海洋所在晚上新世北太平洋副熱帶環(huán)流演化研究中取得新進展
近日,中國科學院海洋研究所古海洋與古環(huán)境研究組在國際地學期刊Global and Planetary Change(《全球和行星變化》)發(fā)表了題為“Enhanced and southward North Pacific subtropical gyre circulation following the intensification of Northern Hemisphere Glaciation”的研究論文。該研究系統(tǒng)重建了中緯度西北太平洋黑潮主流區(qū)在晚上新世北極冰蓋發(fā)展過程中的表層水文環(huán)境演化歷史,揭示了北太平洋副熱帶環(huán)流對北半球冰川作用加強的響應(yīng)過程。
北太平洋副熱帶環(huán)流(NPSG)按順時針方向由北赤道流(NEC)、黑潮(KC)、北太平洋流(NPC)和加利福尼亞流(CC)組成,該環(huán)流的一部分在東北太平洋分裂為向北流動的阿拉斯加流(AC)。NPSG通過輸送低緯西太平洋的熱量到中高緯地區(qū)實現(xiàn)熱量和水分的再分配,在北太平洋乃至全球的氣候調(diào)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?,F(xiàn)代物理觀測和模擬研究表明,隨著溫室氣體增加和全球氣候變暖,NPSG在過去半個世紀中發(fā)生了明顯的增強和向極移動。然而,由于觀測時間相對較短,目前難以準確評估超過年代際時間尺度的環(huán)流系統(tǒng)的整體變化,NPSG在地質(zhì)歷史中關(guān)鍵氣候轉(zhuǎn)變期的長時間尺度變化研究正好彌補了這一不足。上新世晚期(約3.6至2.58百萬年)是新生代以來全球氣候由相對溫暖的早上新世向明顯變冷的早更新世過渡的關(guān)鍵時期,其間北半球冰川作用(NHG)自約3.6百萬年前開啟,并在約2.7百萬年前進一步加強(iNHG),北極冰蓋也在此時最終形成。因此,對這一時期NPSG的研究可以為預測未來全球變暖情景下NPSG的變化提供重要參考。

圖1 北太平洋海區(qū)主要洋流示意圖及相關(guān)巖芯站位
研究團隊利用深海鉆探計劃(DSDP)第31航次在西北菲律賓海九州-帕勞海脊上獲取的296孔巖心沉積物,基于生物地層事件和底棲有孔蟲氧同位素建立的年齡框架,結(jié)合浮游有孔蟲殼體的氧同位素組成(δ1?O)和Mg/Ca比值重建了距今3.8至1.8百萬年間中緯度西北太平洋黑潮主流區(qū)的表層海水溫度(SST)與表層海水鹽度(SSS)的演化序列,并結(jié)合黑潮延伸流、加利福尼亞流和阿拉斯加流區(qū)域現(xiàn)有的古記錄,系統(tǒng)地研究了NPSG在約2.7百萬年iNHG前后的變化。
研究發(fā)現(xiàn),2.7百萬年后,隨著晚上新世北半球冰川作用的加強,296站位的 SST 和 SSS 表現(xiàn)出與全球變冷氣候截然相反的明顯升高,表明黑潮的進一步加強,導致更多的暖咸水涌入中緯度西北太平洋。同時,加利福尼亞流和阿拉斯加流區(qū)域的表層海溫在2.7百萬年后也同步升高,暗示了加利福尼亞流和阿拉斯加流與黑潮相似,在iNHG之后都明顯增強。北太平洋這三個邊界流的一致加強揭示了NPSG在iNHG后經(jīng)歷了整體增強。然而,黑潮延伸體和加利福尼亞流北部邊緣區(qū)域的表層水溫卻表現(xiàn)為顯著的持續(xù)變冷趨勢,這指示著NPSG不僅強度增強,其北緣也發(fā)生了明顯的南移,進而使這兩個區(qū)域在此時受高緯地區(qū)寒冷淡水的控制。通過對晚上新世赤道太平洋的氣候模式和北太平洋多個區(qū)域的海洋-大氣環(huán)流變化的分析,研究進一步指出,在iNHG后,赤道太平洋由iNHG前的類厄爾尼諾態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惱崮葢B(tài),類拉尼娜態(tài)下沃克環(huán)流增強,結(jié)合同時加強的中緯度緯向大氣環(huán)流和西風帶,共同驅(qū)動了NPSG的增強。在經(jīng)向上,隨著約2.7百萬年北半球冰川作用的加強,北太平洋大氣環(huán)流也經(jīng)歷了由哈德萊環(huán)流主導轉(zhuǎn)向哈德萊環(huán)流減弱-費雷爾環(huán)流增強的格局調(diào)整,進而驅(qū)動了NPSG北緣的向南移動。

圖2 北太平洋不同站位的表層海水溫度(SST)記錄及不同區(qū)域間的SST梯度

圖3北半球冰川作用加強(iNHG)前后北太平洋副熱帶環(huán)流的強度和位置變化及相關(guān)大氣環(huán)流模式示意圖
本研究闡明了海洋環(huán)流在大氣環(huán)流調(diào)控下響應(yīng)氣候轉(zhuǎn)型的機制過程,為理解現(xiàn)代氣候變化背景下NPSG可能的響應(yīng)趨勢提供了地質(zhì)證據(jù)支持。結(jié)果預示在未來氣候不斷變暖的情況下,北太平洋副熱帶環(huán)流可能會減弱并持續(xù)向高緯移動。
中國科學院海洋研究所博士研究生唐璐瑤為論文第一作者,中國科學院海洋研究所常鳳鳴研究員、自然資源部第一海洋研究所李鐵剛研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項的聯(lián)合資助。
論文信息:
Luyao Tang, Fengming Chang*, Jia Wang, Fang Qian, Junru Zhang, Tiegang Li*, 2025. Enhanced and southward North Pacific subtropical gyre circulation following the intensification of Northern Hemisphere Glaciation. Global and Planetary Change, 253, 104953. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.104953.
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