南科大刘青松团队揭示气候变暖背景下的中亚地区干湿变化机制
2022年11月29日 科研新闻 浏览量 :946

近日,南方科技大学海洋科学与工程系讲席教授刘青松团队在Nature 旗下期刊Communications Earth & Environment (CEE)发表题为Humdification of Central Asia and equatorward shifts of westerly winds since the late Pliocene的文章,对晚中新世以来中亚干湿演化及西风带变迁进行了系统性阐述,这对于理解亚洲中部地区气候成因及其演变规律具有重要意义 

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亚洲中部地区是北半球中纬度最大的干旱区,“陆上丝绸之路”贯穿其中,构成了一条横跨欧亚大陆的贸易文化走廊,在东西方文化交流和丝路文明兴衰历史中发挥了关键性的作用。许多著名的古文明,如楼兰古国、龟兹古国都曾在亚洲中部发展兴盛,但最终湮没于历史长河之中,气候变化可能是导致该地区古文明衰亡的重要因素之一。因此,研究亚洲中部干旱气候的成因及演变规律对理解过去丝绸之路存在的气候背景,以及规划未来欧亚大陆经济带建设均有重要意义。

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图1. 北太平洋大气环流、研究站位及样品形貌特征

与东亚季风气候显著不同,中亚气候主要受中纬度西风急流控制。该区域是全球主要的大气粉尘排放和沉积区域之一。同时,亚洲中部干旱区也是全球最主要的绿洲农业和景观分布区,水资源变化显著,绿洲生态系统脆弱,对全球变化响应敏感。近现代观测显示,受夏季季风增强影响,中国西北部传统干旱区正在变得更加湿润。与之相反,蒙古及中亚地区近些年却呈现干旱化趋势。受限于长期观测资料的匮乏,我们仍无从判断该趋势是否受气候变暖影响亦或是年代际的偶发事件。研究地球最近一次温暖时期(上新世,5.3-2.6 百万年前)中亚气候的特征,有助于我们理解目前的气候变化过程和预测未来气候变化趋势。

受中纬度盛行西风带控制,中亚粉尘可以长距离传输,最终在西北太平洋沉积。该远洋沉积速率较慢,受近海环境影响小,为研究中亚粉尘源区百万年尺度气候变化特征提供可能。大洋多金属结壳作为生长于大洋平顶海山、海台顶部和斜坡上的“壳状”沉积物,被认为是从海水中直接沉淀形成,且形成后期受生物扰动及成岩改造作用影响甚微。它们可以提供跨越千万年的海洋和气候演变记录,在古海洋、古气候研究中具有重要意义。近些年来,随着我国深海探测技术的进步,我国在太平洋地区深海矿产资源调查、分布规律、赋存状态和成矿机理等方面都做出了重要的贡献,这也为我们重建长时间尺度中亚古气候演变提供宝贵的载体。

基于此,南方科技大学海洋磁学中心(CM2)仲义博士在合作导师刘青松讲席教授的指导下,联合自然资源部第一海洋研究、德国AWI极地与海洋研究所、英国伦敦大学、美国地质调查局等国内外多家单位,对西太平洋海山区多金属结壳进行了多指标、多方法的交叉研究,通过记录-模型的相互验证,重建了过去七百万年以来中亚地区干湿与大气环流变化(图1)。其中,通过化学风化指标K/Al比值发现粉尘源区在上新世暖期(5.3-2.6 百万年前)更为干燥,且风尘通量较低。值得注意的是,这一记录结果支持了一种新兴观点,即在干旱环境下风尘通量反而降低(而非过去认为在干旱环境风尘通量总是升高)。在北半球冰盖不断扩张的几个时期,受冰川作用和源区湿度增强控制,导致更多细粒物质的形成,促进了远洋风尘通量的增多。利用多金属结壳中铅同位素物源示踪的方法,我们的记录显示风尘组分从蒙古戈壁沙漠源区向戈壁沙漠-塔克拉玛干沙漠的混合源转变(图2)。通过对比地质记录与不同二氧化碳背景下AWI-ESM的数值模拟结果表明:气候增暖时期,受陆地升温影响,中亚潜在蒸发量显著升高,导致该区域更为炎热、干燥。与此同时,受温暖时期径向温度梯度位移的影响,西风急流向高纬地区偏移,导致远洋风尘沉积组分变化。我们的研究从古气候学及地质学的角度预示,在全球变暖增强的背景下,中亚地区干旱化程度将会进一步加剧。

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图2. 本文风尘及化学风化指标与北太平洋记录及气候指标对比

中亚干旱区是“丝绸之路经济带”的必经之地,目前水资源短缺是制约当地经济发展的主要因素。建议政府机构要科学认识中亚地区水资源分布变化规律,保障生态和水资源安全,在“一带一路”战略框架下,中亚国家需要共同参与制定一套完整的、综合考虑人口、社会经济、生态环境因素的水资源管理治理决策体系,构建中亚各国和谐共存的可持续发展。

南科大海洋磁学中心研究助理教授仲义为论文第一作者,刘青松和德国AWI极地与海洋研究所杨虎博士为论文共同通讯作者,南科大是论文第一单位。南科大海洋磁学中心近年来聚焦于北太平洋碳循环过程研究,涉及海-陆、海-气、高低纬过程多圈层耦合过程的研究。旨在阐明海洋动力学过程、生物循环过程对全球气候变化的反馈机制,厘定海洋在大气CO2吸收过程中的作用机理,引领CO2循环在跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究。

以上研究得到了国家自然科学基金、同济大学海洋地质国家重点实验室开放课题、上海佘山地球物理国家野外观测研究站开放基金以及深圳市科创委项目资助。

 

论文链接:https://doi.org/10.1038/s43247-022-00604-5 

 

 

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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