南科大海洋磁学中心团队重建北太平洋沉积模式在高低纬过程的响应特征
2021年10月22日 科研新闻 浏览量 :820

近日,南方科技大学海洋科学与工程系海洋磁学中心(Centre for Marine Magnetism, CM2)团队,通过对亚北极太平洋海山区的沉积物岩心进行研究,重建了北太平洋沉积模式在高低纬气候过程的响应特征。相关成果以“Coupled Impacts of Atmospheric Circulation and Sea-Ice on Late Pleistocene Terrigenous Sediment Dynamics in the Subarctic Pacific Ocean”(晚更新世以来亚北极地区陆源沉积模式指示的大气环流和海冰耦合模型)为题,在地球科学领域权威自然指数期刊Geophysical Research Letters上发表。

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气候系统的演化发展与人类的命运息息相关,因此,我们必须对全球气候系统进行深入研究,将古论今。

过去几十年来,北极是全球地表气温增暖最剧烈的地区,增温幅度高达1.2°C/10年,是全球平均增温的2倍以上,被称为“北极放大器”。全球变暖引起的气候异常现象增多,气象灾害频发,给人类的生命财产安全造成了重大的损失。气候变化问题已经从科学问题上升为政治经济社会问题,成为人类可持续发展需要重点关注的最前沿问题。

作为极地北冰洋表层水主要来源之一,太平洋入流水来自太平洋北部亚极地流涡中的白令海,通过太平洋与北冰洋之间的唯一通道——白令海峡进入楚科奇海,继而参与北冰洋内部的环流过程。其携带的淡水、热量和营养盐对北极大气——海冰——海洋系统、生态环境系统等具有重要影响。亚北极太平洋(北太平洋及其边缘海——白令海等)是连接太平洋和北冰洋的中间海域,由于其特殊的地理位置,亚北极太平洋与太平洋和北冰洋之间的水团交换过程对大洋环流及其温盐平衡等变化起着十分重要的作用,是研究极地和热带气候耦合和相互作用的理想场所,因此,在全球气候变化和碳循环过程中扮演着举足轻重的作用。

现代观测显示,亚北极太平洋地区是高纬度大气——海冰——洋流动态耦合作用的重要区域,冬季西伯利亚高压和阿留申低压气候系统控制着冰期旋回、海冰覆盖面、北太平洋中层水过程和大气循环模式。而夏季,低纬度热量可以通过热带过程(如厄尔尼诺和亚洲季风)向高纬输送冰盖生长所需的热量和水汽。因此,太平洋高——低纬之间热量和水汽传输对于我们全面认识气候系统显得尤为重要。

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图1.(a)研究区域大气环流格局;(b)本文研究站位以及北太平洋对比研究站位 

过去是预测未来的一把钥匙,从气候演化角度而言,全面认识过去地质历史时期太平洋气候演化响应机制,对于我们理解太平洋——北极之间相互联系以及海——气耦合作用具有重要的指示意义。因此,为了厘清亚北极太平洋地区海洋——大气耦合模式,海洋科学与工程系海洋磁学中心(CM2)研究助理教授仲义在海洋科学与工程系讲席教授、海洋磁学中心主任刘青松的指导下,联合自然资源部第一海洋所及国内外等多家单位,对亚北极太平洋海山区的沉积物岩心进行了多学科交叉的系统研究,方法包括岩石磁学、黏土矿物学、地球化学以及大气——海洋及海冰模式研究等。该研究重建了过去230 千年以来亚北极太平洋地区陆源矿物源——汇动态过程,并深入探讨了该地区海冰、洋流循环过程的控制机制,取得以下新认识:

(1)多维度、多方法刻画出亚北极太平洋源——汇输入及其搬运过程。利用黏土矿物指标,有效区分出冰期物质来自白令海河流输入,间冰期物质来自周边火山岛弧。并进一步通过磁化率各项异性,创新性地判别出深水洋流方向性变化,这对于理解该地区沉积物搬运动力学过程研究发挥了重要的作用(图2)。

(2)通过多种矿物学指标重建和模型验证相结合的方法,我们发现亚北极太平洋沉积物中不同陆源矿物学指标变化显著,受高纬度海冰和低纬度水汽过程共同控制。通过对比不同冰期洋流方向的变化,我们进一步发现随着冰盖不断扩张,尤其在末次冰盛期,北太平洋中层水的来源也发生明显的转化,这归因于北太平洋大气和海冰的共同调控影响(图2)。

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图2. 亚北极太平洋冰期——间冰期沉积物物源变化及其海洋——大气耦合模式图

(a, d)机制I:暖期低纬度水汽向高纬度输送增多,阿留申和勘察加岛弧的化学风化作用减弱,海冰消退,白令海沉积物来源减少;(b, e)机制IIa: 氧同位素4和6阶段,化学风化减弱,白令海海冰扩张,NPIW在白令海地区形成;(c, f)机制IIb: 末次冰盛期(氧同位素2阶段),全球冰盖进一步扩张,西伯利亚高压增强,在鄂霍次克海和白令海海冰都开始扩张,并形成NPIW。

本研究通过多指标、多维度和多学科交叉方法,重建了北太平洋沉积模式在高低纬气候系统的响应机制,为我们全面理解过去和未来北极海冰和高纬度海气动态过程提供了重要的地史记录和参考依据。

仲义为该论文的第一作者,刘青松为论文通讯作者。南科大是论文第一单位。以上研究得到了国家自然科学基金,“全球变化与海气相互作用”专项、青岛海洋科学与技术试点国家实验室开放基金以及深圳市科创委项目资助。

 

论文链接:https://doi.org/10.1029/2021GL095312

 

供稿:海洋科学与工程系

通讯员:颜莎

主图:丘妍

编辑:朱增光


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