西太平洋暖池冰期旋回中的类ENSO式演化及其驱动机制
摘要 作为全球接受太阳辐射最多、表层海水温度最高的区域，西太平洋暖池区通过厄尔尼诺-南方涛动(El NiñoSouthern Oscillation，ENSO)和季风等过程影响着全球气候的变化。越来越多的沉积记录证明，在地质历史时期西太平洋暖池也存在类似于现代 ENSO 过程的“类 ENSO 式”变化。而目前类 ENSO 式变化与冰期—间冰期旋回之间的响应关系和驱动机制及其与东亚季风的关联仍存在争议。本文利用位于暖池核心区的 B10 岩芯浮游有孔虫氧同位素、 Mg/Ca 和粘土矿物参数重建了暖池区氧同位素 8 期以来的古气候记录，并结合已有的热带海表温度记录、中国石笋氧同位素和南大洋地区海表温度记录，研究了西太平洋暖池冰期旋回中类 ENSO 状态的演化规律及其与东亚季风的关系，并探讨了暖池区类 ENSO 演化的驱动机制。结果发现：冰期时，西太平洋暖池区温跃层变浅，赤道东、西太平洋温差减小，同时，东亚夏季风减弱，暖池区降水量相对减少，与现代 El Niño 时期气候态类似;间冰期时，西太平洋暖池区温跃层加深，赤道东、西太平洋温差增大，东亚冬夏季风增强，暖池区降水量相对增加，与现代 La Niña 时期气候态类似。频谱分析结果表明，西太平洋暖池区海表温度的变化具有偏心率周期(96ka)。冰消期时，低纬度太阳辐射量的增加，增大了纬向上的 SST 梯度，并使得次表层海水储存了更多的热量，积累的热量会通过调节次表层环流向暖池区的热传输，最终调控赤道太平洋地区 Walker 环流强度和 ENSO 活动的长期变化。而冰期时，南大洋地区降温所引起的东南信风和大洋环流异常可能对类 ENSO 式起到调控的作用。
关键词 西太平洋暖池;厄尔尼诺—南方涛动;东亚季风;温跃层;太阳辐射量
张洋; 徐继尚; 李广雪; 刘勇 地学前缘 2021-12-30
0 引言
西太平洋暖池是全球接受太阳辐射最多、海水加热最强、向大气输送辐射最强的地区，同时也是全球大洋表层海水温度最高的区域[1, 2]，它以年均 28℃等温线为界，是大气圈水汽和热能的主要来源地[3]。地质历史时期上，全球气候呈现旋回性变化的根源也可能与西太平洋暖池地区的大气环流、洋流、生物过程等密切相关。暖池区通过季风和厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation， ENSO)等过程影响着全球气候变化，因此西太平洋暖池被认为是低纬向高纬输送能量的热源和气候变化的“引擎”[4, 5]。作为高纬度气候的标志，格陵兰的温度很大程度上取决于大西洋经向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC)[6, 7];而作为热带驱动过程的代表，暖池区海表温度(Sea Surface Temperature，SST)的波动，会通过多尺度的海-气相互作用导致整个大气环流的变化，进而对全球气候产生显著影响[8]。现代观测表明，在较短的年际和年代际尺度上，暖池区通过 ENSO 作用对全球气候产生显著影响[9, 10]，而越来越多的研究也表明，在地质历史时期的冰期—间冰期旋回中也存在类似于现代 ENSO 过程的“类 ENSO 式”变化[11, 12]。全新世以及末次间冰期以来的沉积记录显示，古气候中类 ENSO 式的演化与赤道太平洋地区温跃层水体的温度(Thermocline Water Temperature，TWT)变化有着密切的耦合关系，并且受到岁差周期的控制[1, 13]。前人通过颗石藻的丰度重建了西太平洋暖池区生产力变化趋势，结果显示暖池区生产力在冰期时生产力偏高，气候特征更类似 La Niña 状态[14]，而通过有孔虫氧 Mg/Ca 的记录则显示，末次冰盛期时西太平洋暖池区的 SST 下降了 3℃，东太平洋冷舌区的 SST 下降了大约 1.2℃，赤道东、西太平洋的温度梯度减小，与现代 El Niño 现象类似[15, 16]。因此，地质历史时期中的气候变化与 El Niño 和 La Niña 的响应关系还存在分歧。ENSO 过程通过影响赤道太平洋地区东西的热量输送从而进一步驱动亚洲季风的变化[17]，同时也是影响中国季风降水区变化的主要因素[18]。但在地质历史时期，ENSO 对亚洲季风的驱动机制仍存在争议。
