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河海大学海洋学院博士后揭示海洋层化过程对轨道尺度厄尔尼诺的影响
访问数量:348发布时间:2021-11-30

据国家气候中心的消息,今年7月以来,赤道中东太平洋海温持续下降,目前已经确认进入拉尼娜状态,今年冬季将形成一次弱到中等强度的拉尼娜事件。鉴于2020-2021年秋冬季曾出现拉尼娜事件,2021年将是“双拉尼娜年”。

研究背景

拉尼娜是常与厄尔尼诺相伴生的热带太平洋海表温度异常现象。当拉尼娜发生时,西太平洋海表温度相比于多年平均值偏暖,而东太平洋偏冷,导致热带太平洋东西向的海表温差增大,厄尔尼诺发生时则与之相反。同时,这种海洋异常又与大气过程相联系,被统称为厄尔尼诺与南方涛动(El Niño/Southern Oscillation,ENSO)。研究资料显示,在全球变暖的气候背景下,可能会更频繁地发生拉尼娜或厄尔尼诺事件,导致热带飓风、雪灾等极端气候事件更加频繁的产生。目前仅依靠较短的仪器观测记录,很难获得未来气候变化的可靠论断。为了准确理解ENSO过程的演化机理和动力机制,更好的预测未来的气候走向,需要以史为鉴,借助地质记录中ENSO的蛛丝马迹,寻找其长期演变规律,揭示其背后的物理过程和驱动机制。

现代观测和模拟资料显示,西太平洋次表层水体的变化与ENSO的演化密切相关。其通过赤道潜流的传输,对东太平洋的温度产生直接影响,是预警ENSO变化的重要组成部分。此外由于西太平洋的次表层水体来源于亚热带海区表层水体向赤道方向的下沉输送,使得其成为热带外过程与热带气候之间重要的枢纽。目前,在地质时间尺度上,对西太平洋次表层水的温盐演变及其与亚热带南太平洋间联系的研究凤毛麟角,亟需更多的工作来揭示其演变特征。

“ 假管窥蠡测之功,蚍蜉亦可撼树。” 在海洋中,广泛生活着一种具有碳酸钙骨骼的微体生物——浮游有孔虫,不同属种的浮游有孔虫能相对稳定地生活在各自的特定水层,该水层的物化信息便被记录在有孔虫的壳体中。在浮游有孔虫短暂的生命结束后,其壳体会沉到海底,保存在沉积物中。随着时光的流逝,它们在海底层层相叠,形成记录着过去海水变化的“时间简史”。

 


图一 

热带太平洋现代温盐结构及研究站位KX97322-4所在位置

 


研究内容


2021年11月22日,河海大学海洋学院齐义泉教授课题组张帅博士与合作者在Nature出版集团的刊物Communications Earth & Environment上发表论文,通过测试热带西太平洋暖池核心区海底沉积物中多种有孔虫壳体的地球化学(稳定氧同位素和镁钙比值)变化,在地质时间尺度上,重建了最近三十六万年西太平洋海区的表层和次表层的水体温度与盐度的演化历史,并探讨了太平洋热带与亚热带海区浅层温盐环流在地球轨道岁差频段类ENSO过程中的关键作用。



图二

三十六万年来热带西太平洋表层和次表层温盐演化历史

 


研究人员发现,在热带西太平洋,相较于表层水体,次表层水体有着不同的信号及来源,除了受十万年的全球冰期间冰期的气候背景影响,还以两万年的岁差周期为主要的变化特征。通过与其它海区的沉积记录对比和完全海气耦合模式(CESM)的瞬变数值模拟,发现在过去三十六万年里,热带西太平洋的次表层水体一直受南太平洋亚热带海区潜沉的表层水影响。正是该表层水体的潜沉过程,将地球轨道岁差信号通过等密度面传送到热带西太平洋海区的次表层。而该潜沉水体温盐属性的改变,直接影响了热带西太平洋上部水体的层化结构,从而产生了岁差尺度上的类ENSO过程。在岁差处于极小值时,南半球夏至日对应远日点,冬至日对应近日点,因此南半球夏天更长、冬天更暖。这会引起南太平洋亚热带潜沉区表层水体的温盐同步升高,增强向西太平洋输送的暖信号,从而使西太平洋更加温暖,增大热带太平洋东西向的海表温差,导致热带太平洋更偏向类拉尼娜态,反之在岁差极大值时,热带太平洋则更偏向类厄尔尼诺态。



图三,

地球轨道岁差极小值和极大值对应的热带太平洋热状态和环流结构


研究总结


综上所述,地球轨道变化引起的太阳辐射变化,通过影响亚热带与热带海区的相互作用,进一步影响到热带太平洋的气候变化。这项研究为理解地球轨道变化如何影响热带气候变化提供了重要的物理机制,为预测长时间尺度上的类ENSO过程提供了关键的理论框架。

本文第一作者为河海大学海洋学院博士后张帅,通讯作者为自然资源部第一海洋研究所李铁刚研究员和中国科学院海洋研究所常凤鸣研究员,合作者还包括中国科学院南京地质与古生物研究所俞宙菲博士、中国地质大学(武汉)宫勋教授、同济大学王跃副教授、德国阿尔弗雷德-瓦格纳研究所Gerrit Lohmman教授和河海大学齐义泉教授。该项研究得到中国科学院战略性先导专项(XDB42000000)、国家自然科学基金(41830539,41906058,41706040,41606045,41976047)、中国博士后科学基金(2017M611667)、同济大学海洋地质国家重点实验室开放课题(MGK1711)、中国科学院海洋地质与环境重点实验室开放基金(MGE2017KG07)以及德国NOPAWAC项目(03F0785A)等项目的资助。


论文DOI:10.1038/s43247-021-00305-5
全文链接:https://www.nature.com/articles/s43247-021-00305-5


本文来源:河海大学海洋学院

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