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轻松读懂海洋(32)再谈亚洲季风长趋势演化 精选

已有 3589 次阅读 2022-3-30 11:56 |系统分类:科普集锦

地球上分布的季风区很有规律,但是I-AMEAMSAM这三者在形成机制上有着本质的不同。在热带区,ITCZ是主要的驱动力,而在亚热带的东亚季风区,海陆热差成为重要控制因素。SAM(印度季风)则更加复杂一点,ITCZ和海陆温差共同起作用。直接和ITCZ相关的I-AMWNPSM可能很早就已经存在,而EAMSAM则和亚洲的构造历史密切相关。

南亚季风(也就是印度季风、SAM)、东亚季风(EAM)、以及印度及西亚-澳大利亚季风系统(I-AM)之间的异同并不那么简单,它们之间衔接成为一个互动的整体,时间尺度越短,每一个气候子系统就越和全世界其它气候子系统密切相关,以至于各种相关性研究多如牛毛式地出现,让读者眼花缭乱。

在文献中,我们会经常读到这样的句子,美洲(欧洲、或者其他地方)的冬季(春节、或者其它季节)的降雨(温度、风力或者其它)与中国南方(北方、或者其它地方)的各种气候指标同步(超前、或者滞后),因而可以用其它地区的指标,来预测中国地区的气候变化。科学家发现1970年以来,I-AMEAMENSO和西北太平洋季风(WNPSM)的关系更加密切。其中EASM有减弱的趋势,华北地区和华南地区干湿差别加大,西北太平洋副高压带向西迁移,西风带有向南加强的趋势。热带海洋是季风能量和水汽来源,目前倾向性的机制是热带海洋温度增加造成,所以我们就可以用热带海洋的气候因子变化来预测华北与华南的降雨演化,这样的研究思路不一而足。

印度季风与索马里急流的形成密切相关。在40Ma的时候,亚洲西部和南部的地形地貌是否有助于索马里急流的形成?

在那个时候,印度大陆主体还在15°N以下,在青藏高原西部还存在着副特提斯洋,南海还没打开,这种海陆分布模式引起如下重要作用:

1)在副特提斯洋和目前的地中海区,大片的海洋在夏天可形成一个顺时针的高压区,与青藏高原的低压区东西配置,这与现今的模式完全不同。这个顺时针的高压向南可以拓展到10°N,挡住了印度洋的水汽继续北上。相对比,现今的印度洋水汽则可以被索马里急流携带到20°N

2)印度大陆的主体位于15°N以下。因此,印度大陆低压的效应,使得印度洋水汽容易在10°N以下就发生偏转。

3)此时南海还没打开,该地区与亚洲东部同属大陆,都是低压带,不利于水汽向北偏转,深入中国南部地区。40Ma时,太平洋地区在20°N5°N之间,还存在着一个逆时针低压区,会进一步阻挡印度洋水汽向北偏转。

通过以上分析,海陆分布会影响高低压区的分布(包括经向和纬向)。从始新世到现今,气旋模式整体为:印度洋的气旋整体向西北移动,地中海地区的高压逐渐消逝,从而使得索马里急流最终形成,水汽也更容易向北,印度季风最终形成。而在东亚地区,从复杂的气流涡旋状态,逐渐通过南海演化,简化成今天的统一模式。具体而言,10°N的西太地区反气旋消失,印度洋水汽可以北上达到东亚地区。

如果以上模式成立,我们会期待东亚季风在演化过程中,尤其是在34Ma之后,产生重要的变化。其一与南海打开相关,其二,与绕南极环流形成,南极降温,ITCZ北移相关。

在青藏高原隆起前,该地区主要受到西风带和可能的季风影响。要想了解季风是否在几十百万年前存在,最好的方式之一是直接研究该地区季节降水规律。很多生物都有年季生长线,就像数目的年轮一样,比如海岸边水中牡蛎的贝壳。这种年纹层会黑白相间,在显微镜下看很容易被识别。

剩下的研究方法就和有孔虫壳体研究别无二致。我们可以测量Mg/Ca~SST以及d18Od13C等。

T°C= 3.77 * Mg/Ca (mmol/mol) + 1.88

在季节变化时,海水的d18OSW变化也会很大,可通过测量壳体的d18OC来推算d18OSW的变化

d18OSW » T-16/4.14 + d18OC

其中T就用Ma/Ca值计算的结果。

结果显示,Td18OSW的季节性变化非常大,d18OSW的变化幅度可达3‰,反映了河流输入、降雨和蒸发的共同作用。在干旱的夏天,蒸发增加,海水盐度增加,d18OSW也会增加。在冬天海水盐度和d18OSW则会降低。

