海洋所在晚第四紀東亞季風演化的空間差異性方面獲重要進展

  近日,中國科學院海洋研究所萬世明研究組在晚第四紀東亞季風演化方面取得重要進展。研究人員通過對東亞邊緣海沉積記錄進行綜合對比分析,并結合氣候模擬手段,發現了東亞大陸夏季風降水強度以及冬季風強度演化的時空差異性。相關成果發表在JCR一區top 5%期刊Quaternary Science ReviewsGeophysical Research Letters上。 

  長久以來,古氣候研究領域普遍認為整個東亞季風區內的古季風強度變化是協調一致的,其演化的控制機制也是單一的,如采用熱帶輻合帶(ITCZ)的遷移統一解釋東亞大陸的降水演化,用北半球高緯度冰量變化解釋東亞冬季風強度演化。這不僅忽視了季風系統的內部變率,導致諸多指標重建的季風演化空間差異現象無法得到合理解釋,同時也給未來季風氣候長期演變的預測工作造成了困難。 

  萬世明研究組趙德博等與瑞典隆德大學(Lund University)、德國亥姆霍茲基爾海洋研究中心(GEOMAR)和阿爾弗雷德·魏格納研究所-亥姆霍茲極地與海洋研究中心(AWI)進行合作,利用綜合大洋鉆探計劃(IODP) 346航次在沖繩海槽的鉆孔沉積記錄(粒度、粘土礦物和元素組成)并結合模型模擬,重建了40萬年以來的東亞大陸夏季風降水強度以及冬季風強度演化歷史。 

(左)現今東亞大陸及邊緣海降水、西風帶以及ITCZ位置的季節變化;(右)研究站位U1429及對比站位位置(圖中顏色指示夏季降水強度)

  研究發現,東亞大陸夏季風降水強度演化在歲差尺度上具有明顯的空間差異性。具體表現為北部與南部演化相位一致,但與中部有較大的相位差,即季風降水強度演化在空間上不同步。綜合對比表明東亞大陸北部和中部的降水強度演化主要受到西風帶的南北移動控制(西風帶北移,北部降水增強但中部減弱),而南部降水則更多受ITCZ遷移的影響(ITCZ北移南部降水強度增強)。研究提出,作為哈德雷環流(Hadley Circulation)上升支和下沉支的重要組成部分,西風帶和ITCZ在北半球經向溫度梯度變化的控制下發生同步南北遷移,因此驅動了東亞大陸降水在歲差尺度上的空間差異演化。在全球快速變暖背景下,海陸分布所導致的北半球異常變暖使得赤道-高緯度經向溫度梯度降低,西風帶和ITCZ同步北移,因此形成了近幾十年東亞大陸降水分布南、北增多而中部減少的現象。該理論對于預測東亞水文氣候長期演化具有重要借鑒意義(Zhao et al., 2020, Quaternary Science Reviews)。 

晚第四紀東亞降水演化時空對比;右上)東亞不同區域降水強度相位演化;右下模型模擬結果(降水、溫度以及風場強度)

  對于冬季風演化,研究顯示過去30萬年以來冬季風強度在東海和南海呈現反向演化的長期趨勢,而全新世以來的指標重建與模擬結果也都顯示出了同樣的現象。考慮到單一的北半球高緯冰量變化無法驅動東亞冬季風的這種空間差異演化,并結合現代過程中厄爾尼諾-南方濤動(ENSO對東亞冬季風的影響,研究人員提出了類ENSO過程的控制作用。在長時間尺度上,當熱帶太平洋趨于類厄爾尼諾過程時,冬季風在東亞東部邊緣海區域增強,而在南海減弱;而當趨于類拉尼娜過程時則相反。該研究揭示了熱帶低緯過程對于第四紀東亞冬季風空間差異演化的驅動作用。在全球變暖所造成的極端厄爾尼諾和拉尼娜發生頻率升高的背景下,東亞冬季風空間差異演化可能將導致東亞南、北部更多的極端冷冬或暖冬的出現。因此,本研究不僅加深了我們對于氣候變化低緯驅動理論的認識,同時對于東亞區域將來的長期氣候預測也有重要的指示意義(Zhao et al., 2019, Geophysical Research Letters)。 

(左)晚第四紀東亞冬季風長期演化的空間差異性;(右)冬季風空間差異演化的熱帶驅動示意圖

  上述研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國博士后科學基金等的支持。相關成果及鏈接如下: 

  1. Zhao, D.*, Wan, S., Lu, Z., Zhai, L., Feng, X., Shi, X. and Li, A. Response of heterogeneous rainfall variability in East Asia to Hadley circulation reorganization during the late Quaternary. Quaternary Science Reviews, 2020, 247, 106562. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2020.106562 

  2. Zhao, D., Wan, S.*, Song, Z., Gong, X., Zhai, L., Shi, X. and Li, A. Asynchronous variation in the Quaternary East Asian winter monsoon associated with the tropical Pacific ENSO-like system. Geophysical Research Letters, 2019, 46, 6955-6963. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019GL083033 


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