上新世3～4Ma是晚新生代全球气候发生转折、 开始变冷的关键时期。这一转折的重要证据来自于全球海表面温度的重建^[1～6]。最近的全球海表面温度综合显示，上新世以来，全球高纬地区、 上升流区海表面温度逐渐降低^{[1, 2]}； 尤其是上升流区，海表面温度从约4Ma开始降温更为明显^[2]。在热带，东、 西热带太平洋之间的温度梯度，虽然在上新世之前就已经形成^[7]，但从约4Ma开始进一步增加^[3]。在我国，黄土高原黄土-古土壤序列的粒度或磁化率等记录，揭示3～4Ma是粒度变粗、 磁化率波动幅度增加的关键时期^[8～12]，但约4Ma前后这些指标的变化并没有3Ma那么显著。当然，宁夏固原寺口子组沉积物中的粒度、 红度等指标^[13]，以及陕西白水沉积物中化学蚀变指数和烧失量^[14]，都从约4Ma出现明显的变化。在我国南海，1148孔的氧同位素记录以及1146孔的陆源沉积比例从约4Ma开始增加^{[15, 16]}。

这一时期，气候转折往往和海道变化触发的全球变冷联系在一起； 其中，受到关注的是中美海道（也称为巴拿马海道）和印尼海道^[17～21]。 Molnar^[22]曾经总结了指示中美海道变化的关键证据，虽然最可靠的证据是南、 北美洲之间大规模的动物群交流，指示中美海道在第四纪早期完全关闭； 但加勒比海和太平洋海洋表层的氧同位素梯度在4.7～4.2Ma之间开始加强^[23]，至少说明中美海道在这一时期变窄变浅限制了加勒比海和太平洋之间表层的海水交换。中美海道的变窄或关闭，可以加强北大西洋的经向翻转环流，曾被认为是导致北半球冰期开始的关键触发机制^{[17, 18, 24]}。Cane和Molnar^[19]曾经推断，3～4Ma之间印尼海道变窄，限制了印尼穿越流，使得印度洋降温，从而加剧了东非的干旱化。

大约4Ma以前，除了热带海道（即中美海道和印尼海道）外，另一个显著的海道变化，即白令海峡打开，发生在北半球高纬地区。北美阿拉斯加南部发现的双壳软体动物Astarte，揭示大约5Ma白令海峡已经打开^[25]，但只有少量太平洋软体动物，经过北冰洋进入北欧海^[26]； 直到大约4.5Ma，太平洋的软体动物大规模的出现在北欧海^[26]，说明白令海峡已经达到足以影响海洋环流的深度。然而，白令海峡打开，在过去的模拟研究中往往是被忽视的，直到最近的研究揭示白令海峡的变化可以影响北大西洋的经向翻转环流^[27]。可见，白令海峡打开和热带海道关闭均对上新世气候具有重要影响，但至今仍缺少对两者在高纬、 低纬乃至我国气候影响的对比研究。

这里，我们用挪威地球系统模式（NorESM），来模拟白令海峡打开对中国上新世气候的可能影响，并与热带海道（中美海道和印尼海道）作用进行比较。接下来的第二部分先介绍模式和试验设计，然后第三部分是模拟结果，最后是讨论和总结。

挪威地球系统模式（NorESM），是在美国通用地球系统模式（CESM，有关模式资料请参考网址http://www2.cesm.ucar.edu/）基础上开发的地球系统模式。这两个模式最大的区别在于，挪威地球系统模式对大气化学、 气溶胶和云的处理进行了修改，并且把海洋模块改成了迈阿密等密度面海洋模式（MICOM）^[28]。挪威地球系统模式的低分辨率版本（NorESM-L）专门发展用于古气候模拟。它的大气模块，采用通用大气模式（CAM4）的谱模式版本^{[29, 30]}，其水平分辨率是T31（大约3.75度），垂直方向26层。 它的海洋模块，采用非规则格点，北极置于格陵兰，南极置于南极洲； 水平分辨率g37（大约3度），垂直方向上分为32层。这个模式合理的模拟了工业革命前的气候状况，模拟结果与观测一致^{[31, 32]}。详细的模式介绍，可以在Zhang等^{[31, 32]}和Bentsen等^[28]发表的模式介绍与评估的文章上找到。这一模式在古气候模拟中的应用取得了非常重要的进展。它合理的模拟出，上新世北半球高纬地区的增温和南大洋海水混合的加强^{[32, 33]}； 更进一步揭示了特提斯海收缩对亚热带撒哈拉沙漠的起源的作用^[34]。

