中新世气候适宜期（Miocene Climatic Optimum, （MCO），距今约1690–1475万年）是新生代以来的重要暖期之一。MCO期间全球平均地表温度较工业革命前高出约8–10°C，两极地区海温的升幅可达10–15°C。由于其大气CO₂浓度（约400–1000 ppmv）与本世纪末的预估区间存在一定重叠，MCO被视为理解未来暖化情景下地球系统响应的重要参考对象。以往的模拟研究表明，大气CO2浓度是驱动MCO全球变暖的主要因素，古地理变化和植被变化提供一定的附加贡献。然而，即便采用较高的CO2浓度情景，多数气候模式仍难以重现代用指标所揭示的强极地放大和减弱的赤道–极地温度梯度，北半球中高纬度地区普遍存在模式偏冷的问题。这一“模式—数据”可能与CO2浓度估计、古地理重建精度有关，也可能反映了模式内部物理过程的某些不足。
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所环境演变与碳循环学科中心谭宁副研究员、郭正堂院士等联合法国巴黎地球物理研究所（IPGP）Frédéric Fluteau教授、北京大学张仲石教授、法国气候与环境科学实验室（LSCE）Gilles Ramstein研究员及挪威NORCE研究中心郭春成研究员等，基于两个地球系统模式开展了系统的对比模拟研究，探讨了海洋—海冰相互作用在中新世气候适宜期高纬度增温中的作用。
研究团队基于统一的中新世古地理边界条件，采用挪威地球系统模式NorESM1-F和法国地球系统模式IPSL-CM5A2，在两种CO2浓度情景（1.5倍和2.5倍工业革命前水平）下开展了MCO气候模拟实验。两个模式拥有完全不同的大气、陆面、海洋及海冰模块，为探讨MCO边界条件模拟响应提供了较好的对比平台。
研究团队首先采用一维能量平衡分析，将纬向平均地表温度的变化分解为温室效应、地表反照率、云长波辐射效应、云反照率和经向能量输送等贡献项。分析结果显示，两个模式在高纬增温的主导机制上具有一致性：温室效应和地表反照率反馈是北半球高纬增温的主要贡献项，云长波辐射效应提供一定的附加贡献（图1）。但在幅度上，NorESM1-F模拟的北极增温达23–26°C，而IPSL-CM5A2为7.5–14°C，两者相差十余度。这表明，大气热力学反馈本身不足以解释两模式之间的差异，其背后可能涉及海洋与海冰过程的调制作用。
图1 两个模式MCO模拟结果的一维能量平衡分析。左列为NorESM1-F模式结果，右列为IPSL-CM5A2模式结果；上行对应2.5倍工业革命前CO2情景，下行对应1.5倍情景。彩色曲线分别表示温室效应（绿色）、云长波反馈（橙色）、地表反照率（深蓝）、云反照率（青色实线）、总反照率（青色虚线）和经向能量输送（紫色）的贡献。两个模式在主导机制上表现一致，但NorESM1-F模拟的北半球高纬度增温幅度明显大于IPSL-CM5A2
进一步的分析显示，两个模式在MCO北半球海冰分布上呈现出明显不同的特征：NorESM1-F模式在各MCO实验中均模拟出北半球全年近乎无海冰的状态；IPSL-CM5A2模式则在冷季保留较大面积的季节性海冰，覆盖北冰洋及部分北大西洋（图2）。两个模式在工业革命前控制试验下的海冰模拟结果较为接近，表明上述差异主要来自对MCO边界条件的不同响应，而非海冰参数化方案本身。为进一步量化海冰的影响，研究团队设计了大气环流模型敏感性实验，将两个模式模拟得到的海表温度和海冰分布进行组合后驱动大气模式。结果表明，将NorESM1-F的海冰替换为IPSL-CM5A2的海冰后，北半球高纬度增温减弱5–7°C，说明海冰条件是造成两模式增温差异的重要因素之一。
图2 两个模式MCO模拟的南北半球季节性海冰分布。上两行为北半球3月和9月海冰分布，下两行为南半球结果。红色等值线表示海冰分布大于15%的区域，灰框内数值为海冰总面积（单位：百万平方公里），红色数值为相对于工业革命前的异常。两个模式在北半球海冰模拟上存在明显差异
研究团队进一步诊断了两个模式模拟的全球经向翻转环流（图3）。NorESM1-F模式模拟的大西洋经向翻转环流（AMOC）强度约为23-24 Sv，与现代水平相当，深水形成中心较工业革命前显著北移，北半球向北的海洋热输送较工业革命前增强约17%，其中中高纬度地区增强约40%；同时，增强的热量与盐分输送可通过降低海水冰点、提高表层海水密度并促进对流混合等途径抑制海冰形成。相比之下，IPSL-CM5A2模式模拟的AMOC强度减弱至约5-10 Sv，北半球海洋热输送较工业革命前减少约14%。该模式的AMOC响应与近期多数MCO模拟研究较为一致，并在北半球高纬度增温方面表现出较大的模式—数据偏差。
图3 两个模式模拟的全球经向翻转环流（GMOC）。上两行为工业革命前对照实验和2.5倍CO₂ MCO实验结果，中间两行为1.5倍CO₂ MCO实验结果，下两行为MCO相对于工业革命前的异常（单位：Sv）。左列为NorESM1-F结果，右列为IPSL-CM5A2结果。两个模式模拟的翻转环流响应存在明显差异
将模拟结果与综合的海温和陆面温度代用指标进行对比发现，NorESM1-F在2.5倍CO2情景下有约55%的模拟海温与代用指标重建记录的偏差不显著，81%的站点偏差在±2°C以内。相比以往结果，该结果显著降低了北半球高纬模型与记录的偏差。需要指出的是，NorESM1-F模拟的北半球全年近乎无海冰的状态可能存在一定程度的高估—已有生物标志物证据显示，晚中新世北冰洋仍存在季节性海冰。但NorESM1-F对MCO边界条件表现出的较高敏感性，为进一步理解模式—数据偏差的来源提供了有价值的线索。
综上所述，该研究通过两个地球系统模式的系统对比，指出海洋—海冰相互作用在MCO高纬度增温中发挥了重要作用，提出MCO可能代表一种与现代气候系统显著不同的高纬气候状态。该研究强调，要准确模拟这一暖期，除了需要合理的CO2浓度和古地理边界条件之外，还需要深入理解海洋—海冰耦合的动力过程及对模型相关过程的改进。研究结果也提示，开展多模式对比与代用指标约束相结合的系统研究，将有助于进一步缩小模式与数据之间的偏差。这一工作也为即将开展的国际古气候模拟比较计划MioMIP第二阶段提供了参考。
研究成果发表于国际学术期刊 CEE（Tan, N., Fluteau, F., Zhang, Z., Ramstein, G., Guo, C., Sepulchre, P., He, Z., Zhang, Z., Guo, Z. A critical role of ocean–sea ice interactions in the pronounced warmth during the Miocene Climatic Optimum[J]. Communications Earth & Environment, 2026, 7:326. DOI: 10.1038/s43247-026-03324-2）。该研究主要由中国科学院战略性先导科技专项（XDB0710000）、国家重点研发计划（2022YFF0801504）、国家自然科学基金（42488201）及中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202201）共同资助。
附件：