Nature Communications发表西太平洋暖池大洋钻探新成果:过去一千万年以来太平洋的高纬度放大效应

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所属分类:研究成果

近期,国际期刊《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了美国德克萨斯农工大学、美国普渡大学以及英国南安普顿大学共同合作的最新研究成果: “Persistent high latitude amplification of the Pacific Ocean over the past 10 million years”。研究人员利用大洋钻探计划(Ocean Drilling Program, ODP)和国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Program, IODP)在西太平洋暖池钻取的岩芯(ODP 130航次806站和IODP 363航次U1488站,图1),重建了过去一千万年以来西太平洋暖池海水表层温度(SST)记录,发现SST呈长期下降趋势,打破了此前认为 “西太平洋暖池SST从早上新世以来保持稳定”的观点(既“永久厄尔尼诺假说”)。这项研究以可靠的暖池SST记录为基础,结合前人来自太平洋其他区域的海表温度记录,恢复了过去一千万年以来太平洋高纬放大效应并探讨了其机制。除此之外,该研究创造性的使用了将古气候记录中“时间”尺度去除的方法,仅专注于温度变化“模式”,使古气候重建的高纬放大效应可与气候模拟结果进行直接对比,发现某些模式与古气候重建结果高度一致,从而为研究未来全球变暖下高纬度地区的响应提供了线索。 

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图1 研究站位图。不同颜色反映年均海水表层温度,28.5°C等温线帮助确定了现代印太暖池。

全球气候变暖时期,高纬度和极地地区比低纬地区气温升高更显著,这种现象被称为极地/高纬放大效应。高纬度和极地地区快速升温导致海冰迅速消融、冻土带解冻而释放出温室气体,进而引发一系列气候变化(如北半球高纬的极端天气事件)、威胁极地地区生态环境,因此极地/高纬放大效应颇受关注。但关于其机制仍存在争议,特别是冰反照率反馈是否主导了极地放大效应。基于过去一千万年以来北半球从极地无冰演化到被冰盖和海冰覆盖,这项研究恢复了高纬放大效应的变化,从古气候角度探讨冰反照率反馈在高纬放大效应中的作用。 

重建过去海水表层温度(SST)变化是恢复过去高纬放大效应的基础,而低纬海域可靠的古温度记录是我们确定高纬放大效应的第一步。尤其是西太平洋暖池地区,它是全球海温最高的海域,占热带海洋面积的26.2%。但西太平洋暖池上新世以来海表温度演化颇受争议。基于碳酸盐相关指标例如浮游有孔虫壳体TEX86比值和△47结果显示, 上新世以来SST基本保持不变。但有机地球化学古温度替代指标TEX86(基于古菌生物标志物GDGTs的比值)和Uk’37 (基于颗石藻产生的烯酮类生标)恢复的SST显示,西太平洋暖池从晚中新世以来一直变冷。上述矛盾源自替代指标自身的缺陷,比如TEX86值受温度及其它非热因子的控制,有孔虫壳体Mg/Ca比值不仅由温度决定、还受海水Mg/Ca比值的影响。 

这项研究中,研究人员对IODP 363航次2016年在西太平洋暖池钻取的U1488站以及ODP 130航次806站岩芯进行取样,提取沉积物中的脂类并测定TEX86和Uk’37值(U1488站),并提取浮游有孔虫混合层种Trilobatus sacculifer壳体Mg/Ca比值(806站),全面评估各个替代指标限制后(筛选出非热因子对GDGTs分布影响不显著的样品,利用海水Mg/Ca比值随时间的变化对有孔虫Mg/Ca比值进行矫正),利用多个指标建立了一千万年以来西太平洋暖池海水表层温度演化(图2)。结合先前发表的暖池SST记录,图2c 显示:三个相隔几千米的站位、不同古温度替代性指标所恢复的SST基本吻合,都呈现出一千万年到现在西太平洋暖池表层海温逐渐变冷,不支持“永久厄尔尼诺”假说认为暖池表层水从上新世以来近乎恒温的观点。

 

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图2 西太平洋暖池过去一千万年以来的海水表层温度。

基于西太平洋暖池SST堆叠记录曲线(图2c)以及北太平洋高纬地区已发表的SST记录(882/883和887孔,图1),研究人员利用分箱方法将西太平洋暖池和高纬地区的SST建立在同一时间序列,然后利用加权线性回归方法计算了高纬放大效应(图3a),即高纬度相对于西太平洋暖池的SST变化。图3b显示北半球无冰时期(1000-280万年前)高纬度相对于西太平洋暖池的温度变化是3.39±0.84(图3b),即当暖池变暖1摄氏度时,高纬度变暖约3.39摄氏度。由于280万年前(北半球高纬和极地地区开始被海冰和冰盖覆盖)以来高纬度SST记录有限,这项研究无法直接计算北半球有冰时期的高纬度放大效应,但整个10000万年的高纬放大效应值是2.42±0.64(图3b),低于无冰时期的3.39±0.84,意味着高纬放大效应在北半球有冰时期并未增强,指示冰反照率反馈作用并没有加强高纬放大效应,与传统观点中冰反照率反馈作用主控高纬放大效应不一致

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图3 北半球无冰时期(10-2.8Ma)与过去整个10Myr的太平洋高纬放大效应的对比。

由于这项研究定义的高纬放大效应移除了时间变量,可以将不同时间尺度的高纬放大效应进行对比。利用4倍二氧化碳强迫下千年气候模拟(LongRunMIP)的结果,该研究将过去一千万年以来古气候重建结果与气候模式预测的未来高纬放大效应进行对比。比较结果显示,地球系统模式(CESM)(图4)及其它气候模式(图5, CNRMCM61, GISSE2R, HadCM3L, HadGEM2, MPIESM11, MPIESM12 等)结果与古气候重建结果吻合,表明这些气候模式很可能正确描述了放大效应背后的物理过程。但一些其他气候模型却不能得到与地质记录类似的结果(图5),这可能从某个角度反映了模型自身存在的问题。这项研究表明,高纬度(或极地)放大效应似乎遵循地球系统中某种较为恒定的物理规律。而新分析方法和可靠的古气候数据有助于更好地了解这些规律并为气候模型提供指导意义,进而有助于更好地预测未来气候变化

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图4 过去到未来的太平洋高纬度放大效应。

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图5 过去一千万年以来太平洋高纬度放大效应与气候模式预测结果对比。模型预测结果源自4倍二氧化碳强迫下千年气候模拟(LongRunMIP)。

论文第一作者为普渡大学刘小庆博士,通讯作者为德克萨斯农工大学张一歌教授。该研究合作人员包括普渡大学MatthewHuber,南安普顿大学GavinFoster以及德克萨斯农工大学Andrew Dessler。

Liu, X., Huber, M., Foster, G.L., Dessler, A., and Zhang Y.G. Persistent high latitude amplification of the Pacific Ocean over the past 10 million years. Nature Communications 13, 7310 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35011-z

原文链接:Persistent high latitude amplification of the Pacific Ocean over the past 10 million years | Nature Communications