植被反馈加速晚中新世气候转型的机制研究

时间：2025年5月3日

来源：SCIENCE ADVANCES

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晚中新世全球气候转型的驱动机制存在争议。为解决这一问题，研究人员通过整合代理数据和CESM1.2.2气候模拟，系统分析了大气CO2下降、古地理变化和植被反馈的独立作用。研究发现植被变化通过地表反照率和水汽-云反馈机制，显著加速北半球高纬度降温（最大超10°C）并调制中低纬度降水（最大减少近30%），揭示了植被在全球气候变化中的关键作用。

晚中新世（11.6-5.3百万年前）是地球环境从温暖的中新世中期向近现代气候格局转变的关键时期。这一时期全球显著变冷变干，北半球高纬度降温尤为剧烈，同时C₃植被向C₄植被转型。然而，传统观点认为大气CO₂下降和古地理变化是主要驱动因素，忽视了植被变化的反馈作用。这一认知空白限制了我们对晚中新世气候转型机制的全面理解。

为揭示这一科学问题，中国科学院等机构的研究人员创新性地将全球代理数据与多组气候模拟实验相结合，通过CESM1.2.2模型设计了7组对比实验（MM700、MM280、LM280等），分离了大气CO₂（从700 ppmv降至280 ppmv）、古地理变化（14 Ma至6 Ma）和植被反馈的独立影响。研究首次量化了植被反馈对气候转型的贡献，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

关键技术方法包括：1）整合121个定性和96个定量降水代理数据；2）使用BIOME4模型模拟植被动态；3）采用CESM1.2.2进行f19_g16分辨率的气候模拟；4）通过辐射收支和水分预算方程解析物理机制。

【气候转型特征】
代理数据显示北半球高纬度降温幅度显著大于南半球（图2A-B），模型成功再现这一空间异质性（LM280veg-MM700veg）。降水重建表明东亚、东非和南美部分区域变湿，而欧亚大陆、北美和澳大利亚普遍变干（图2D），与模拟结果高度一致。

【植被反馈机制】
对比实验揭示：1）大气CO₂下降导致全球普遍降温（MM280-MM700）；2）古地理变化强化北半球高纬降温（LM280-MM280）；3）植被反馈通过三重机制放大降温：针叶林南移增加地表反照率（图5）、蒸散减少降低水汽-云强迫、海冰正反馈。其中北高纬降温10°C的60%归因于植被反馈（图3E）。

【古地理的深层影响】
古地理变化通过改变洋流格局发挥作用：中中新世太平洋经向翻转流（PMOC）占主导，而晚中新世大西洋经向翻转流（AMOC）增强（图S11）。这种转变源于特提斯海峡关闭和印尼海道收缩，导致北太平洋深对流减弱，进一步驱动植被南迁。

该研究突破性地揭示了植被反馈是晚中新世气候转型的"加速器"，其降温效应相当于CO₂和古地理作用之和。这一发现不仅完善了新生代气候变化理论框架，更警示当代全球变化研究中需充分考虑植被-气候相互作用。特别是北高纬植被反照率反馈的量化结果，为预测未来极地放大效应提供了古气候约束。研究创新性地将生物圈纳入气候驱动力系统，为理解地球系统各圈层协同演化树立了新范式。