本文选取位于西太平洋暖池核心区的 B10 岩芯，利用浮游有孔虫 Mg/Ca 和粘土矿物等参数重建了暖池核心区晚更新世(氧同位素 8 期，Marine Isotope Stage 8，MIS 8)以来上部水体的温度变化以及东亚季风的演化趋势，结合已有的海表温度数据和频谱分析，计算赤道东西太平洋海表温差并研究上部水体的周期性变化规律，系统分析古气候中类 ENSO 式变化与冰期—间冰期旋回之间的对应关系，进一步探讨类 ENSO 式变化的驱动机制及其对东亚季风的响应，并深入认识类 ENSO 式变化在古气候波动中的重要作用。
1 研究区概况 1.1 研究区地理位置
本文研究区位于西太平洋暖池核心区(4.73°—8.10°N、 136.64°—141.17°E)，处于太平洋板块、菲律宾板块与加洛林板块的交界处，西北侧是雅浦海沟，东侧为西加洛林海岭，东北侧为马里亚纳海沟，南侧为新几内亚岛(图 1)，是一个典型的岛弧-海沟-弧后盆地系统的俯冲型大陆边界[19, 20]。研究区水深范围为 116~8198m，平均水深 3934m，最深的地带为西北部的雅浦海沟。碳酸盐补偿深度(carbonate compensation depth，CCD)最浅的区域为东北部的西加洛林海隆及其南部区域。水深的整体变化趋势为南深北浅，西深东浅，在西加洛林海盆中间地带还贯穿了一条东西向的西加洛林海槽，平均水深在 4500m(图 2)。
1.2 研究区气候特征
研究区位于暖池的核心地带，表层海水温度常年处于 28℃以上，高温多雨，无明显的季节变化，为典型的热带海洋气候，主要受日照辐射量变化和赤道低压带的季节变动进而影响海气变化[22]。同时，暖池区气候也和热带辐合带(ITCZ)密切相关(图 1a)。ITCZ 是赤道西风与偏东风信风的辐合区，在赤道上空形成了一道狭长的云带、降雨频繁，大量的降雨主宰着暖池区的水温循环过程[23]。当 ITCZ 移动或者范围发生变化时，暖池区位置和面积也会相应的变化。在夏季北半球时(6~9 月份)，ITCZ 携同东南信风向印度尼西亚海域和东亚北移，此时热带西太平洋降雨量达到最大，年降雨量在 3000mm~5000mm 之间。当北半球冬季时(1~3 月份)，风向发生反转，暖池区盛行西北风， ITCZ 南移。上述季风变化的同时也会影响着暖池区海表温度和盐度的变化[24]。
ENSO (El Niño-Southern Oscillation)对研究区的气候也起到重要的调控作用，它是发生于赤道东太平洋地区的风场和海面温度震荡，是低纬度的海-气相互作用现象，在海洋方面表现为厄尔尼诺-拉尼娜的转变，在大气方面表现为南方涛动。ENSO 具有 2-7 年的准周期，存在中性、暖性(正)和冷性(负)3 个相位。中性相位的 ENSO 代表着气候的平均态，标志为赤道东太平洋“冷舌”;当 ENSO 处于正相位期时，哈得利环流增强、沃克环流减弱、赤道太平洋信风减弱、温跃层深度增加、海平面温度异常升高。当 ENSO 处于负相位时，各项特征变化相反。
1.3 研究区洋流特征
