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中亞黃土揭示末次冰期以來中緯度西風在軌道與千年尺度上的變化機制

文章來源:地球環境研究所   發布時間:2019-04-12  【字號:     】  

  西風作為全球尺度大氣環流的主要組成部分,對動量、熱能和水汽的搬運和分布具有重要作用,極大地影響著全球氣候。尤其是在中緯度地區,西風激流的位置和強度在重塑降雨模式方面發揮了巨大的作用。然而,目前對中緯度西風的演化歷史及其對該地區氣候變化的驅動機制仍缺乏深刻的理解。

  最近,中國科學院地球環境研究所研究員宋友桂帶領的中亞黃土研究組在受西風氣候主導的中亞東部地區,利用兩個末次冰期以來的黃土剖面重建了過去7萬年北半球西風南北遷移歷史,并將其記錄同地中海石筍、格陵蘭冰芯、北大西洋經向翻轉流(AMOC)以及北大西洋海冰等記錄對比,結合模式模擬,詳細地調查了千年和軌道尺度西風變化的物理機制。與之前研究不同的是,該研究組考慮將粒度的變化作為西風緯度位置變化的指標,粒度的增大指示西風的北移,同時與北大西洋濤動(NAO)的正異常模式有關。基于可靠的光釋光(OSL)測年結果,發現在千年尺度上黃土粒度變粗的階段很好地對應了六次北大西洋海因里希事件(HeinrichH1-H6AMOC的減弱和地中海與中亞地區西風的向北遷移(圖1)。粒度指標也很好地記錄了格陵蘭冰芯中的Dangsgaard–Oschger暖事件(DO1-18)(圖1)。在軌道尺度上,發現中亞和地中海地區的西風變化與地球的歲差軌道周期相吻合,西風的向北遷移對應了較大的歲差指數。

  為了更進一步研究千年與軌道時間尺度上中緯度西風變化的驅動機制,研究組運用TraCE-21ka 瞬態模擬淡水強迫模擬實驗,分析了千年尺度冷事件H1和暖事件Bφlling–Allerφd (BA)時期中緯度西風對AMOC的響應。模擬結果顯示AMOC的減弱引起了北大西洋海表溫度的降低和春冬季海冰向南的擴張,導致了北大西洋高緯地區溫度顯著降低,經向溫度梯度的增加以及中緯度高壓異常與極區的低壓異常。這樣的結果最終導致了500 hPa西風的向北移動(圖2)。在軌道尺度上,通過LOVECLIM CCSM3模型設置兩組不同歲差狀態下的敏感實驗,研究組發現歲差引起的冬季(對于極區是夏季)太陽輻射變化導致了中高緯度溫度梯度的改變,較大的溫度梯度造成了較大的氣壓梯度,從而使得西風北移。因此,地質記錄與模式模擬結果表明了AMOC和歲差引起的太陽輻射的變化通過改變徑向溫度和壓力梯度分別對千年和軌道尺度上的西風緯度位置移動起到重要影響。

  該研究首次闡明了中亞中緯度西風變化在不同時間尺度上的驅動因素及其與全球氣候的關系,這不僅有助于準確預估中亞地區未來氣候變化趨勢,而且在揭示東亞與北大西洋氣候遙相關機制、西風與季風相互作用等方面具有重要的科學意義。

  該研究成果由地球環境所和中科院青海鹽湖研究所、比利時法語魯汶大學共同完成,該論文已在Climate Dynamics在線發表(Yun Li*, Yougui Song*, Qiuzhen Yin*, Li Han, Yixuan Wang. 2019. Orbital and millennial northern mid-latitude westerlies over the last glacial period. Climate Dynamics),論文得到中國國家自然科學基金和比利時基礎研究基金的資助。

  論文鏈接

 

  1 塔城黃土粒度指標(黑色和紅色)與格陵蘭冰芯(藍色)、北大西洋AMOC(棕色)和海冰記錄(青色),地中海地區石筍(橙色/粉色)的對比,天藍色的橫條表示6H事件。

 

2 冬季500hPa高空H1冷期和BA暖期時風速(a)、位勢(b)和溫度(c)的差值




(責任編輯:葉瑞優)

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