Nature发表同济大学翦知湣教授团队基于大洋钻探等深海岩芯的研究成果:首次从能量学角度阐释气候演变的低纬驱动

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10月19日,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了同济大学海洋地质国家重点实验室翦知湣教授团队的最新科研成果:“Warm pool ocean heat content regulates ocean-continent moisture transport”(“暖池区海洋热含量调控海洋-陆地之间的水汽传输”)。这项研究是该团队对西太平洋暖池次表层海水古海洋学多年研究的升华。研究团队利用包括大洋钻探岩芯(ODP 130航次,807钻孔)在内的十个深海岩芯,恢复了温跃层和表层海水温度,进而重建过去36万年以来上层海水热含量,发现暖池的热量可以调控亚洲大陆与太平洋之间的水汽传输,使得亚洲石笋氧同位素和热带太平洋表层海水剩余氧同位素在岁差周期上呈反相位变化。这既为全球季风的水循环和亚洲石笋的水汽动力学提供了新的解释(图1),也开拓了古海洋学的海洋热含量研究新领域,首次从能量学角度阐释了低纬海洋过程在气候演变中的驱动作用

Nature发表同济大学翦知湣教授团队基于大洋钻探等深海岩芯的研究成果:首次从能量学角度阐释气候演变的低纬驱动

图1 热带西太平洋上层海洋增暖,与东亚季风区降雨增强紧密联系

海洋是地球气候系统最大的热储库。工业革命以来,人为释放CO2的温室效应造成全球变暖,其中90%以上的过剩热量进入了海洋。热带印度洋—西太平洋暖池是全球表层海温最高、热含量最集中的区域,不断地为大气上升运动、对流降雨提供能量和水汽,也是整个地球气候系统的“热量和蒸汽引擎”(图2)。现代仪器观测资料的不足,极大限制了我们对极端天气/气候灾害的预测和预防能力,亟需利用地质记录和数值模拟等多种手段,研究过去的海洋热含量变化及其对海—陆间能量/水循环的调控作用。 

Nature发表同济大学翦知湣教授团队基于大洋钻探等深海岩芯的研究成果:首次从能量学角度阐释气候演变的低纬驱动

图2(a)现代观测上层(0~200米)海洋热含量(OHC,背景色白—红表示,颜色标尺示于图内;黄色实线示28℃的SST等温线,指示暖池范围),饼状图为深海沉积岩芯位置(蓝、白色面积分别代表该岩芯TWT的岁差、斜率周期贡献百分比;MD2162孔只有表层温度记录,标记为五角星);(b)OHC的重建记录(红色)和模拟结果(黑色),23ºN-23ºS的夏季经向辐射量梯度;(c)暖池区剩余海水氧同位素(?18Osw)的重建记录(绿色)和模拟结果(黑色);(d)亚洲大陆的石笋?18O重建记录(紫色)和夏季降雨?18O模拟结果(黑色)。

该研究利用暖池区包括大洋钻探岩芯(ODP 807钻孔)在内的十个深海岩芯,提取浮游有孔虫表层种Globigerinoides ruber和温跃层种Pulleniatina obliquiloculata的壳体Mg/Ca比值,分别建立了表层海温(SST)和温跃层海温(TWT)的综合曲线;进而重建了过去36万年以来暖池上层(0-200米)海洋热含量(OHC)的变化(图2),发现OHC变化以2万年岁差周期为主,并有较弱的4万年斜率周期,反映了低纬海区太阳辐射量经向梯度驱动的温跃层环流圈(STC)变化。此外,暖池OHC还出现三次间隔为10万年左右的峰值,指示冰消期到间冰期转型过程中,岁差和斜率驱动出现同相位叠加、放大了OHC增加幅度(占比60%-70%),同时全球冰量变化也导致全大洋热含量增加(占比40-30%)。上述暖池热含量的重建记录与地球气候系统模式CESM瞬变数值模拟的热含量曲线变化形态和幅度非常一致。

该研究同时利用浮游有孔虫Globigerinoides ruber指标重建了暖池区表层海水剩余氧同位素(?18Osw),结果与暖池热含量变化一致,两者均与中国石笋记录的大气降雨氧同位素在岁差周期上一致变化(图3),即暖池OHC增大对应海水?18Osw变重、石笋氧同位素变轻,指示暖池区表层海水蒸发增强、相邻陆地季风降雨增加。水同位素模式GISS_ModelE2的瞬变模拟进一步证实了上述重建结果,暖池热含量每增加1×109 焦耳/平方米,亚洲季风降雨就增加0.4毫米/天,对应0.36×109焦耳/平方米的海—陆间水汽潜热传输/释放。这说明岁差辐射量驱动的暖池热含量变化能够调控海洋水汽的蒸发、辐合以及向陆地的转移传输,产生类似于“水塔”的效应,从而有效地放大亚洲陆地与太平洋之间的水/热循环强度,表现为海陆之间水同位素分馏的差异增大(图3)

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图3 (a)暖池热含量调控海~陆水汽传输和氧同位素分馏的概念示意图,括号外蓝色数字指重建记录或瞬变模拟的气候平均值,括号内红色数字指岁差极小值(北半球夏季辐射量极大值)驱动的变化幅度(+/-代表增大/减小);(b~c)GISS模拟的年平均?18Osw、夏季(6-8月平均)大气降雨?18O在岁差周期上的变化(颜色标尺示于下方),箭头指示异常水汽传输路径,黑色方框指示该研究划分的西太暖池(b)、东亚季风区(c)的代表性范围,用以计算相关指标的区域平均值。

总之,该研究综合利用现代观测、古环境替代指标、以及海气耦合模式和水同位素数值模式的瞬变模拟,从暖池区上层海洋热含量(而非表层海水温度)的角度探索水汽潜热传输,通过海陆之间的水同位素梯度来衡量全球季风水循环强度,不仅拓展了古海洋与古气候的能量学研究新领域,也可为现代和未来气候变化提供“以古论今”的新思路

论文第一和通讯作者均为同济大学海洋地质国家重点实验室翦知湣教授,团队成员王跃、党皓文分别为第二、三作者和共同通讯作者,国外合作单位包括德国不莱梅大学、美国罗格斯大学、美国加州大学圣芭芭拉分校和德国基尔大学。该项研究得到国家自然科学基金项目(项目号:42188102,91958208,41976047和42176053)和上海市科委项目(项目号:21NL2600200)资助。

Jian Zhimin*, Wang Yue*, Dang Haowen*, Mohtadi M., Rosenthal Y., Lea D. W., Liu Zhongfang, Jin Haiyan, Ye Liming, Kuhnt W., Wang Xingxing, (2022). Warm pool ocean heat content regulates ocean-continent moisture transport. Nature, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05302-y

原文链接

 

撰稿 | 王跃、党皓文

编辑 | 李阳阳