西太平洋暖池区是许多重要水团、洋流汇聚的地区。研究区附近的主要洋流如图 1 所示，主要包括赤道流和西太平洋的边界流[25]。影响研究区的表层流主要包括北赤道流(NEC)、棉兰老流(MC)(图 1)。在东北信风的作用下，北赤道流在 10~20°N 区域由东太平洋向西太平洋流动，到达菲律宾群岛后由于受到阻隔，分成为两支，一支向北流动形成黑潮，另一支向南流动形成棉兰老流[26]。棉兰老流与南部新几内亚近岸流(NGCC)和北赤道逆流(NECC)汇集影响到研究区并形成环流体系。吕宋底流(LUC)发源于吕宋岛，在向南流动的过程中与北向的棉兰底流相遇，并向东汇入北赤道底流以此影响到研究区。南北向流动的北太平洋底层水(NPDW)与绕极地底层水汇集流向加洛林海盆，进而影响到研究区。综上所述，研究区附近的流系和水团十分多样复杂，对此区域海洋流系的研究对于沉积物输运沉积有着重要意义。
2 研究材料与方法 2.1 研究材料
本研究所使用的材料依托于全球变化与海气相互作用专项-西太平洋 PAC-CJ15 区块海底底质和底栖生物调查(GASI-02-PAC-CJ15)于 2017 年 4 月至 6 月取回沉积物样品。本文选取位于索罗尔海槽与西加洛林海隆南部的 B10 岩芯(7°40.6′，139°59.9′E，2950.8m)(图 1c)进行测试分析。
2.2 研究方法 2.2.1 浮游有孔虫稳定氧同位素测试
本文选取了浮游有孔虫的表层种 Globigerinoides. ruber 和次表层种 Pulleniatina. obliquiloculata 进行测试分析。样品前处理方法：以 2cm 间隔取样，将样品置于已称重的烧杯中，经 60℃恒温烘干后，称取 10.0g 干样，然后置于 500ml 烧杯中，加入 10%的 H2O2 溶液浸泡使样品充分分散并去除有机质;使用孔径为 0.063mm 的标准筛进行冲洗;最后再将筛上部分收集经 60℃烘干以备镜下鉴定。若样品中所含的沉积物颗粒较多，则使用 CCl4 重液对样品进行浮选，将底样置于显微镜下检查，保证不致遗漏有孔虫壳体。上机测试：测试在同济大学海洋地质国家重点实验室进行。向样品中加入 99.7%的无水酒精，在振荡频率为 40kHz 的超声波清洗器(Branson 200)中清洗，每次处理约 10~15 秒钟，倒去浊液后，将样品置于 60℃烘箱中烘烤 5 个小时。实验室采用的是气体稳定同位素比质谱仪 MAT253，并利用国际标样 NBS19 跟踪标定法矫正检测数据，标准偏差：δ13C 0.04‰，δ18O 0.07‰。
2.2.2 浮游有孔虫 Mg/Ca 测试
挑 选 250-350μm 的浮游有孔虫表层种 Globigerinoides. ruber 和次表层种 Pulleniatina. obliquiloculata 壳体 50-60 枚放入离心管中，保证所挑选的壳体表面光洁、无明显污染或破损、房室结构完整。在显微镜下将有孔虫压碎，至每个房室碎开即可。参照 Dang 等[27]的流程进行前处理。有孔虫 Mg/Ca 测试的工作在同济大学海洋地质国家重点实验室利用电感耦合等离子体质谱仪(ICPMS)完成。为了保证数据质量，加入了 15 个平行样品。G. ruber 和 P. obliquiloculata 的 Mn/Ca 比值不超过 0.35mmol/mol，说明富 Mn 氧化物的清洗效果较好。 Hollstein 等(2017)根据西太平洋暖池区的表层沉积物建立了多个属种有孔虫壳体 Mg/Ca 温度关系式[28]。本文根据其结果，选取 Mg/Ca=0.26exp0.097*T 作为表层属种 G. ruber 壳体的 Mg/Ca 校正公式，重建了晚更新世以来表层海水温度的变化;选取 Mg/Ca=0.21exp0.097*T 作为次表层属种 P. obliquiloculata 壳体的 Mg/Ca 校正公式，重建了氧同位素 8 期以来次表层海水温度的变化。
2.2.3 粘土矿物测试