为了回答上述的科学问题，我们在上新世模拟对比计划第一阶段（PlioMIP I）约3Ma试验设计的基础上^{[31, 32]}，设计了另外的3个试验，分别是参照试验（REF）、 热带海道试验（TRP）和白令海峡试验（BER）（表 1）。参照试验，与PlioMIP I的约3Ma上新世标准试验几乎一致； 唯一的差别是这个试验中巴伦支海变成了陆地，因为已有的地质证据表明，巴伦支海在上新世的时候并没有形成^[35]。这样的参照试验更加接近上新世的海陆分布状况。在参照试验的基础上，热带海道试验中的中美海道被打开，深度25m（图 1）； 印尼海道被加宽（图 1）。在热带海道试验的基础上，白令海道试验中白令海峡被关闭（图 1）。这样，参照试验与热带海道试验的差别（REF-TRP）就可以揭示热带海道关闭／收缩的气候效应； 热带海道试验与白令海峡试验的差别（TRP-BER），就可以揭示白令海峡打开的气候效应。这3个海气耦合试验，每个积分2200年。这里，我们分析最后200年的平均气候态。

表 1(Table 1)

表 1 试验设计 Table 1 Experiment design 中美海道 印尼海道 白令海峡 其他条件 参照试验REF 关闭 现代 打开 大气CO2 浓度405ppmv，1950年地球轨道参数，PlioMIP1地形和陆地覆盖条件，现代海陆分布的基础上将巴伦支海关闭 热带海道试验TRP 25ｍ深 加宽 打开 白令海峡试验BER 25ｍ深 加宽 关闭

表 1 试验设计 Table 1 Experiment design

图 1(Fig. 1)

图 1 试验中印尼海道（a， b）、 中美海道（c， d）和白令海峡（e， f）开启／关闭的变化。填色代表深度（m） Fig. 1 Configurations of Indonesian Seaway（a， b）， Central American Seaway（c， d） and Bering Strait（e， f） used in the experiments. Shaded regions show depths(m)

模拟的全球地表气温的变化结果表明，热带海道和白令海峡的变化都可以引起全球大部分地区的气候响应（图 2）。然而，白令海峡打开的气候影响主要集中在中、 高纬地区，它对热带气候的影响并不显著（图 2b）。

图 2(Fig. 2)

图 2 热带海道关闭/收缩（a）和白令海峡打开（b）对全球地表温度（单位℃）的影响 Fig. 2 Changes in surface air temperature（unit：℃）due to the closure of tropical seaways （a） and the opening of Bering Strait（b）

对于中国区域气候而言，热带海道的作用比白令海峡的作用更加重要（图 3）。热带海道关闭/收缩，可以引起我国东北和西南地区的气候响应（图 3a和3c）。结果表明，我国东北地区，年平均温度降低0.2～0.6℃，年降水量减少100mm以下； 我国西南地区，年平均温度升高0.2～0.6℃，局部地区年降水量减少超过100mm。与热带海道关闭/收缩的作用相比，白令海峡打开引起我国年平均温度和降水的变化并不显著，几乎可以忽略（图 3b和3d）。

图 3(Fig. 3)

图 3 热带海道关闭／收缩（上， a， c）和白令海峡打开（下， b， d）对中国地表温度（左，单位℃）和年降水量（右，单位mm）的影响 Fig. 3 Changes in annual surface air temperature（left panel， unit：℃）and precipitation（right panel， unit： mm）in China， caused by the closure of tropical seaways（a， c）and the opening of Bering Strait（b， d）

