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轻松读懂海洋(30)中国南海记录的东亚季风 精选

已有 3689 次阅读 2022-3-22 09:10 |系统分类:科普集锦

研究东亚季风,中国南海是至关重要的区域之一。这里衔接着印度洋和太平洋,也是印太暖池(Indo-Pacific Warm PoolIPWP)或西太暖池(West-Pacific Warm PoolWPWP)的重要组成部分。印度洋水汽经过南海时,会和南海的水汽发生混合,对中国南方的降水起到重要影响。

早期研究把南海比喻成一个小型大西洋,它经历了一个完整的产生和消亡过程(33-15Ma)。关于其演化机制,目前没有完全的定论。通过国际大洋钻探计划,科学家(作者参与其中)直接获取了海底大洋玄武岩,实测年龄与前人通过海底磁异常条带和地质约束得到了年龄基本一致。

南海沉积物可以追溯到EOT南极冰盖扩张时期。这种构造上的时间同步性是巧合吗?

实际上,EOT也是通过构造打开德雷克海峡的结果。同一时期,澳大利亚和印度板块徐徐向北运动,在南亚地区与太平洋板块一起产生合力,造成陆块边缘产生张力。我们在这里不综述南海具体的打开机制,只是把时间瞄准在33Ma以来的沉积记录,用来研究西太地位地区的气候演化,包括季风、以及和厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的关系等等。

阿拉伯海区的季风记录相对来说比较“纯净”,影响因素更容易追踪。而东亚季风的研究指标相对来说更复杂,这和两个地区的海陆分布密切相关。

阿拉伯海和中国南海在地里位置上几乎一样,区别就在于阿拉伯海北边有高原阻挡,阿拉伯海的水汽不得不改向印度。而南海北边则是相对平坦的大陆,南海的水汽则可深入中国南方内陆。

青藏高原在很早以前可能就已经形成了安第斯山型的高山阻挡,后续的高原增长对阿拉伯海区的记录影响可能不大。但是,对于孟加拉湾海区来说,靠河流输入和风化为主的季风追踪方法,和高原生长密切相关,从而得出青藏高原对印度季风影响更强烈的结论。对于东亚季风来说,壮观的青藏高原也一定会强烈影响东亚的大气和水汽环流。

此外,在阿拉伯海西侧赤道区,没有岛屿阻挡,索马里急流成为印度季风形成和演化的关键。而在西太赤道区,大大小小的岛屿密布,太平洋水汽在西太地区就大部分发生偏转,转向西北太平洋区。以至于在东亚地区的水汽来源变得异常复杂,印度洋水汽、南海水汽、以及太平洋水汽在中国东南地区进行角逐,时而某一区域的水汽占主导,时而大面积混合。

研究南海东亚季风记录,首先还是要考虑参数问题。

黏土矿物是一种不错的选择。常见的类型有高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石等。在不同的母岩和风化程度区,黏土矿物组合也不同。因此,可以用黏土矿物的组合变化来判断物源和气候演化。在实践中,研究发现黏土矿物在轨道周期尺度上具有显著的变化特征。

对于不同海区的钻孔,首先需要理清楚周边主要的黏土矿物来源。比如,珠江的黏土矿物组合主要是高岭石和伊利石,而绿泥石很少,蒙脱石几乎不可见。这表明源区的化学风化很强。如果南海沉积物中出现大量的蒙脱石,说明另有物源贡献。台湾物源的黏土矿物组合又展现另外一种特征,它富含伊利石和绿泥石。可见绿泥石区分中国南方大陆物源和台湾物源的好指标。蒙脱石一般来源于玄武岩的化学风化。因此,南海周边的火山岛弧(比如吕宋岛)是蒙脱石的主要来源。

通过研究南海北部地区的沉积物,发现蒙脱石/(伊利石+绿泥石)的比值具有典型的Precession周期,缺乏10万年尺度的冰期-间冰期周期,从而可以解释为反应了东亚夏季风的信息。具体的机制大致如下:当夏季风强降水增多时,吕宋岛的火山岩风化加剧,蒙脱石被大量传送到南海北部。

南海的SST也是重要的气候指标,包括Ma/Ca比值、UK37-SST、以及TEX86等参数,但是这些参数所反映的温度变化机理并不完全一样。

UK37-SST代表的是浅层海水的温度,偏高。而TEX86代表的是次表层水的温度,偏低。因而,这两个温度之间的差值可用来指示混合层的深度。差值小,说明浅部和次表层的水温趋近一致,混合作用强,也代表冬季风强劲。研究的有孔虫种类不同,其代表的水深也不样。比如G. ruberMg/Ca比值代表着次表层水,而P. obliquiloculata则在温跃层生活。此外,不同种类的有孔虫有可能反应不同季节的温度,会造成数据上的一些不一致,这个问题在之前的章节陈述过。

受到混合层深度的影响,热量从表层向次表层传输的能力发生变化。现今观测清晰地展示了这一点,在一年四季变换中,表层和次表层水的温度变化并不一样,受到日照量和风力搅动共同控制。在一些特殊的海区,次表层水的侧向供给也会造成重大影响。深水上涌区的温度就会偏低。

