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珊瑚在全球变化和古环境重建研究中的应用

发布时间:2019-11-01 18:51编辑:地球科学浏览(140)

    以中国科学院地球环境研究所刘禹研究员为首的国际团队经过10年的潜心研究,在中太平洋厄尔尼诺研究方面取得重要进展。获得了目前全球最长的年分辨率的818年中太海表温度变化序列,它对分析未来热带太平洋气候变化趋势及其全球影响具有重要意义。研究发现,过去800多年中,最近20余年Niño 4区SST显著升高、变率增加、ENSO活动加剧。研究成果以Article形式于2017年5月30日发表在国际著名刊物Nature Communications上。

    气候作为人类赖以生存的自然环境和自然资源的一个重要组成部分,与人类社会有着密切的联系。近年来,当各种全球气候变化背景下的极端气候现象在世界各地频频上演,如异常高温、洪涝、干旱、冻害等,人们禁不住会有这样的疑问:现今的气候为何如此异常?这是气候变化过程中的自然现象,还是与人类活动相关?人类又该如何应这愈来愈不寻常的气候呢?

    热带太平洋地区的海表温度异常会严重影响全球大气环流,在年际和年代际尺度上对全球气候变化有直接影响。大量研究表明,热带太平洋存在东部型和中部型两种不同类型的厄尔尼诺-南方涛动现象,他们分别以热带太平洋东部和中部地区SST异常变化为主要特征。利用观测资料和气候模型在热带太平洋地区开展了大量的研究工作,但是长时间序列的ENSO重建主要集中在东太地区。越来越多的证据表明,随着人类活动导致的全球增温,中太厄尔尼诺事件日益频繁,对全球气温和降水产生重要影响。目前,人们对中太厄尔尼诺事件变强的原因仍然知之甚少,迫切需要了解中太ENSO的变化历史及规律。

    要了解现在并预测未来的气候趋势,必须对过去气候的形态和特性有充分了解。然而,就目前现有的较为完整的气候观测资料而言,无论是时间及空间尺度上,都不足以用来建立可评估过去环境变迁的气候变化模式。所幸的是,各种天然的地质、生物体如:冰川、黄土、湖泊与海洋沉积物、树木年轮、珊瑚、石笋等,忠实地记录了历史时期气候环、境的变迁,成为重建过去气候变化的良好载体。

    树木年轮具有分辨率高,定年准确,样本易得等特点,因此被广泛的应用到过去气候变化研究中,更是过去千年北半球及全球温度变化重建的主要依据。树木年轮中的稳定氧同位素继承了大气降水的δ18O,适合来研究区域水汽循环规律和机制。为了研究中太ENSO变化,中国科学院地球环境研究所树轮实验室联合国内外10余家单位,选择台湾大雪山生长的红桧为研究对象,建立了过去818年的年分辨率树轮δ18O年表,并成功利用这条年表重建了中太地区1190-2007年的SST变化历史。

    在诸多的自然记录中,珊瑚成为很好的研究材料之一,主要原因有以下:

    研究人员发现,公元1651年发生过一次超强厄尔尼诺事件,南美的历史文献和热带太平洋的珊瑚对这次事件也有记录。在1790-1950年期间,有一个明显的低温时段,而1950年之后SST显著升高,是整个重建序列温度最高的时期。这个升温现象在Maiana和Palmyra的珊瑚δ18O序列中(均反映了SST变化并代表ENSO变化历史)也有明显表现,这与人类活动导致的全球升温现象十分一致。

    1)珊瑚骨骼具有独特且精确的年代序列。珊瑚堆积钙质骨骼的速率,会受到水温季节性变化的影响,而产生疏密间隔的生长层,与树木的年轮相似。沿平行于珊瑚骨骼生长轴方向切片,经X射线照相后,可清楚地从X射线照片上看到明暗相间的代表珊瑚骨骼生长时密度变化的条带,通常一组明、暗条带代表珊瑚骨骼一年的生长量。通过这些生长带,以最靠近外侧的一组生长带代表采样的时间,向内逐年回推,便可精确定出各生长带所代表的时间。另外,对于化石珊瑚,可利用封闭在珊瑚文石质骨骼内部的如U、Th等,也能够得到准确的年代。

    这项研究也警示:中太平洋厄尔尼诺增强事件在21世纪的头20年可能会一直持续下去。中太平洋厄尔尼诺极端事件在对全球气候的影响方面是否会继续占主导地位?值得继续研究。

    2)珊瑚的生长具有很好的连续性,并且广布于整个热带浅水海域。数米高的现生珊瑚可以提供过去几个世纪以来的信息;保存完好的化石珊瑚提供的信息可以延伸到整个晚第四纪,甚至更长。

    这项研究得到中国科学院地球科学前沿重点项目和国家自然科学基金等项目资助。

    3)珊瑚在生长过程中与环境交融在一起,骨骼中包含了能保存几千年不被破坏的同位素、微量元素等示踪元素。如果沿着生长轴方向连续采集粉末样品并进行测试分析,就可以重建采样点附近海水的化学特性随时间而变化的记录,甚至更进一步推断造成这些海水化学性质变化的气候因素,如海水温度、盐度、降水、径流和洋流等。

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    4)珊瑚的生长速度很快,每年生长约6-20mm,应用现代高精度、高分辨率的测试手段,仅需要微量样品就可以做到月、周分辨率的研究。

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    因此,珊瑚在全球变化和古环境重建研究中备受重视。

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    经过30余年的不懈努力,科学家利用多种气候代用指标,如稳定同位素(δ18O、δ13C、δ11B等)、微量元素比值(Sr/Ca、Mg/Ca、U/Ca等)、放射性同位素Δ14C、荧光强度等,从太平洋、印度洋、大西洋等海区生长的珊瑚中提取了数十年到数百年不等的古气候和古环境记录,对海表面温度(Surface Sea Temperature,SST)变化、海气交换程度、季风强弱、ENSO(El Niño-Southern Oscillation)的频率和强度以及它们之间的相互作用等全球变化的核心研究做出了重要贡献,成为器测记录和其它环境载体的重要对比与补充。

    Dunbar et al.利用珊瑚骨骼的δ18O记录将东太平洋Galápagos地区的 SST资料延长至公元1607年,并指出珊瑚δ18O的波动模式受ENSO的调控,认为热带太平洋从年际到几十年尺度上的气候变化之间存在着关联。Felis et al.对红海北部珊瑚δ18O的研究结果表明,自1750 A.D.以来,NAO、ENSO和北太平洋气候变化三者之间在年际到十年际尺度上遥相关,而且以~5.7年的周期影响着中东地区的气候变化。Pfeiffer et al.对印度洋中部查戈斯群岛珊瑚的研究表明, 珊瑚δ18O可靠地记录了这一地区120年(1876-1996)间的降水变化,以及影响降水的热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的变化。Gagan et al.根据珊瑚的δ18O和Sr/Ca记录描绘了西太平洋全新世中期的海表面温度和海水氧同位素组成与现今之差别。

    目前,随着全球变化研究的全面开展和不断深入,我国南海珊瑚古气候信息研究亦正在如火如荼的进行。相信在未来5~10年,经过国人的勤奋努力,珊瑚研究终会取得瞩目的成果。

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    全球珊瑚古气候记录研究地点分布图

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    岩芯采集

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    珊瑚岩芯

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    珊瑚礁体

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    珊瑚骨骼X射线正片影像

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