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Nature:上新世温暖期西风带减弱并向极地移动
2021-02-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  中纬度西风带是气候系统的一个基本组成部分,其在驱动海洋循环和调节海洋与大气之间热量、动量和碳交换方面起着至关重要的作用。最近40年的研究表明,人类活动导致的全球变暖使得南半球西风带向南极移动且强度增强,这种趋势在北半球也有体现(Yang et al., 2020)。但是,随着大气二氧化碳进一步增加以及全球温度的持续升高,西风带的向极运动和增强是否会继续下去,仍存在广泛的争议。显然,重建地质温暖期西风带变化情况,将有助于量化未来中纬度环流的变化。 

  上新世(~3-5 Ma)是距离现代最近的一个稳定持久的温暖期。该时期大气二氧化碳含量与今天相似,约为350450 ppmv,全球平均温度比工业革命前高~24,与预估的本世纪末全球温度相似,因此被认为是21世纪末全球变暖的相似型(Burke, 2018)。上新世-更新世之交,北半球冰盖大规模扩张,全球气候进入更新世冰期-间冰期旋回。因此,上新世-早更新世气候记录为探索西风带对未来气候变化的响应提供了切入点。 

  深海风尘沉积因连续性好、年代准确且分布范围广泛而成为研究古大气环流路径和强度的宝贵记录。北太平洋位于亚洲内陆干旱区的下风向地区,西风带将大量的粉尘物质输送到这一地区(Tanaka and Chiba, 2006)。因此,可以通过研究北太平洋粉尘沉积通量重建西风带变化。最近,美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测所的Jordan T. Abell及其合作者,通过重建上新世-早更新世北太平洋中纬地区(ODP1208孔和ODP885/886孔)粉尘通量、海洋生产力和海表温度(SST)变化,并与全球相关地质记录进行对比,揭示了不同气候背景下西风带的变化。 

  结果显示,重建的ODP1208孔和ODP885/886孔上新世-早更新世粉尘通量具有不同的变化趋势。对于地理位置偏南的ODP1208孔(图1b),粉尘通量在4.5-2.73 Ma间相对稳定且整体处于较低水平,期间的几次小幅增加与气候变冷相对应。2.73 Ma后,冰期时北半球冰盖增加,粉尘通量明显增高(峰值约为上新世平均值的2.2-5.4倍);间冰期北半球冰盖减少,粉尘通量降低到上新世的水平。对于偏北的ODP885/886孔(图1c),粉尘通量在2.73 Ma前后没有发生明显的变化,且波动与冰期-间冰期旋回对应较差。 

1 上新世-更新世北太平洋粉尘通量重建记录Abell et al., 2021)。a. LR04 δ18Ob. ODP 1208孔粉尘通量;c. ODP 885/886孔粉尘通量;d. 西风带位置示意图

  作者还分析了南部ODP1208孔的海表温度和海洋生产力变化,并与粉尘通量进行了对比。结果显示,海表温度(3b)和海洋生产力(3d-图3f)与粉尘通量具有相似的变化,即在2.73 Ma后冰期-间冰期的波动明显增大,暗示着西风带位置的摆动增强。 

2 北太平洋ODP 1208孔粉尘通量、海表温度和海洋生产力变化对比(Abell et al., 2021a. LR04 δ18Ob. SSTc. 粉尘通量;d. C37total通量;e. Baxs通量;f. 蛋白石通量

  最后,为了验证西风带变化是否具有全球一致性,作者将北太平洋粉尘通量记录与受西风影响的中国黄土高原地区(图3d)、北大西洋(图3e)和南大西洋(图3f)粉尘通量记录进行了对比,发现不同地区的粉尘通量变化是一致的。 

3 北太平洋(c)、中国黄土高原(d)、北大西洋(e)和南大西洋(f)上新世-更新世粉尘通量变化对比(Abell et al., 2021

  该研究表明,冰量和经向温度梯度是上新世和早更新世西风的主要驱动机制。不同地区地质记录的对比显示全球气候变化是同步的,上新世温暖期西风带在北半球和南半球均向极地迁移,其西风带强度弱于之后的更新世寒冷期。这意味着随着全球变暖加剧,未来南北半球西风环流将继续向极地移动且强度进一步减弱。    

  主要参考文献

  Abell J T, Winckler G, Anderson R F, et al. Poleward and weakened westerlies during Pliocene warmth[J]. Nature, 2021, 589(7840): 70-75.原文链接 

  Burke K D, Williams J W, Chandler M A, et al. Pliocene and Eocene provide best analogs for near-future climates[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(52): 13288-13293. 

  Tanaka T Y, Chiba M. A numerical study of the contributions of dust source regions to the global dust budget[J]. Global and Planetary Change, 2006, 52(1-4): 88-104. 

  Yang H, Lohmann G, KrebsKanzow U, et al. Poleward shift of the major ocean gyres detected in a warming climate[J]. Geophysical Research Letters, 2020, 47(5): e2019GL085868.

(撰稿:黄晓芳,杨石岭/新生代室)

 
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