以 5cm 间隔取样，将 2~3g 沉积物样品置于离心瓶中加入 15ml15%的过氧化氢(H2O2)溶液 60℃水浴 2~3 小时，以充分去除沉积物中有机质，随后加入 10ml 25%醋酸溶液 60℃水浴 2~3 小时，充分去除沉积物中的钙质生物。去除杂质后向沉积物中加入蒸馏水离心清洗两遍(离心机参数为：转速 3500r/min，时间为 10min)，之后向离心瓶中加入 0.05g 六偏磷酸钠并超声使样品充分分散，加入蒸馏水使液面达到离心瓶 7cm 处后进行加速离心提取(离心机参数为：转速 800r/min，时间为 4min)，离心完毕后，将上层样品小心倒入另一离心瓶中(注意千万不能将底部粗颗粒的沉淀物倒出)，加入 0.05g 氯化钙，然后悬浮液经离心(转速 3000r/min，时间 10min)及超声分散，制成自然风干的定向片，并使用同一定向片作乙二醇饱和片(EG 片 69℃12h)。粘土矿物 X 射线衍射(XRD)测试分析在中国科学院海洋研究所海洋地质与环境重点实验室完成，仪器型号为德国布鲁克公司 D8 AdvanceX 射线衍射仪，测试电压 40kV，电流 40mA，步长 0.02°，步频 0.5s/step。
2.2.4 年龄模式
B10 岩芯的年龄模式依据 3 个有孔虫壳体(G. ruber)AMS14C 和与 LR04 全球底栖氧同位素整合曲线[29]进行对比综合得到。将曲线变化趋势相似、变幅较大的转折点作为年龄控制点(表 1)。运用线性内插和外延发计算得到相对应的年龄值。
通过与 LR04 曲线的对比，B10 岩芯底部年龄大约到 28.7 万年，并可以明显识别出全新世、末次间冰期(MIS5e)、末次冰期(图 2a)等。从沉积速率可以看出，冰期的沉积速率相对较高，而间冰期沉积速率较低(图 2b)。
3 结果与讨论 3.1 西太平洋暖池区上部水体温度与粘土矿物变化规律
MIS8 期以来，SST 和 TWT 均呈现出冰期—间冰期旋回的特征。MIS8 期时，经历一段快速下降的时期，随后趋于平稳，但有两次明显的小幅度波动，波动幅度不超过 2℃;MIS7 和 6 期时，TWT较 SST 波动更为频繁，且在 MIS6 中期时达到一个相对的较低水平;进入 MIS5 期，温度呈现一个显著上升的趋势，大约在 125ka(末次间冰期 MIS5e)左右达到高值，随后温度逐渐下降;MIS4 和 3 期以来，SST 变化相对较为平稳，在 MIS3 晚期出现了一次明显的升温，而 TWT 较 SST 波动更为明显;MIS2 和 MIS1(全新世)以来，二者均呈现出持续上升趋势，且均在中全新世时达到峰值。 B10 柱状样粘土矿物主要以蒙脱石和伊利石为主，高岭石和绿泥石含量偏低(图 3)。其中，蒙脱石平均达到 54%(图 3c)，伊利石为 31%(图 3d)，并且伊利石变化趋势与蒙脱石相反，高岭石和绿泥石含量分别为 6%(图 3e)和 9%(图 3f)。整体来看，间冰期时蒙脱石和高岭石较冰期时较高，而伊利石的含量则是在冰期时相对较高。几种粘土矿物变化趋势也具有冰期—间冰期旋回的特征。
3.2 冰期旋回中的类 ENSO 式变化及其和东亚季风的关系
热带西太平洋的古 ENSO 记录显示，东亚季风同样对 ENSO 也有着的响应，且两者之间的关系十分复杂[17, 30]。粘土矿物作为指示季风的重要指标在识别暖池区沉积物源区及沉积环境方面有着十分重要的作用。但是，要厘清两者之间的关系，首先要识别暖池区粘土矿物的来源。前人的研究认为，晚第四纪以来暖池区的碎屑沉积物可能主要与附近的火山岩侵蚀密切相关。同时，东亚冬季风带来的亚洲大陆风尘沉积对暖池区物源也有一定的贡献[31, 32]。蒙脱石通常被认为与火山活动密切相关，但由于受到黑潮、北赤道流的阻塞作用，导致吕宋岛、印度尼西亚等地区对暖池区蒙脱石含量的贡献可以忽略不记[33]。