Content area

Full text

作为全球最大的海洋，太平洋通过大洋环流将地球上的热量和物质进行再分配，对过去地球气候系统的变化具有重要的意义。晚第四纪以来，冰期-间冰期旋回成为地球气候变化的主要特征，同时兼具千年尺度的震荡变化。然而，太平洋对这些全球性变化的贡献目前尚未被全面厘定。现今北太平洋，由于盐跃层的存在，无法形成深层水，仅发育太平洋中层水（North Pacific intermediate water, NPIW）。而太平洋深层水（Pacific deep water, PDW）作为现代大洋深水环流末端受到南极深水的补给，是海洋中最大的碳储库，蕴含着大量的营养盐物质和溶解无机碳（dissolved inorganic carbon, DIC）。有研究表明，太平洋环流系统在过去冰期旋回中发生了显著的变化[1-2]。NPIW的通风可能是解释全球气候的长期演变和高频气候震荡产生的原因[3]。温暖时期NPIW的减弱，导致富含DIC的PDW更容易上涌，促进海水与大气间的交换，从而提高了该时期大气CO2含量[4]。同时，深水上涌也为表层带来了大量的N、P等营养盐物质，刺激了表层生产力的爆发。此外，NPIW通风的减弱以及高生产力条件下有机质降解对水体O2的消耗，导致北太平洋最小含氧带（oxygen minimum zones, OMZ）的广泛发育[5]。在过去几十年里OMZ的范围不断扩大和加剧，对生态系统环境造成严重威胁[6-7]。因此，北太平洋古海洋学研究不但有利于揭示过去地球气候变化机制，而且为预测未来全球变暖背景下海洋生态环境的变化提供支撑。

亚洲风尘作为全球风尘循环中重要的组成部分，对东亚乃至全球气候都有着深远的影响。据统计每年有将近20亿t风尘物质释放到大气中，最终有约75%的风尘会沉降到附近陆地，形成黄土高原等特殊地形，其余的25%则被传输到海洋中[8]。作为全球第二大风尘源区，亚洲内陆广泛分布的干旱-半干旱区每年为北太平洋提供了近7 000万t的风尘物质，并成为远洋沉积物质的主要来源。大气粉尘通过反射和吸收进入地球的太阳辐射，可以直接影响到区域辐射收支和大气降水平衡[9]。同时，风尘中的铁元素与海洋表层生产力之间具有紧密的联系，并参与到海洋生物化学循环过程（铁实验假说）[10]。具体而言，铁元素供给能够促进海洋生产力的爆发，并通过生物泵作用将大气CO2转移到深海中，从而影响全球碳循环[10-11]。此外，海洋沉积物中的风尘通量、粒径等指标还可以用来追溯源区的古气候变化，对研究亚洲内陆古气候变化和青藏高原隆升也具有重要意义。

本文回顾了过去五十余年北太平洋大洋钻探研究以及相关的古海洋与古气候研究进展，在此基础上总结了目前北太平洋的关键科学问题，并对未来大洋钻探及北太平洋古海洋与古气候学研究提供建议。

