5600万年前，地球也曾面临与今日相似的气候危机。北大李明松团队利用数据同化，重建古新世-始新世极热事件（PETM）时期的环境变化，揭示了大气二氧化碳浓度飙升、气候变暖、海洋酸化等地球的宜居性危机过程。这一研究为理解当前由人类活动引发的全球变化提供了新的历史视角。

研究成果近日在线发表于《自然·地球科学》杂志。作者撰文，分享了研究发现及其背后的故事。

远古大洋的挽歌：温室气体排放、海洋酸化与生物大灭绝

1. 为何要追溯过去的气候浩劫？

“夫以铜为镜，可以正衣冠；以史为镜，可以知兴替” —— 《旧唐书·魏徵传》

自数千年前人类文明诞生开始，地球环境就不断受到人类潜移默化的改变。工业革命之后，人类活动释放了大量的温室气体，更是让大气二氧化碳浓度急剧攀升，一举从280 ppm跃升到今年的423 ppm，轻松越过了历史周期中的多个峰值，达到了过去几百万年来的巅峰。

图1. 大气二氧化碳浓度急剧攀升。横坐标为年份，纵坐标为大气二氧化碳浓度（https://keelingcurve.ucsd.edu/）

图2. 过去6600万年的二氧化碳演化史。横坐标为年代，单位为百万年前，纵坐标为大气二氧化碳浓度（Hönisch et al., 2023 Science 382, 1136）

这快速而巨量的碳排放，如同一场难以遏制的风暴，卷动着地球系统的每个脆弱环节，带来了深远的气候和生态风险——全球气温不断升高，海洋酸化日益加剧，碳酸盐饱和度逐渐下降，甚至可能引发生物的大规模灭绝。曾经繁茂宜居的世界正在经历深刻的变化，这不由得让我们联想到电影《流浪地球》中的一段台词：

“最初，没有人在意这场灾难，这不过是一场山火，一次旱灾，一个物种的灭绝，一座城市的消失，直到这场灾难和每个人息息相关。” 

图3. 全球变暖将使澳大利亚山火成为常态。图/见水印

然而，自地球诞生以来，温室气体的自然释放便如一首长歌，曾激荡出更加波澜壮阔的气候变迁。放眼整个气候历史，全球早已出现过多次对比当今也不遑多让的极端气候，当时地球对这些事件的响应就为今天的我们提供了宝贵的参考。

5600万年前，一次规模宏大的碳排放事件使全球表面平均温度上升了5°C，导致海洋酸化和底栖有孔虫惨遭灭绝，茫茫古陆上的哺乳动物也变得侏儒化。这一事件史称古新世-始新世极热事件（PETM），现已成为科学家最常用来类比当前全球变化的典型案例。

图4. 5600万年前的极热世界艺术想象图（Kump, 2011, Scientific American, 305: 56-61）

在诸多的气候响应中，海水酸化在生物灭绝的过程中扮演了关键的角色。海水酸化之于海洋生物，就如同碳酸饮料之于牙齿。随着海洋pH值的下降，碳酸盐离子的可用性大幅减少，这对依赖这些离子构建外壳的生物，如珊瑚、软体动物和浮游生物产生了重大影响。

尽管在PETM事件中，海洋酸化被认为是底栖有孔虫灭绝的重要原因，但我们对当时海洋酸化和碳酸盐溶解度下降的了解依然有限，主要因为缺乏直接的古气候替代指标来进行研究。理解这些远古时期的酸化程度和进程对于我们至关重要，因为它不仅帮助揭示我们星球的宜居性演化历史，也能为我们应对当今海洋酸化带来的挑战提供参考。

图5. 在2100年海水酸度下生物壳体45天的变化

(图源：David Liittschwager/National Geographic Stock)

2. 技术革新：曙光乍现

一种在美苏冷战时期大放异彩的机器学习技术——数据同化，为我们打开了新的大门。它曾助力阿波罗计划修正登月轨道，成为美国率先登月的幕后英雄。而如今，它依然在天气预报和自动驾驶等领域中发光发热，为科学问题的探索不断注入活力。

图6. 数据同化技术为阿波罗登月计划立下汗马功劳

(图源：Claus Lunau / Science Source)

在古气候研究中，数据同化技术则如同一位智者，巧妙地将散落的历史碎片重新找回，帮助我们重建过去的气候景象。卡尔曼滤波的原理则是这一过程的核心，这是一种精巧的推演方法，从现有的气候指标中汲取信息，将反映海水表面温度的氧同位素等数据资料与地球系统模拟结果相结合，通过反复调整与优化，不断更新我们对远古气候的理解，犹如在逝去的时间长河中寻找隐藏的线索，拼凑出地球的过往。