南海与周边开放海区的SST差值,也可以作为季风的替代指标。比如,南海北部受到冬季风影响,会比周边海区和南海南部地区的温度更低,从而形成温度梯度,这种空间温度梯度是研究冬季风的一个指标。每个人的实验室设备不一样,利用方法的优先级不一样,科学家是八仙过海,各显其能。

只要存在着边界流,由于艾克曼抽吸作用,就会存在着海水上涌区。在夏天,强劲的东南夏季风驱动南海做顺时针运动,因此在越南东海岸就会产生上升流。而冬天的模式刚好相反,会在菲律宾西北地区海域产生上升流。想要研究上升流,我们可寻找在上升流中生活的相关有孔虫,也可利用生产力的增加,间接推断上升流。或者通过上升流带来的冷水降温作用,研究上升流的演化。越南西海岸的暖期上升流和菲律宾西北海域的冷期上升流具有跷跷板效应,一方强则另一方弱。

我们首先看看LGMHolocene时期,南海水文条件的变化。在LGM时期,南海的表层温度SST与温跃层温度之间的梯度较小。在西太的暖池区,整体偏干偏冷。而到了Holocene,南海SST增加了大约3°,SST与温跃层温度之间的梯度增加,暖池也加强。同时,南亚降水带从南海向北转移,陆地上降水增加,而南海降水反而减少,盐度则相应地增加,会造成d18O相对升高一些。

在整个Holocene期间,SST变化不大,但是Holocene早期珊瑚记录的d18O比现今的值要高大约0.5‰,这说明Holocene早期的海水盐度更大,与降水量减少有关。可见,这些参数都是牵一发而动全身。但是,在Holocene期间,次表层水(TEX86)的温度演化特征与表层SST并不一致,后者比前者先降温,说明海水向下热量传输下降,混合作用减弱。在南海地区,我们可把这归结为冬季风减弱。但是,如果全球其它海区记录都是如此,那就是一个全球行为,而不是局部季风行为。

通过高精度的14C定年,科学加发现中国南海记录的SST模式,尤其是在末次冰消期时,其特征与GISP2的氧同位素记录几乎同相位。这与北印度洋地区的模式相同。但是开阔的赤道太平洋区则展示了不一致的特征,这暗示着赤道太平洋区的不同海域,其SST特征在响应全球变化时,会具有明显的区域特色,这个在研究中一定要加以注意。具体而言就是,在LGM为代表的冷期,西太边缘海的SST降低得比西太开放海洋要低很多。

南海SST与格陵兰冰芯记录较为同步的变化,尤其是冷期(LGMYD等)特征的一致性,说明这最可能是通过大气传导,也就是冬季风的作用。北半球高纬度温度降低,西伯利亚高压冷空气加强,冬季风强盛,ITCZ南移,南海表层是温度也随之降温。在LGM及早全新世,由于冬季风的影响,使得南海北部地区的升温过程比南亚地区海域的升温过程更要缓慢一些,展示南海南北温度梯度差和时空不一致性。同时,冷的北太平洋海水进入南海,也会影响南海北部的SST变化。这导致南海在冰消期(比如末次冰消期)时,升温要比全球状态要晚2千多年。

在夏季风盛行的时候,南海的水汽通向东亚,增加东亚区域的降水。而冬季风盛行的时候,南海SST下降,蒸发作用也下降,即使如此,冬季风会把南海水汽吹向热带岛屿,使得那里的山区雪线下降。这个和欧洲小冰期的道理一致。在较为寒冷的气候状态下,水汽是决定冰川大小的决定因素。

在更大的气候转型期时,比如中更新世转型期(MPT),中国南海地区也经历了大幅度的降温。在900ka,东亚冬季风加强,同时在暖期,夏季风的影响也加强,根据之前的原理,这会进一步加强南海南北部的温差。不知道这种南北温差应该会造成一种专属于南海涛动,以区分更大尺度的南方涛动。

通过上面论述,我们好像得出一个结论,对于中国南海,越靠北,冷期冬季风影响越强,越靠南,暖期夏季风的作用就越明显。那么,肯定在南海中部某个位置,是这两种影响的锋面,信息会变得更加不“纯”。这只是一个推论,目前还没有文章专门进行核实。

在更长的尺度上,东亚季风显示出各种天文轨道周期,总之从整体形式上看,和北半球高纬度驱动密切相关。

如果再往前追踪,东亚季风何时起源?我觉得这个需要和印度季风一起讨论,二者几乎都是在新特提斯洋演化过程中逐渐生成演化的。在大尺度上,具有同源关系,所以它们应该都可以追溯到始新世,应该也存在着东亚季风的原型proto-monsoon

总的说来,东亚季风区四通八达,陆陆可以和北大西洋气候气候直接相连(包括AMOC),受到高纬日照量驱动。东北可以和太平洋涛动有关,也就是通过高精度研究,东亚季风会显示20-30年的周期。本身所处的暖池又和ENSO密切相关。通过印太暖池,印度季风和东亚季风也有千丝万缕的联系。向南,又可以追踪到澳大利亚季风的身影。在构造上,青藏高原隆升又会产生很大的影响。




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