通过三端元模式图我们可以发现，B10 岩芯的粘土矿物组成与新几内亚岛更为相似(图 4a)，这可能是由于研究区受新几内亚沿岸流和东亚夏季风的影响，使得更多的粘土矿物由新几内亚岛向暖池区输运(图 4b)。研究发现，吕宋岛主要河流的伊利石含量仅有 2%[34]，所以可能对研究区伊利石的贡献有限。然而，受到东亚冬季风的影响，富伊利石的中国黄土(含量约为 70%)可能会通过风尘输运影响研究区的伊利石含量变化[35, 36](图 4)。Yu 等(2016)根据蒙脱石/(伊利石+绿泥石)和伊利石/蒙脱石比值重建了 2.36Ma 以来东亚季风的演化历史并探讨了 ENSO 驱动下的东亚夏季风对降水的影响[37]，他们发现二者与东亚季风的演化有着良好的对应关系。因此，我们利用粘土矿物参数作为指示东亚季风变化的替代性指标[38]。
我们选取了位于赤道东太平洋冷舌区的 TR163-19 站位与 B10 站位进行 ΔSST 差值计算(Zonal SST gradient)(图 5a)，并与暖池区温跃层变化(B10 SST-TWT, ΔT)(图 5b)、B10 粘土矿物参数(图 5c、d)和石笋氧同位素记录(图 5e)进行对比，进一步探讨类 ENSO 式变化及其和东亚季风的响应关系。
MIS8 期时，东西太平洋温差 ΔSST 减小，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值减小，伊利石/蒙脱石比值增加，说明东亚夏季风减弱，暖池核心区降水减少，暖池区温跃层变浅(ΔT 增大);MIS7 期时，ΔSST 增加，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值整体呈现增加趋势，伊利石/蒙脱石比值减少，说明东亚夏季风增强，暖池核心区降水量增加，温跃层加深(ΔT 减小);MIS6 期时，ΔSST 减小，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值呈现下降趋势，伊利石/蒙脱石比值增加，东亚夏季风减弱，暖池核心区降水量减少，温跃层变浅;MIS5 期时，ΔSST 增大，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值呈现逐渐增加趋势，伊利石 /蒙脱石比值减小，说明东亚夏季风增强，暖池核心区降水减少，温跃层加深; MIS4~MIS2 早期(末次冰期)时，ΔSST 减小，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值呈现下降趋势，伊利石/蒙脱石比值增加，东亚夏季风减弱，暖池核心区降水量减少，温跃层变浅;MIS2 中期~MIS1 期(全新世)时，ΔSST 增加，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值整体呈现增加趋势，伊利石/蒙脱石比值减少，说明东亚夏季风增强，暖池核心区降水量增加，温跃层加深。来自中国洞穴石笋的氧同位素记录(图 5e)指示了亚洲季风和全球气候的变化[48]。对比结果显示，间冰期时石笋氧同位素值更加负偏，说明此时降水量增加，东亚夏季风增强，而冰期时则处于相反的状态。综上所述，冰期时(MIS8、6 和 4~2 期)，西太平洋暖池区可能处于类似现代 El Niño 的气候状态，此时，东亚夏季风减弱，冬季风增强，暖池区降水量相对减少，温跃层变浅;间冰期时(MIS7、5 和全新世)则处于相反的状态，气候状态更类似于现代 La Niña 的气候模式，东亚冬季风增强，夏季风减弱，暖池区降水量相对增加，温跃层加深。
3.3 类 ENSO 式变化的驱动机制
