地球系统箱式模型是重建长时间尺度气候与环境演变、揭示地球系统运行机制的重要手段。为突破当前深时地球系统模型在时空分辨率上的限制，中国科学院院士、中国科学院南京地质古生物研究所研究员朱茂炎团队的张莹刚博士，联合北京大学教授胡永云、袁帅博士，英国利兹大学教授Benjamin Mills、澳大利亚阿德莱德大学Andrew Merdith博士等中外学者，在气候–生物地球化学耦合模型（SCION模型）（中文综述见：张莹刚等，2023）的基础上，构建了新一代高时空分辨率的气候–生物地球化学耦合模型——CESM-SCION，将深时地球系统长时间尺度模拟的时空分辨率提升到了一个新的台阶，并利用该模型揭示出海退是触发晚古生代大冰期关键机制的新认识。该成果近期发表于自然指数期刊《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）上。
自20世纪80年代Berner等学者建立经典的GEOCARB碳循环模型以来，地球系统箱式模型从早期的零维生物地球化学箱式模型（如GEOCARB、COPSE模型），演变为陆地气候和硅酸盐风化在空间上可连续动态表达的SCION模型。尽管SCION模型实现了陆地硅酸盐风化的三维动态表达，但目前内置的气候模拟器（或气候数据集）受限于低空间分辨率，如同“近视眼”，难以精准捕捉深时地球表面复杂且非均一的风化过程，往往会忽略那些面积虽小但风化速率极高的风化“热点”，成为制约地球历史时期陆地硅酸盐风化作用和气温变化模拟工作进一步提升的关键技术瓶颈。
针对SCION模型依赖于低时空分辨率（20–40 Myr，7.5°×4.5°）的FOAM（Fast Ocean and Atmosphere Model）气候数据集的缺陷，团队利用三维地球系统模式CESM（Community Earth System Model）输出的高时空分辨率气候数据集（图1），将时空分辨率提升至3.75°×3.75°和10 Myr），替换了原有的低分辨率气候模拟器，构建出新一代高分辨率气候–生物地球化学耦合模型（CESM-SCION），将深时地球系统长时间尺度模拟的时空分辨率提升到了一个新的台阶，实现了对陆地硅酸盐风化过程的高分辨率动态捕捉。
为了验证新模型的可靠性，研究团队选取了显生宙持续时间最长的冰室事件——晚古生代大冰期（LPIA）作为“试金石”。在以往的研究中，尽管低时空分辨率的SCION模型考虑了维管植物登陆扩张和泛大陆的聚合造山等导致硅酸盐风化作用增强的机制，但始终无法复现出中-晚泥盆纪发生的温室气候向冰室气候的转变。而通过利用新创建的CESM-SCION模型，研究团队成功捕捉到了被以往模型所忽视的关键驱动机制——构造驱动的陆地面积变化对地球表层“可风化性”以及地表反照率的关键控制（图2）。
模拟结果显示，泥盆纪中晚期，伴随着泛大陆的聚合，地球经历了一次长期的全球海平面下降（海退）。得益于分辨率的提高，新的CESM-SCION模型量化了这一过程的双重冷却效应，即：海退引起的全球大陆的暴露面积显著增加（图2），一方面，通过增强地表反照率降低了气温（图2A和2D）；另一方面，极大地扩大了硅酸盐风化的区域，进而增强了全球硅酸盐风化通量（图2F），加速了大气二氧化碳的消耗（图3），从而推动全球变冷（图4）。这一结果不仅复现了中-晚泥盆纪从温室气候向冰室气候的关键转变，还提出了“构造驱动的海退先于冰期，并驱动了晚古生代大冰期”的新观点。
该项研究强调了深时地球系统模拟的时空分辨率从“模糊”走向“高清”的重要性。它不仅成功解决了深时地球系统在模拟晚古生代大冰期启动的机制方面存在的长期争议，更重要的是它凸显了高分辨率气候–生物地球化学耦合模型在深时古气候研究中的巨大应用潜力。
研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委（NSFC）、江苏省卓越博士后计划以及英国自然环境研究理事会（NERC）的联合资助。南京古生物所张莹刚博士和北京大学袁帅博士为论文共同第一作者，南京古生物所研究员朱茂炎和北京大学教授胡永云为共同通讯作者。
论文相关信息：Zhang, Y.#, Yuan, S.#, Mills, B. J. W., Merdith, A. S., Hu, Y.*, and Zhu, M.* (2025). Increased continental exposure as a driver of carbon drawdown and initiation of the Late Paleozoic Ice Age. Geophysical Research Letters, 52, https://doi.org/10.1029/2025GL119356.
张莹刚*, Mills, B. J. W., 何天辰, 杨涛*, 朱茂炎 (2023). 显生宙长时间尺度碳循环演变的模拟: 现状与展望. 科学通报, 68, https://doi.org/10.1360/TB-2022-0813.
图1. 400–320 Ma古地理格局演变的气候影响（2800ppm大气CO2强迫下的CESM模拟结果）
图2. 大陆暴露面积增加驱动的双重冷却效应。基于固定二氧化碳强迫（2800 ppm）的CESM气候数据集显示，随着陆地面积扩大，一方面通过增强地表反照率导致气温降低（物理冷却），另一方面显著提升了全球硅酸盐风化通量（化学冷却），从而揭示了海退驱动的风化增强机制
图3. CESM-SCION模型复现的大气二氧化碳含量变化和冰线纬度变化
图4. CESM-SCION模型模拟的冰线纬度变化以及全球平均气温和热带气温变化
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