1. 北太平洋大洋钻探研究概述

过去50余年，大洋钻探计划在北太平洋（＞35°N）开展了20余次大洋钻探航次，积累了大量的岩芯钻孔，为研究北太平洋的沉积构造演化提供了丰富的材料。目前为止有6个航次的设计以古海洋与古气候学的研究为主（表1），主要集中在北太平洋边缘海和海隆区域（图1），包括以西太平洋古海洋学为主要任务的DSDP第88/86航次，以亚北极太平洋风尘研究为主要目标的ODP第145航次，针对突变事件时期（如古新世—始新世极热事件等）气候变化的ODP第198航次，2009年以“白令海古海洋学"为主题的IODP第323航次，2013年以“阿拉斯加南部大陆边缘"和“亚洲季风"为主题的IODP第341和346航次。整体来说，早期的DSDP航次海洋沉积物的主要目标涉及到北太平洋沉积物分布特征、生物地层和远洋生物群落演化等方面。ODP和IODP航次则围绕具体的科学问题开展，如亚北极太平洋作为NPIW的生成区，在冰期/间冰期旋回中受到冰盖和海冰范围的显著影响；而处在西风带和东亚季风路径上的北太平洋中纬度海区，则成为研究风尘和大气环流的绝佳区域，同时该区域也为过去高低纬间的热量传输提供了重要的参考。近年来的研究表明，北太平洋在全球气候系统中起着重要的作用，涉及到水循环、碳循环和风尘循环之间复杂的耦合过程[12-13]。因此，北太平洋古海洋与古气候学研究的开展对于深入认识过去地球气候系统变化和预测未来气候前景具有十分重要的意义。

Table 1. The ocean drilling expeditions in the North Pacific

航次钻探区域主要研究目标钻探站位时间
Leg 86/88西北太平洋风尘、黑潮延伸流576—5811982
Leg 145亚北极太平洋风尘、NPIW881—8871993
Leg 198沙莰基隆起深水环流1207—12142001
323白令海NPIWU1339—13452009
341阿拉斯加大陆边缘NPIWU1417—14212013
346日本海东亚季风U1422—14302013

| Show Table

DownLoad: CSV

Map is generated using Ocean Data View[14].

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

2. 古海洋与古气候的沉积记录

2.1 东亚夏季风演化

东亚夏季风从低纬海洋携带大量水汽至亚洲东北部乃至北太平洋，控制着当地河流（如黑龙江）入海径流量以及北太平洋降水量的变化。现代观测表明，黑龙江入海径流量可影响来年鄂霍次克海海冰的形成，显示出与海冰分布负相关的关系[15]。而海冰的形成直接控制该海域的盐度波动，从而对北太平洋中层水的形成产生深远影响[16]。此外，东亚夏季风向北太平洋输送的暖湿气流为当地带来的降水，也可影响该区域的海表盐度变化，进而对北太平洋水团下沉及中层水形成演变做出贡献[17]。因此，东亚夏季风是北太平洋低纬影响高纬气候过程的一个重要枢纽。查明东亚夏季风演化及其驱动机制，对于深刻理解北太平洋气候演变及其在全球气候系统中的作用至关重要。

季风形成于中低纬区域，其形成源于海陆所接收太阳辐射产生的热力差异，故此与地球表面的海陆分布密切相关。由于南北有亚、澳两个大陆，西东为青藏高原与太平洋，东亚季风的影响因素远比非洲季风和印度季风更为复杂[18]。东亚季风研究从黄土-古土壤开始，然后扩展到洞穴石笋、湖泊与海洋沉积物，大多数聚焦于轨道-千年时间尺度。但由于各替代指标的多解性及夏季风系统的复杂性，轨道时间尺度东亚夏季风演化及其驱动机制研究仍存在较多争议。

洞穴石笋氧同位素记录凭借其样品的高分辨率以及精确定年，成为应用最为广泛的东亚夏季风指标（图2）。近年来，石笋氧同位素记录能否准确反映东亚夏季风降水演变出现了诸多争议。如有观点认为其氧同位素变化指示了来自印度洋、南海及西太平洋水汽相对贡献量的变化[19-20]，抑或可能指示了印度季风演化的信号[21-22]。此外，还有研究称其可能反映了西太平洋海表温度变化所引起的水汽同位素分馏效应的强弱变化，而并非季风降水的增强[23]。但近年来，越来越多的指标-模型相结合的工作表明，东亚石笋氧同位素记录指示了东亚大陆大范围内夏季风强度的变化，而非降水演化，呼吁结束长久以来对于东亚石笋氧同位素指代性的争论[24-26]。

a. Loess 10Be data[27]; b. Loess carbonate δ13C data[28]; c. Loess magnetic susceptibility (χfd) data[29]; d. Yangtze River runoff data[30]; e. Sediment flux of Kyushu as rainfall data[31]; f. Pollen records in eastern Japanese in Site RC1499 (bluish yellow) and MD01-2421 (dark green)[32-33]; g. Chinese cave δ18O data[24]; h. Pearl River leaf wax δ2H data[34]. Grey bars show Marine Oxygen Isotope Stage (MIS).

