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1、西太平洋暖池冰期旋回中的类ENSO式演化及其驱动机制简要：摘要 作为全球接受太阳辐射最多、表层海水温度最高的区域，西太平洋暖池区通过厄尔尼诺-南方涛动(El NioSouthern Oscillation，ENSO)和季风等过程影响着全球气候的变化。越来越多的沉积记录证明摘要 作为全球接受太阳辐射最多、表层海水温度最高的区域，西太平洋暖池区通过厄尔尼诺-南方涛动(El NioSouthern Oscillation，ENSO)和季风等过程影响着全球气候的变化。越来越多的沉积记录证明，在地质历史时期西太平洋暖池也存在类似于现代 ENSO 过程的“类 ENSO 式变化。而目前类 ENSO 式变化与
2、冰期间冰期旋回之间的响应关系和驱动机制及其与东亚季风的关联仍存在争议。本文利用位于暖池核心区的 B10 岩芯浮游有孔虫氧同位素、 Mg/Ca 和粘土矿物参数重建了暖池区氧同位素 8 期以来的古气候记录，并结合已有的热带海表温度记录、中国石笋氧同位素和南大洋地区海表温度记录，研究了西太平洋暖池冰期旋回中类 ENSO 状态的演化规律及其与东亚季风的关系，并探讨了暖池区类 ENSO 演化的驱动机制。结果发现：冰期时，西太平洋暖池区温跃层变浅，赤道东、西太平洋温差减小，同时，东亚夏季风减弱，暖池区降水量相对减少，与现代 El Nio 时期气候态类似;间冰期时，西太平洋暖池区温跃层加深，赤道东、西太平洋
3、温差增大，东亚冬夏季风增强，暖池区降水量相对增加，与现代 La Nia 时期气候态类似。频谱分析结果说明，西太平洋暖池区海表温度的变化具有偏心率周期(96ka)。冰消期时，低纬度太阳辐射量的增加，增大了纬向上的 SST 梯度，并使得次表层海水储存了更多的热量，积累的热量会通过调节次表层环流向暖池区的热传输，最终调控赤道太平洋地区 Walker 环流强度和 ENSO 活动的长期变化。而冰期时，南大洋地区降温所引起的东南信风和大洋环流异常可能对类 ENSO 式起到调控的作用。关键词 西太平洋暖池;厄尔尼诺南方涛动;东亚季风;温跃层;太阳辐射量张洋; 徐继尚; 李广雪; 刘勇 地学前缘 2022-1
4、2-300 引言西太平洋暖池是全球接受太阳辐射最多、海水加热最强、向大气输送辐射最强的地区，同时也是全球大洋表层海水温度最高的区域1, 2，它以年均 28等温线为界，是大气圈水汽和热能的主要来源地3。地质历史时期上，全球气候呈现旋回性变化的根源也可能与西太平洋暖池地区的大气环流、洋流、生物过程等密切相关。暖池区通过季风和厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation， ENSO)等过程影响着全球气候变化，因此西太平洋暖池被认为是低纬向高纬输送能量的热源和气候变化的“引擎4, 5。作为高纬度气候的标志，格陵兰的温度很大程度上取决于大西洋经向翻转环流(Atlantic
5、Meridional Overturning Circulation，AMOC)6, 7;而作为热带驱动过程的代表，暖池区海表温度(Sea Surface Temperature，SST)的波动，会通过多尺度的海-气相互作用导致整个大气环流的变化，进而对全球气候产生显著影响8。现代观测说明，在较短的年际和年代际尺度上，暖池区通过 ENSO 作用对全球气候产生显著影响9, 10，而越来越多的研究也说明，在地质历史时期的冰期间冰期旋回中也存在类似于现代 ENSO 过程的“类 ENSO 式变化11, 12。全新世以及末次间冰期以来的沉积记录显示，古气候中类 ENSO 式的演化与赤道太平洋地区温跃层水