3. 科研之路：自力更生中的惊喜

那么，什么是数据同化呢？拿我们最熟悉的天气预报来说，要想正确的预测天气状况一般需要经历以下几个步骤：

首先，使用数值天气预报模型，生成对当前大气状态的初步预测，这被称为背景场。同时，我们从各种观测手段获取当前的真实数据，如地面气象站的温度，卫星的云图等。然后， 将实时观测数据与背景场进行比较，二者的差值称为“创新”，反映了模型预测与实际观测之间的偏差。随后，根据对观测数据和模型预测的信任程度，为差值赋予不同的权重。然后，将加权后的差值添加回背景场中，修正模型的初始条件。最后，模型重新运行，对未来的天气状态进行模拟和预报。像这样用少数的、离散分布的真实观测数据对模型结果进行修正，从而更加趋近真实的技术，就是数据同化。

图7. 利用数据同化开展天气预报

对于古气候模拟预测而言，所谓的“观测数据”就指的是古气候指标数据，这也是同化系统的基石。

针对这次极热事件，我花费了几个月的时间，搜集了来自全球两百多个大洋钻探站点和地层剖面的各种古气候记录。这些地质记录有的来自深邃的海洋，有的则来自高耸的山脉，它们跨越了不同的地质环境和年代，如何在时间上实现它们的精确对应，将数值的变化精确映射到时间之上，避免出现“关公战秦琼”的情形，是研究面临的一个巨大挑战。

熟悉我的朋友知道，我做天文旋回地层学研究，利用地球轨道信号来重建天文年代学标尺，从而实现地质时间的精准对比。但在面对如此复杂的多样数据时，传统的方法显得力不从心。

图8. 大洋钻探计划以及钻取的PETM岩心样品（https://www.hawaii.edu/news/article.php?aId=2968）

为了应对这一挑战，我开发了一系列新的工具，包括沉积速率可视化工具COCO以及时间序列分析软件Acycle。COCO可以帮助直观地展示沉积速率的变化，而Acycle则让复杂的时间序列分析变得更加简洁高效。如今，数小时便可获得过去几周才能完成的计算结果。这些工具不仅提升了我的研究效率，其实用性也得到了世界各地同行的认可，被多所知名学府和国际研究团队用于研究和教学。有了这些方便的工具，古气候时间序列的画卷便在我眼前徐徐展开，同化之路，至此终于开始。

图9. Acycle软件与COCO沉积速率可视化工具

时间对上了，接下来便要考虑我们搜集到的数据如何能被同化。这时就需要地质数据与模型结果之间的桥梁——即所谓的指标系统模型。这方面主要由亚利桑那大学的Tierney团队在推进，但他们的很多核心代码只能运行在MatLab软件上，限制了灵活性。于是，我们花费了数月时间，进行了一场“跨平台迁徙”——将代码从MatLab搬到Python平台上，这个过程需要我们保持计算的一致性，同时反复调试以确保结果的准确性。经过数月的努力，我们终于完成了这项迁移，自此我们便实现了由地质数据到气候指标的对应。

模型方面，我们最初考虑使用更为精确、复杂的地球系统模型来解决碳循环的模拟问题，但更高的精确度带来的却是更大的资源和时间成本。因此，我与加州大学河滨分校的Ridgwell教授合作，这位教授很有童心，他的办公室堆积如山的小马玩偶就可见一斑。他负责的名为cGENIE的中等复杂程度地球系统模型拥有较好的碳循环模拟能力，且计算效率很高，可以在一天内模拟出数千年的地球环境变化。可谓是“世上一日 洞中千年”。

然而，这个模型在二氧化碳导致的全球升温模拟方面却显得有些笨拙，模拟结果偏冷。为此，我展开了一段半年的技术攻关，在计算机集群上累计模拟了数千万年的地球变化，终于让我们的模型产生了与复杂地球系统相似的升温效果，为后续可靠的大洋酸化模拟打下了基础。

图10. 别具一格的cGENIE官网。网站上的小马与“I’m not coding shit today”的标语让人过目不忘（https://www.seao2.info/mymuffin.html）