现代观测结果显示西太平洋暖池区次表层水温的异常并沿赤道温跃层的东移是现代 El Niño 发生的主要原因之一[5]。数值模拟结果发现当全球气候较为温暖时有利于提升大西洋向太平洋的水汽输送，此时 ENSO 变化的强度和发生频率都会显著提高[49, 50]。然而，近来的研究表明，单一的驱动机制难以解释 ENSO 的复杂性[51]。在地质历史时期中，作为热带过程代表的 ENSO 变化可能受到太阳辐射量(地球轨道参数)[52]、热带太平洋平均气候态[53]、全球均温[54]甚至火山活动[55]等多因素的影响和驱动，其中太阳辐射量的变化可能起到决定性作用。因此，本文着重探讨太阳辐射量的变化在古气候中对 ENSO 的影响。
频谱分析结果发现，暖池区 SST 具有明显的接近 10 万年的偏心率周期(96ka)，(图 6)，说明暖池区上部水体的温度可能受到太阳辐射量变化的影响，对比发现全球太阳辐射量的变化与赤道地区的温度记录也存在比较好的对应关系(图 7)。西太平洋暖池区的表层水体主要源自热带过程，因此我们认为暖池区 SST 的偏心率周期信号可能受赤道太平洋地区太阳辐射量的变化所直接控制。冰期向间冰期过渡时期，低纬度太阳辐射量的增加导致热带地区 SST 上升(图 7a、b、c、d)，增大了纬向上的 SST 梯度(图 7a)，纬向 SST 梯度的增大则会加强海洋上方的风场强度，使得次表层海水储存了更多的热量[56]，积累在次表层的热量会通过调节次表层环流向暖池区的热传输，最终调控赤道太平洋地区 Walker 环流强度和 ENSO 活动的长期变化[13]。同时，表层水体与海洋上方空气的热交换，会影响 ITCZ 的南北移动，而 ITCZ 的移动则会影响亚洲季风的强弱[57, 58]。与热带西太平洋不同的是，赤道东太平洋的表层水主要来源于其南北两侧的中高纬度环流，因而主要记录了高纬度信号[59]。通过对比我们发现，南大洋地区(MD97-2120)SST 与赤道东太平洋地区的 SST 记录有着比较好的对应关系(图 7d、e)[60]。当由冰期向间冰期过渡时，南大洋区域的冷异常会导致东南信风的增强，加强的东南信风进一步使热量向赤道地区传播。同时，东南信风的增强也使副热带—热带环流得以加强，从而导致赤道上升流的加强，进一步促进了热带低纬地区的 SST 降低[61]。这一过程也可能对 ENSO 变化起到一定的调控作用。
4 结论
本文利用西太平洋暖池核心区 B10 岩芯浮游有孔虫 G. ruber 和 P. obliquiloculata 的 Mg/Ca 和粘土矿物记录，重建了晚更新世(287ka)以来暖池区上部水体温度和东亚季风的演化，通过频谱分析及与其他指标的对比得到了以下结论：
(1)冰期时，西太平洋暖池区温跃层变浅，赤道东、西太平洋温差减小，暖池区气候处于类似现代 El Niño 的状态;而间冰期时，西太平洋暖池区温跃层加深，赤道东、西太平洋温差增大，暖池区气候与现代 La Niña 状态相似。
(2)冰期时，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值减小，伊利石/蒙脱石比值增加，说明此时东亚夏季风减弱，暖池核心区降水相对减少;而间冰期时，蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值增加，伊利石/蒙脱石比值减少，说明此时东亚夏季风增强，暖池核心区降水量增加。
(3)频谱分析结果显示，西太平洋暖池区 SST 存在偏心率周期，说明太阳辐射量的变化可能驱动了赤道太平洋地区的海气耦合过程(即类 ENSO 式变化)。冰消期时，低纬度太阳辐射量的增加，增大了纬向上的 SST 梯度，并使得次表层海水储存了更多的热量，积累的热量会通过调节次表层环流向暖池区的热传输，最终调控赤道太平洋地区 Walker 环流强度和 ENSO 活动的长期变化。冰期时，南大洋地区降温所引起的东南信风和大洋环流异常可能对类 ENSO 式变化起到一定的调控作用。