特提斯海边(目前是青藏高原西北缘)的牡蛎结果证明了该区夏天炎热干旱,冬天湿润,这是典型的由西风带控制的气候模式。西风带来的水汽可以深入中国国内陆,比如西宁盆地。

这个结果看起来由点奇怪,因为当时特提斯洋就在西边,为什么没能在夏天提供水汽呢?同时,构建出来的很高的SST值也不利于夏天造成海陆温差,因此不利于形成季风。青藏高原区存在着一个反气旋高压带,特提斯海洋的水汽在到达青藏高原区域之前就被阻挡,发生了偏转。

根据上述描述,中国大陆早期的气候和现今的也不一样。科学家提出早期的气候模式存在着典型的区间。尤其在亚热带高压带,可能存在着一条贯穿东西的干旱带。还有一种模式是,虽然整体上呈现带状分布,但是在一个长条形的外围则相对湿润。当然,这种模式后来被东亚季风所改变,形成了今天的这种胡焕庸线。

此外,一些海洋中生活的哺乳动物的牙齿化石和淡水腹足类(Gastropod)的壳体也可以记录当时的降水情况。在夏季,雨水的d18O偏低,而冬季偏高。研究结果显示,在40Ma,缅甸地区的降水d18O非常低。那时,温度比现在高5°,可以引起d18O的变化幅度为-1‰,这远远小于实测的~4‰的变幅。这暗示着当时强烈的降水对该区d18O贡献非常大,也就进一步暗示着40Ma时,缅甸地区夏季风已经盛行。

要想精确解决这个模式转换的时间,除了数据,模型模拟也很重要。但是由于我们对青藏高原隆升、副特提斯洋西退,以及南亚的复杂构造演化还是缺乏足够的精确,导致我们在进行模拟时,在海陆参数选择方面存在着很大的不确定性,乃至于不同的学者,根据不同的参数设置,甚至会得出不完全一致的结论。

在记录方面,也存在着很大的不确定性。其中最大的不确定性就是对所谓的蒸发岩和红层的解释。新生代的中国陆相沉积红层发育,也存在着不少的石膏夹层。这都被用来描述干旱的特征。

事实上,红层是由于存在大量的染色赤铁矿导致,其直接的物理含义是氧化环境,而不是唯一针对干旱环境。所谓的蒸发层也是如此,其形成机制也并不完全和干旱挂钩。

在此,我必须重申两个基本原则:1)时空不均一性;2)机制的复杂性。

所谓时空不均一性,就是在看似以大片的干旱环境中,一定存在着绿洲。在长时间演化中,一定是干旱、半干旱与湿润交替。在机制上,一般情况下,都是A推出B,但是反过来就不成立。

下面我们来具体解释下。关于时空不均匀性,就是在始新世以来中国存在的大面积东西向干旱区里,会有局部湿润区,或者在不同时间尺度上表现得不一致。比如,全新世肯定是间冰期,但是还是存在着8.2千年冷事件和小冰期事件。同样的原理,即使存在着广泛的湿润区,偶尔夹杂一些干旱层也不奇怪,这取决于我们如何看待干旱夹层的作用。

在机制方面,石膏等盐层出现并不完全代表着大规模蒸发。我们来举一种可能的机制,比如,在副特提斯洋还深入内陆的时候,海水会通过地下水侵入周边岸上的地层,造成一些湖泊成为咸水湖。或者之前的盐层被地下水溶解灌入湖水中。这样,在湿润环境下一样会出现咸水湖,加大了湖泊沉积盐层的概率。当然,还有很多种机制也可以让湿润环境下形成咸水湖,我们就不一一列举。

即使如此,我们大体还是能够得出一些合理的推论。

1)  副特提斯洋西撤和缩小不能忽视。副特提斯洋的大范围存在,在夏天,容易在北非和地中海区形成一个高压带,挡住印度季风向北深入,进一步导致印度季风的水汽活动范围整体南移,把那个影响到东亚赤道区,也就是东亚季风区。当副特提斯洋撤退后,中亚地区以大陆为主,这样在夏天就会形成实实在在的大陆低压区,有助于水汽向北输送。

2)  青藏高原隆升影响巨大。青藏高原的第一个作用是物理遮挡。水汽被遮挡在喜马拉雅山南坡。其中的问题就是这条北部屏障是合适达到可起到遮挡作用的高度?这个并不需要青藏高原整体全部隆升才起效果。第二个作用就是加强了热效应。高原隆升后,陆地和周边空气就形成了鲜明的对比,于是变成了夏天白天快速升温,形成了热源。加强了海陆热差效应,对增强季风起到了促进作用。

3)  南海打开以及澳大利亚向北运动,一方面封闭了赤道以南的海域,另一方面在赤道以北的南海把暖池连成一体。这样西太赤道地区的大气环流较弱,并向东撤退,留下充足的空间,印度季风的水汽可以有效地向北通过,对中国南方降水起到重要影响。




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