集齐了数据与模型，接下来就需要让它们大放光彩的舞台，也就是数据同化平台。

我的合作者华盛顿大学的Hakim团队曾经开发了一套名为LMR的数据同化平台，这是当时几乎唯一能用的古气候数据同化软件。

但由于其构造的复杂性与应用的局限性，我决定从零开始，构建属于自己的同化软件。历时一年多，经过十余次的迭代，终于初步完成了万余行的古气候数据同化平台，我将它命名为DeepDA，代表深时同化的含义。它能够同化多个古气候指标，可以帮助我们回答这次极热事件中海洋酸化和碳酸盐饱和度降低的问题。DeepDA不仅是技术的实现，对我而言，这更是一次跳出舒适区、再创业的尝试。

到这里，这一整套新工具的构建，终于有了个模样。它终于站起来了，虽然还有些磕磕绊绊，但已能大步前行。

图11. 古气候数据同化模块示意图（张昊勋等, 2024, doi:10.1360/SSTe-2024-0090）

4. 古气候数据同化：揭开新篇章

终于，我拿着新套工具，利用古气候数据和模拟结果，开展了古气候数据同化。通过同化与海面温度和海底沉积物中碳酸钙含量有关的指标数据，重建了PETM期间的海洋碳循环扰动。

研究表明，大气二氧化碳浓度从PETM事件前的890 ppm增加到事件期间的1980 ppm，这引发了全球变暖，并导致海洋pH值下降了0.46单位，特别是在高纬度地区，酸化程度更为严重。表层海水中的方解石和文石饱和度也显著降低，不饱和现象尤为明显。这与今天北极海域的情形相似，由于人为碳排放导致文石饱和度下降，海洋化学的快速变化正在对当地生态系统产生十分负面的影响。

图12. 古新世-始新世极热事件的全球气候环境变化量。自上而下依次为大气二氧化碳浓度升高1090ppm，全球平均海水表面温度升高6.7℃，海水表面pH下降0.46单位，碳酸钙饱和度下降了6.4。

同时研究结果也表明，全球变暖并不只有温度升高这一体现，它正以复杂的响应模式、多元的共同作用从大气、海洋、陆地多方面为地球系统造成深远的影响。底栖有孔虫的灭绝也再次让我们反思二氧化碳水平、海洋酸化与海洋生物多样性损失之间存在的重要联系。

通过这项研究，我们不仅得以深入了解远古海洋的变化，还为未来应对气候挑战提供了宝贵的镜鉴。

PETM期间的海洋酸化与现代高碳排放情景下的预测相似——如联合国政府间气候变化委员会提出的共享社会经济路径5-8.5。相比之下，今天的碳排放速度更快，留给在我们星球上生活的亿万生灵们适应的时间更加有限。

图13. 古新世-始新世极热事件碳循环扰动的全球重建。该图分别显示了事件前和事件中海水表面pH值的变化、海水表面方解石饱和度的状态。

5. 远古的回响与未来的抉择

PETM事件的过往犹如一首低沉的古歌，穿越千万年的回响在提醒我们，快速的海洋化学变化对生态系统可能带来深远的灾难性后果。这古老的回响，让我们从浩瀚历史中能够一窥自然的脆弱与坚韧。

只有从过去的历史中积累对气候的认识，理解地球系统的反馈，人类才能明白在现今气候变化的大背景下，未来会怎样变化。海洋今后是否宜居？生命因何而灭绝？在这样的世界中，我们能做什么？又应该将目光看向何处？……所有这些问题，人只能从自然本身找到答案。

有人或许会说，环境会终将恢复，风暴也终会平息。然而，就像当年的那次极热事件，十余万年后，世界再次恢复成了熟悉的模样。沧海桑田，地球依旧，而人类未必，万千生灵也未必。十万年太久，只争朝夕。

远古的悲歌，正在重演，但我们依然有机会谱写一曲不同的未来。

感谢合作者Lee Kump院士、Andy Ridgwell教授、Jessica Tierney教授、Gregory Hakim教授、Christopher Poulsen教授、朱江博士等的帮助。感谢刘佳豪对这一推文的校对。

感谢科技部重点研发计划（2022YFF0802900）等项目、DDE大科学计划的支持。

这项研究近期发表在《自然·地球科学》上，如想了解更多，请阅读原文（https://doi.org/10.1038/s41561-024-01579-y）。

本文作者：李明松，北京大学研究员，网站：https://faculty.pku.edu.cn/li，邮箱：msli@pku.edu.cn。

图文：李明松

校对：刘佳豪

排版：王之鑫

转载自：Acycle时间序列分析 微信公众号