6、体的温度(Thermocline Water Temperature，TWT)变化有着密切的耦合关系，并且受到岁差周期的控制1, 13。前人通过颗石藻的丰度重建了西太平洋暖池区生产力变化趋势，结果显示暖池区生产力在冰期时生产力偏高，气候特征更类似 La Nia 状态14，而通过有孔虫氧 Mg/Ca 的记录那么显示，末次冰盛期时西太平洋暖池区的 SST 下降了 3，东太平洋冷舌区的 SST 下降了大约 1.2，赤道东、西太平洋的温度梯度减小，与现代 El Nio 现象类似15, 16。因此，地质历史时期中的气候变化与 El Nio 和 La Nia 的响应关系还存在分歧。ENSO 过程通过影响赤
7、道太平洋地区东西的热量输送从而进一步驱动亚洲季风的变化17，同时也是影响中国季风降水区变化的主要因素18。但在地质历史时期，ENSO 对亚洲季风的驱动机制仍存在争议。本文选取位于西太平洋暖池核心区的 B10 岩芯，利用浮游有孔虫 Mg/Ca 和粘土矿物等参数重建了暖池核心区晚更新世(氧同位素 8 期，Marine Isotope Stage 8，MIS 8)以来上部水体的温度变化以及东亚季风的演化趋势，结合已有的海表温度数据和频谱分析，计算赤道东西太平洋海表温差并研究上部水体的周期性变化规律，系统分析古气候中类 ENSO 式变化与冰期间冰期旋回之间的对应关系，进一步探讨类 ENSO 式变化的驱
8、动机制及其对东亚季风的响应，并深入认识类 ENSO 式变化在古气候波动中的重要作用。1 研究区概况 1.1 研究区地理位置本文研究区位于西太平洋暖池核心区(4.738.10N、 136.64141.17E)，处于太平洋板块、菲律宾板块与加洛林板块的交界处，西北侧是雅浦海沟，东侧为西加洛林海岭，东北侧为马里亚纳海沟，南侧为新几内亚岛(图 1)，是一个典型的岛弧-海沟-弧后盆地系统的俯冲型大陆边界19, 20。研究区水深范围为 1168198m，平均水深 3934m，最深的地带为西北部的雅浦海沟。碳酸盐补偿深度(carbonate pensation depth，CCD)最浅的区域为东北部的西加洛
9、林海隆及其南部区域。水深的整体变化趋势为南深北浅，西深东浅，在西加洛林海盆中间地带还贯穿了一条东西向的西加洛林海槽，平均水深在 4500m(图 2)。1.2 研究区气候特征研究区位于暖池的核心地带，表层海水温度常年处于 28以上，高温多雨，无明显的季节变化，为典型的热带海洋气候，主要受日照辐射量变化和赤道低压带的季节变动进而影响海气变化22。同时，暖池区气候也和热带辐合带(ITCZ)密切相关(图 1a)。ITCZ 是赤道西风与偏东风信风的辐合区，在赤道上空形成了一道狭长的云带、降雨频繁，大量的降雨主宰着暖池区的水温循环过程23。当 ITCZ 移动或者范围发生变化时，暖池区位置和面积也会相应的变
10、化。在夏季北半球时(69 月份)，ITCZ 携同东南信风向印度尼西亚海域和东亚北移，此时热带西太平洋降雨量到达最大，年降雨量在 3000mm5000mm 之间。当北半球冬季时(13 月份)，风向发生反转，暖池区盛行西北风， ITCZ 南移。上述季风变化的同时也会影响着暖池区海表温度和盐度的变化24。ENSO (El Nio-Southern Oscillation)对研究区的气候也起到重要的调控作用，它是发生于赤道东太平洋地区的风场和海面温度震荡，是低纬度的海-气相互作用现象，在海洋方面表现为厄尔尼诺-拉尼娜的转变，在大气方面表现为南方涛动。ENSO 具有 2-7 年的准周期，存在中性、暖性(
11、正)和冷性(负)3 个相位。中性相位的 ENSO 代表着气候的平均态，标志为赤道东太平洋“冷舌;当 ENSO 处于正相位期时，哈得利环流增强、沃克环流减弱、赤道太平洋信风减弱、温跃层深度增加、海平面温度异常升高。当 ENSO 处于负相位时，各项特征变化相反。1.3 研究区洋流特征西太平洋暖池区是许多重要水团、洋流会聚的地区。研究区附近的主要洋流如图 1 所示，主要包括赤道流和西太平洋的边界流25。影响研究区的表层流主要包括北赤道流(NEC)、棉兰老流(MC)(图 1)。在东北信风的作用下，北赤道流在 1020N 区域由东太平洋向西太平洋流动，到达菲律宾群岛后由于受到阻隔，分成为两支，一支向北流