很显然，热带海道关闭/收缩使得热带太平洋海表面温度升高，印度洋海表面温度降低（图 2a）； 并且，由于西热带太平洋的增温幅度更大，热带太平洋东、 西之间的温度梯度明显加大（图 2a）。伴随着温度梯度的变化，热带太平洋厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）年代际变率加强。在海表面温度的直方图中，参照试验模拟的海表面温度分布的宽度明显大于热带海道试验，很好的说明了这一点（图 4）。当然，参照试验模拟的ENSO变率，与工业革命前试验的模拟结果相比，要弱很多； 这与我们已经发表的PlioMIP上新世试验标准是相一致的^[36]。更为重要的是，热带海道关闭/收缩明显改变了ENSO振荡的周期。参照试验模拟的ENSO周期与工业革命前试验的模拟结果更为相似。

图 4(Fig. 4)

图 4 Nino 3.4区11月平滑海表面温度直方图（a）和小波周期分析（b） Fig. 4 Histograms for 11-month smoothed Nino 3.4 sea surface temperature， black for the pre-industrial experiment， blue for the reference experiment， and red for the tropical experiment. （b）ENSO periods calculated with wavelet analyses based on 11-month smoothed Nino 3.4 sea surface temperatures

上述的这些结果揭示出，与白令海峡的作用相比，热带海道的变化对我国上新世气候演化起了更加重要的作用； 就海道变化对上新世地表气候的影响来看，白令海峡的作用主要局限于高纬地区，而热带海道的变化则会引起全球范围的气候变化。虽然，白令海峡的变化对中国上新世气候影响并不显著，甚至非洲、 南美等中低纬大部分地区也不显著，但这并不说明白令海峡对全球气候影响不重要。白令海峡的变化可以影响海洋中层或深层水的环流，从而将南北两半球高纬地区地表气候变化联系起来。相对来说，热带海道的变化对全球地表气候的影响更加直接、 更加明显。

这些模拟结果揭示，热带海道的变化可以引起全球大范围地区的温度降低、 热带太平洋（尤其热带西太平洋）表面温度升高； 但我们目前的研究并没有揭示这些温度变化后面的动力学机制，也没有揭示这些温度变化是如何对我国气候产生影响的。这需要进一步开展高分辨率的大气模式模拟，是我们下一步需要开展的工作。从现代气候的研究结果来看^{[37, 38]}，热带太平洋表面温度变化非常有可能是影响我国上新世气候演化的关键因素之一。

在热带海道关闭／收缩之前，较弱的热带太平洋东西之间的温度梯度，与地质记录的重建是相一致的，被称为“类永久El Niño”^{[3, 39, 40]}。需要说明的是，类永久El Niño是一个容易被混淆的概念。El Nino是热带太平洋海表面温度年代际变化ENSO中的正异常，与之对应的是La Niña^{[41, 42]}。类永久El Niño的概念，并不是指热带太平洋海表面温度年代际变化完全消失，在菲律宾发现的上新世珊瑚氧同位素记录显示上新世ENSO年代际振荡仍然存在^[38]； 也不一定指热带太平洋东西之间的温度梯度完全消失^[7]。其实，类永久El Niño可以是以下的这种情况，热带太平洋东西之间的温度梯度相对比较弱^[3]，并且其海温年代际变化幅度相对比较小^{[43, 44]}，就如同热带海道试验模拟的情形。

随后，热带海道关闭/收缩、 以及上新世以来的全球变冷，使得类永久El Niño的条件消失。热带海道关闭/收缩加强了热带太平洋东西之间的梯度； 上新世以来的全球变冷，逐步放大ENSO年代际变率。温度梯度的变化是和ENSO变率的变化联系在一起，虽然这背后的机制还需要进一步的研究。但对于上新世中国平均气候态的演化来说，海表面温度的平均态的改变起到了更加直接的作用。

综上所述，对于上新世中国的气候演化来说，白令海峡打开的直接作用并不重要； 与之相比，热带海道关闭/收缩引起热带太平洋海表面温度平均态的改变，对中国上新世气候演化起到更加重要的作用。但，热带海道（中美海道和印尼海道）和高纬海道（白令海峡）的变化是如何引起上新世以来全球逐步变冷、 区域气候发生改变，仍是今后值得需要进一步回答的重要科学问题； 这些变化与古植物、 古动物乃至古人类的演化联系在一起。