作用的剧烈性。”采访中,张旭告诉记者,这些独特性和剧烈性,都是吸引其深入研究的重要因素。
  而系统地开展亚洲中部干旱区气候变化影响与丝路文明变迁研究,还有着特别重大的战略意义。“它不仅能够推动干旱区气候变化理论框架的建立,具有科学上的前沿性;而且可为丝路社会经济建设提供历史借鉴和气候环境背景,具有国家需求上的迫切性。”张旭表示。
  围绕需要攻克的关键技术问题,在中国科学院青藏高原研究所陈发虎院士的带领下,张旭和他的同事们正在进行以下5个方面的研究,且均取得了丰硕的阶段性成果。
  气候环境变化序列与重大突变事件重建。根据现代气候变化特征,在塔吉克斯坦和伊朗黄土区选择两个代表性剖面,获取全新世沉积物;在中亚干旱区关键地点选择5个高山湖泊,开展岩芯钻探,获取连续的全新世沉积岩芯;在中亚干旱区选择5个流域,采集过去千年以来的树轮样芯。开展高精度年代测定。最终重建全新世多时间尺度气候环境变化序列,揭示重大突变事件的时空格局、幅度及对盆地水资源的影响。
  气候—水文突变与机制模拟。开展全新世以来全球气候的瞬变模拟,定量分析不同边界强迫及其协同作用对不同时空尺度气候变率的贡献;结合全球及中亚干旱区的重建数据,探索百年—千年尺度气候突变事件的驱动因子、动力过程及其全球遥相关机制;并以此为基础,结合陆表水文模型,研究气候突变事件与中亚干旱区水文变化的时空关系。
  史前东西方交流与丝路文明兴衰。在重建亚洲中部干旱区史前人类活动的时空框架后,基于历史文献和国内外研究成果,对干旱区2000年以来丝路文明兴衰的历史过程和变迁情况进行系统提取和梳理。选择文献记录稀缺的古丝绸之路关键节点,对历史时期的古遗址开展系统的考古学调查和样品采集,通过年代测试、古城形制和文物特征对比,研究这些东西方文化交流关键区域的人类活动时代;与历史文献记录进行对比分析、验证和补充,进一步完善不同区域丝路文明兴衰和丝路变迁的时空过程。
  人地系统的耦合关系和概念模型构建。通过对重大事件进行对比,汇总分析影响丝路文明兴衰的自然和人文因素,评估其权重并梳理其关联机制,提出区域尺度“气候—水文—绿洲—文明”系统演化的概念模型。进一步将不同关键节点区域的研究结果进行对比,分析不同区域文化兴衰及主导影响因素的共同规律与空间差异,分析不同时间阶段影响大陆尺度丝路文明兴衰的自然和人文因素及其关联机制。在此基础上,结合现代气候变化观测和古气候模拟的空间模态,通过气候格局、水文变化、绿洲演化到丝路文明兴衰各环节的相关性分析和耦合模型的构建,建立大陆尺度“气候—水文—绿洲—文明”系统演化的概念模型。
  气候环境变化情景预估与丝路文明发展。针对亚洲中部干旱区生态环境变化特征和驱动因素,综合现阶段有关可持续发展研究的评估方法,建立包括历史和现代生态环境特征、生态环境变化驱动力、生态系统稳定维持能力、生态系统服务功能等特征的干旱区生态环境变化综合评估指标体系,评估其生态环境的可持续发展能力。基于全球增暖2℃干旱区气候环境变化情景和人地系统耦合关系模型的研究结果,结合区域政治经济形势和发展政策,综合分析干旱区可持续发展面临的风险和机遇,并提供相应的应对措施和咨询建议,为绿色丝绸之路建设实践提供决策参考。
  
从邂逅到栖居 结缘兰州大学
  
  经常有人问张旭,在国外生活工作多年,为什么要选择回国?“回国这是必然的,因为我们都是中国人。”张旭每次都斩钉截铁地回答。他说,在国外的时候,才会知道爱国、思念祖国的情绪有多浓烈,因此回国是必然的。
  2017年,张旭因为一个偶然的机会,被邀请到兰州大学讲课。期间,他发现兰州大学的学习、科研氛围非常好,而且他的研究与兰州大学陈发虎院士团队的研究契合度非常高。在张旭打算回国的时候,兰州大学向他抛出了橄榄枝,给他提供了非常宽松的科研条件,于是他决定留在兰州大学。依托兰州大学他还申报了青年海外高层次人才引进计划。
  回国后,张旭充分利用自己的优势,并依托兰州大学的优秀平台,在模拟研究方面不断深耕。
  “兰州大学环境资源学院在古气候重建,尤其是树轮、湖泊、黄土等陆相载体方面,有着丰富的经验并积累了大量的数据。”张旭告诉记者,他希望在两到三年的时间内,在兰州大学建立一个具有活力的气候模拟研究团队,并以此弥补此前因缺少数值模拟而导致的动力机制解释方面的欠缺。
  “学校对数值模拟这块工作非常关心,并计划建设一个学校级别的超算平台。等超算平台建成之后,我们有信心在气候变化相关领域产出一系列重要的研究成果。”张旭信心满满。
  