12、动形成黑潮，另一支向南流动形成棉兰老流26。棉兰老流与南部新几内亚近岸流(NGCC)和北赤道逆流(NECC)聚集影响到研究区并形成环流体系。吕宋底流(LUC)发源于吕宋岛，在向南流动的过程中与北向的棉兰底流相遇，并向东汇入北赤道底流以此影响到研究区。南北向流动的北太平洋底层水(NPDW)与绕极地底层水聚集流向加洛林海盆，进而影响到研究区。综上所述，研究区附近的流系和水团十分多样复杂，对此区域海洋流系的研究对于沉积物输运沉积有着重要意义。2 研究材料与方法 2.1 研究材料本研究所使用的材料依托于全球变化与海气相互作用专项-西太平洋 PAC-CJ15 区块海底底质和底栖生物调查(GASI-02-
13、PAC-CJ15)于 2022 年 4 月至 6 月取回沉积物样品。本文选取位于索罗尔海槽与西加洛林海隆南部的 B10 岩芯(740.6，13959.9E，2950.8m)(图 1c)进行测试分析。2.2 研究方法 2.2.1 浮游有孔虫稳定氧同位素测试本文选取了浮游有孔虫的表层种 Globigerinoides. ruber 和次表层种 Pulleniatina. obliquiloculata 进行测试分析。样品前处理方法：以 2cm 间隔取样，将样品置于已称重的烧杯中，经 60恒温烘干后，称取 10.0g 干样，然后置于 500ml 烧杯中，参加 10%的 H2O2 溶液浸泡使样品充分分
14、散并去除有机质;使用孔径为 0.063mm 的标准筛进行冲洗;最后再将筛上局部收集经 60烘干以备镜下鉴定。假设样品中所含的沉积物颗粒较多，那么使用 CCl4 重液对样品进行浮选，将底样置于显微镜下检查，保证不致遗漏有孔虫壳体。上机测试：测试在同济大学海洋地质国家重点实验室进行。向样品中参加 99.7%的无水酒精，在振荡频率为 40kHz 的超声波清洗器(Branson 200)中清洗，每次处理约 1015 秒钟，倒去浊液后，将样品置于 60烘箱中烘烤 5 个小时。实验室采用的是气体稳定同位素比质谱仪 MAT253，并利用国际标样 NBS19 跟踪标定法矫正检测数据，标准偏差：13C 0.04
15、，18O 0.07。2.2.2 浮游有孔虫 Mg/Ca 测试挑 选 250-350m 的浮游有孔虫表层种 Globigerinoides. ruber 和次表层种 Pulleniatina. obliquiloculata 壳体 50-60 枚放入离心管中，保证所挑选的壳体外表光洁、无明显污染或破损、房室结构完整。在显微镜下将有孔虫压碎，至每个房室碎开即可。参照 Dang 等27的流程进行前处理。有孔虫 Mg/Ca 测试的工作在同济大学海洋地质国家重点实验室利用电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)完成。为了保证数据质量，参加了 15 个平行样品。G. ruber 和 P. obliquiloculata 的 Mn/Ca 比值不超过 0.35mmol/mol，说明富 Mn 氧化物的清洗效果较好。 Hollstein 等(2022)根据西太平洋暖池区的表层沉积物建立了多个属种有孔虫壳体 Mg/Ca 温度关系式28。本文根据其结果，选取 Mg/Ca=0.26exp0.097*T 作为表层属种 G. ruber 壳体的 Mg/Ca 校正公式，重建了晚更新世以来表层海水温度的变化;选取 Mg/Ca=0.21exp0.097*T 作为次表层属种 P. obliquiloculata 壳体的 Mg/Ca 校正公式
