表生地球化学团队在更新世东亚季风研究方面取

作者: 产品评测  发布:2019-12-13

近日,地球科学与工程学院表生地球化学团队在更新世东亚季风降雨演化研究方面取得新进展,其成果以“Mineralogical evidence of reduced East Asian summer monsoon rainfall on the Chinese loess plateau during the early Pleistocene interglacials”为标题在线发表于地学NI期刊《Earth and Planetary Science Letters》2018年486期上。

5月25日,美国《科学》(Science)杂志以研究论文形式(Research Article)刊登了美国亚利桑那大学教授Warren Beck和中国科学院地球环境研究所研究员、中国科学院院士周卫健共同领导的团队在利用中国黄土10Be重建古降水研究中取得的最新成果:《黄土10Be记录的55万年以来东亚季风降水变化历史》(A 550,000-year record of East Asian monsoon rainfall from 10Be in loess)。这是中美伙伴团队经过长达十多年的合作,在黄土10Be环境示踪领域取得的一项原创性科学成果。

东亚季风降雨影响了东亚地区十数亿人口的生产和生活。在全球增温背景下,预测东亚季风降雨的变化至关重要。研究过去季风降雨与温度的关系能加深理解这些过程并为预测模型提供约束。早更新世时期(1.6-2.6Ma)处在与现在类似的冰期间冰期模式,且间冰期温度比现在高约1-2℃,因此研究该时期的季风降雨与温度的联系能更好地理解未来季风降雨如何去响应全球变暖和季风动力学。然而学术界对该时期季风强度的变化存在争议,原因可能是过去的指标很难将季风降雨与温度信号区分开,因此需要开发一个不受温度影响的降雨新指标。

据该论文的共同通讯作者周卫健介绍,中美合作团队对采集自中国黄土高原南部的中更新世以来黄土样品,利用超高灵敏度加速器质谱,开展宇宙成因核素10Be测试分析与示踪研究,首次定量重建了黄土高原所代表的亚洲季风区,最近55万年以来的降水变化历史,突破了以往在多数研究中主要应用一些气候代用指标定性描述干湿气候变化历史的局限。通过综合对比三宝洞石笋氧同位素、底栖有孔虫δ18O所代表的全球冰量、红海古海平面、北纬65°N夏季太阳辐射以及南北半球夏季30°N-30°S太阳辐射梯度记录,研究人员论证了南北半球低纬夏季太阳辐射梯度是驱动亚洲季风气候的首要因素。

基于黄土中碳酸盐矿物种类与分布的大范围调查,表生地球化学团队建立了一个新的只响应季风降雨的指标,即土壤碳酸盐溶解的四阶段模式(前期工作:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GL066681/full)。使用该指标,以黄土高原地区3个经典的黄土古土壤序列为研究对象,重建了过去260万年以来的间冰期东亚季风降雨历史。研究显示,暖的早更新世时期(1.65-2.6Ma),东亚季风降雨较弱;之后随着全球逐渐变冷,降雨逐渐增强,这和过去认为“温度越高季风降雨越强”的认识不一致,同时过去提出的机制也很难解释这种现象。通过进一步调查发现,260万年以来逐渐增多的间冰期东亚季风降雨与逐渐增大的东西赤道太平洋海表温度梯度一致,即在早更新世时期,东西赤道太平洋海表温度梯度较小,沃克环流较弱,呈现类似于现代的强厄尔尼诺状态,导致同时期中国华北地区东亚季风降雨偏少,中晚更新世时期则呈现相反的状态。该结果显示在构造时间尺度下,东亚季风降雨的变化更多响应低纬热带太平洋大气环流系统的变化。因此,对于未来东亚季风降雨的预测,需要更多关注低纬大气环流系统的变化。

周卫健等在2007年和2014年利用黄土10Be开展末次间冰期以来亚洲季风降水重建的论文中,曾提出南北半球低纬夏季太阳辐射梯度对亚洲季风产生重大影响的思想(Zhou et al., 2007, Radiocarbon;Zhou et al., 2014, JGR)。本文则详细揭示了低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度影响亚洲夏季风强度变化的动力学联系:低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度影响季风气团在对流层上部辐散外流的模式,当有更多的气团辐散外流到南印度洋高压,印度夏季风增强,而西北太平洋夏季风减弱;反之,当有更多的气团辐散外流西北太平洋副热带高压时,西北太平洋夏季风加强,而印度夏季风减弱。这两个季风子系统相对强度的变化,改变着从这两个高压区域,输送到东亚季风区水汽的比例。低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度可通过影响印度洋输送到南大西洋的洋流系统,从而影响北大西洋经向翻转环流,进而控制着北半球高纬地区的冰量,表明季风环流也是驱动冰期/间冰期全球气候变化的重要因素。

该研究受到国家自然科学基金重点项目和面上项目的资助。博士研究生孟先强为第一作者,导师季峻峰教授为论文通讯作者,该工作在表生地球化学教育部重点实验室完成。

经典的米兰科维奇理论认为北半球高纬太阳辐射是驱动全球气候变化的动力,包括低纬度的季风气候变化也受高纬太阳辐射变化调制,而该研究在一定程度上挑战了经典的米氏气候理论、尤其是高纬气候驱动假说。这一结果使研究人员重新审视热带亚热带地区所代表的低纬气候过程对全球气候变化的作用。在地球轨道参数调制下,夏季南北半球低纬接收太阳辐射的梯度,也是驱动亚洲季风气候变迁的重要机制。这一结果也为数值模拟研究提供了可靠的边界条件,为理解全球气候变化机制提供了新的认识。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2017.12.048

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