重建与还原 未来与预测
  
  张旭告诉记者,未来他将与陈发虎院士等专家一起做许多“有意思”的研究。“太阳辐射变化是否是导致千年突变的外部驱动因素?东亚石笋氧同位素是否可反映千年—轨道尺度东亚夏季风降水强弱?这些都值得我们好好探索。”
  和千年突变事件一样,对于石笋中氧同位素是否可以代表东亚古夏季风的强弱,一直以来也是学界争论的一个重点。迄今为止,无论是通过古季风重建,还是通过数值模式,都没能给出一个合理且统一的解释。张旭介绍:“目前用于此项工作的数值模型,要么是中间复杂程度的气候模式,大气模块过于简化,缺少真实的大气动力过程;要么是大气环流模式,需要人为限定海表温度、氧同位素等边界强迫,缺少了海气的耦合过程。”
  因此,两者都不能很好地刻画千年—轨道尺度上东亚夏季风降水强度与氧同位素变化的关系。“我们打算利用德国AWI研究所发展的含有氧同位素模块的地球系统模型,通过一系列的敏感性实验以及长期瞬变试验来检验不同季风区,夏季风降水与氧同位素的关系,为千年—轨道尺度上全球季风的重建提供机制解释。”张旭说。
  此外,张旭正在与英国卡迪夫大学的Steve Barker教授合作,利用在国际海洋钻探计划IODP中获得的最新的海洋沉积物数据,结合数值模拟,重建末次冰期旋回的古海平面及冰量变化,并在最大程度上降低海平面的重建误差。
  张旭介绍:“过去的模式研究指出,冰期气候突变的产生与冰量和大气二氧化碳浓度的多少有着密切的联系。两者不同的配置可通过改变大洋环流双稳态结构解释冰期之间发生的气候突变现象,但这并不能定量两者在不同突变事件中的贡献。在古气候记录中,南极冰芯可以提供相当准确的古大气二氧化碳的浓度信息,相比之下,海平面重建的不确定性非常大,因此,若想定量分析冰量与大气二氧化碳在气候突变中各自的贡献,需要有较为精准的海平面重建数据。”
  未来已来,古气候研究无止境。在张旭娓娓道来的“科幻大片”中,一幅浩渺壮阔的气象画卷缓缓展开。无论是“复原”古气候,还是“预言”大未来,张旭和他的同行们正在做的研究,都将在人类对气候衍变的认知上,施以厚重的笔墨。科
  
专家简介:  
  张旭,兰州大学资源环境学院教授。本科及硕士毕业于中国海洋大学、博士毕业于德国不来梅大学,德国不来梅大学AWI极地与海洋研究所古气候动力学博士后,曾任德国AWI极地与海洋研究所古气候动力学研究员。主要从事极端气候、气候动力学及不同尺度气候变化研究。目前已在Nature、Nature Geoscience等国际著名期刊发表或合作发表论文30余篇,是第十四批青年海外高层次人才引进计划项目获得者、PMIP4气候突变工作组组长,Nature Geoscience、Nature Communications、Science Advances等期刊评审专家。
  主持或参加科研项目(课题)及人才计划项目情况:德国亥姆霍兹资助项目“Transient deglacial simulations in an earth system model with interactive ice-sheet dynamic”(PD-301)、德国教研部BMBF资助项目“(Palmod)From the Last Interglacial to the Anthropocene: Modeling a Complete Glacial Cycle”、国家自然科学基金面上项目(4157050079)“北极放大的关键区反馈机制及其对东亚气候的影响”、国家自然科学基金面上项目(41676054)“末次冰消期以来东北印度洋大气CO2浓度重建及其气候效应”、中德NSFC-BMBF(中国海洋局一所、德国AWI)合作项目“North Pacific Ocean in Warming Climate During the Quaternary”、第十四批青年海外高层次人才引进计划项目、青岛海洋科学与技术试点国家实验室主任基金(QNLM201703)“北太平洋冰期千年尺度变率及全球遥相关机制”、国家重点研发计划(2018YFA0606403-03)“亚洲中部干旱区气候变化影响与丝路文明变迁研究”。
  
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