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

黄土-古土壤为另外一个东亚夏季风重建的经典材料，其诸多指标如磁化率、碳酸盐碳同位素以及铍同位素（10Be）等被应用到东亚夏季风演化重建工作中。然而，黄土-古土壤不同指标之间重建的夏季风演化历史仍存在较大差异。其中10Be和碳酸盐碳同位素记录除了具有非常强的100 ka周期以外，23 ka周期也较为显著[27-28]（图2a、 b），这与磁化率记录所显示的以100 ka周期为主是不同的[29]（图2c）。有观点认为，冰期风尘通量的急剧升高而产生的稀释作用使得磁化率降低，因此整体未出现强岁差周期信号[25,35]。另外，古土壤成壤过程中还受到化学风化的强烈影响，因此以十万年周期变化为特征的温度可能也是黄土-古土壤记录出现强100 ka周期的重要因素[36]。碳酸盐碳同位素记录同时受到降水和温度的影响，因此也难以判定其准确的指示意义[28]。此外，有研究发现，黄土-古土壤中的10Be主要被细粒级沉积物（＜4 μm）所吸附[37]。因此，冰期-间冰期旋回中，风尘沉积物粒度的巨大波动[38]，可能直接控制了黄土-古土壤中的10Be含量，因此也影响了其对于东亚夏季风演化的指示意义。

近年来，西北太平洋边缘海及深海沉积物在轨道时间尺度东亚夏季风演化方面取得了重要进展。根据IODP 346航次在冲绳海槽北部钻取的U1429沉积岩芯，Clemens等[30]基于当地的海水氧同位素记录重建了长江流量和当地的降水演化历史，发现东亚夏季风演化缺失了岁差周期（图2d）。这一发现既与中国北方黄土-古土壤重建的夏季风演化不同[27-29]（图2a-c），又区别于中国南方珠江流域的叶蜡氢同位素记录[34]（图2h）。有模拟结果显示，长江流域夏季风降水演变的岁差信号确实不明显[25]，这可能反映了东亚夏季风降水演化的空间差异性。与海水氧同位素记录不同的是，基于U1429站位沉积物中来自日本九州岛的沉积物通量，重建的当地降水结果表明其既具有100 ka周期，也有较强的23 ka周期[31]（图2e）。这与日本岛东部的孢粉记录显示的结果是一致的[32-33]（图2f）。同时，通过与中国北方和南方的夏季风指标进行对比，发现岁差时间尺度上，日本南部的降水演化与其他区域是反向的。这一点也得到数值模拟结果的证实[31,39]。

值得注意的是，季风强度和降水是东亚夏季风系统的两个重要组成部分。季风强度演化在东亚大部分区域是一致的，但由于降水带可随着东/西南季风的增强或者减弱而向北/西北推进或者后退，东亚大陆的降水分布也就产生了巨大差异[25]。以上指标所记录的东亚夏季风演化历史形式多样，可能与指标的多解性以及季风降水本身的空间差异性有关。但总体上仍然是高低纬气候过程的综合驱动，如北半球高纬冰量、温室气体以及中低纬太阳辐射相互作用的结果[28,30-31,34]。寻找更加可靠的替代指标，对于厘定东亚夏季风演化及其驱动机制，以及查明其在北半球高低纬气候过程中的作用至关重要。

2.2 西部边界流演化历史

海洋主要通过海-气界面热交换来影响大气过程，这一过程与海表面温度的空间与时间变化直接相关。在低纬度海区，厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation, ENSO）影响着纬向上的海洋热量分布，是海洋影响气候年际变化最显著的异常信号，并以热带东中太平洋海温的发生变化为主要标志[40]。而在经向热量分布上，西边界流系统在亚热带和亚极地海洋热量传输过程中发挥着重要的作用，深刻影响着北太平洋中-高纬海区的气候变化[41]。黑潮（Kuroshio Current, KC）和黑潮延伸体（Kuroshio Current Extension, KCE）作为西边界流系统在北太平洋副热带环流的重要分支，流经全球海洋向大气加热的关键海区和海洋涡旋出现最频繁的海域[42]。KCE一般在35°N、140°E附近脱离日本东海岸的束缚，转向流入北太平洋开阔盆地（图3）。作为西边界流的延续，KCE仍保持着高温、高速、高涡动性等特征，具有较高的感热潜热通量和净热释放[43]。一方面，西边界流系统过渡带具有当今世界海洋生物多样性最高的生态渔业系统[44]。随着全球变暖的加剧，海表温度的逐步上升造成鱼类产量不断下降[45]。另一方面，该系统是北太平洋地区高-低纬水汽热量传输的重要通道，理解西部边界流系统对过去气候变化的响应机制，对预测和减轻未来气候变化、当地生物多样性和人类食物供应的影响具有重要意义[46]。

Map is generated using Ocean Data View[14]. KmC: Kamchatka Current, OC: Oyashio Current, AC: Alaska Current, CC: California Current, KC: Kuroshio Current, KCE: Kuroshio Current Extension.

DownLoad: Full-Size Img PowerPoint

观测结果表明，过去半个世纪以来，西边界流不断增强并向极区扩张，所导致的海表温度（sea surface temperature, SST）增温速度比全球平均温度高出2～3倍[47]。由于西部边界流对气候变化的重要影响，其长时间变化记录的重建及影响机制的研究对预测未来西部边界流的变化具有重要的意义。近些年大洋钻探围绕西边界流系统的研究主要集中在轨道和构造时间尺度方面。其中，Vats等[48]通过IODP U1429站位的有孔虫属种分析和SST重建结果发现，黑潮强度响应于低纬度的岁差和偏心率信号。但是，更多的记录集中于中低纬度地区，缺乏对于高-低纬度地区热量传输过程的整体认识。

在构造尺度上，通过浮游生物多样性和古生物地理学特征重建过去KCE的行为方式成为研究北太平洋西边界流变化的主要方法，这部分工作主要集中在上新世—更新世时期西边界流位置和强度的变化上。以ODP第198航次为例，前人通过有孔虫种属和群落数据证实KCE在晚新近纪时期已经开始出现于西北太平洋地区[49]。Gallagher 等[50-51]通过古生物学记录显示从晚上新世～3.0 Ma开始KC可能已经达到现今的北部界限，此时KC也明显增强，可能与中美海道的关闭和北半球冰盖扩张的开始有关。近年来，有研究系统对比了ODP 1207-1209记录到的KCE变化，发现其与构造和气候事件间的紧密联系，包括中美海道关闭、KCE区域环境由暖变冷以及北太平洋副热带环流的增强[49,52]。此外，ODP 1208A的SST重建结果表明，12 Ma以来SST呈现逐步降温的趋势，且在上新世时期保持较为平稳的特征[53]。Venti等[54]根据ODP 1208烯酮记录重建了3.0～1.8 Ma以来KCE的SST变化，结果表明KCE在北半球冰盖扩张时期（约2.7 Ma）降温2～4 ℃；同时认为，热带-温带之间的热平衡可能加强了冰盖在41 ka周期上的变化。

2.3 北太平洋中层水演化

现今NPIW被定义为副热带北太平洋最低盐度区（main salinity minimum in the subtropical North Pacific），主要集中在300～800...

Show less