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中亚黄土揭示末次冰期以来中纬度西风在轨道与千年尺度上的变化机制

  中亚黄土揭示末次冰期以来中纬度西风在轨道与千年尺度上的变化机制。西风作为全球尺度大气环流的主要组成部分,对动量、热能和水汽的搬运和分布具有重要作用,极大地影响着全球气候。尤其是在中纬度地区,西风激流的位置和强度在重塑降雨模式方面发挥了巨大的作用。然而,目前对中纬度西风的演化历史及其对该地区气候变化的驱动机制仍缺乏深刻的理解。

  最近,中国科学院地球环境研究所研究员宋友桂带领的中亚黄土研究组在受西风气候主导的中亚东部地区,利用两个末次冰期以来的黄土剖面重建了过去7万年北半球西风南北迁移历史,并将其记录同地中海石笋、格陵兰冰芯、北大西洋经向翻转流(AMOC)以及北大西洋海冰等记录对比,结合模式模拟,详细地调查了千年和轨道尺度西风变化的物理机制。与之前研究不同的是,该研究组考虑将粒度的变化作为西风纬度位置变化的指标,粒度的增大指示西风的北移,同时与北大西洋涛动(NAO)的正异常模式有关。基于可靠的光释光(OSL)测年结果,发现在千年尺度上黄土粒度变粗的阶段很好地对应了六次北大西洋海因里希事件(Heinrich)H1-H6,AMOC的减弱和地中海与中亚地区西风的向北迁移(图1)。粒度指标也很好地记录了格陵兰冰芯中的Dangsgaard–Oschger暖事件(DO1-18)(图1)。在轨道尺度上,发现中亚和地中海地区的西风变化与地球的岁差轨道周期相吻合,西风的向北迁移对应了较大的岁差指数。

  为了更进一步研究千年与轨道时间尺度上中纬度西风变化的驱动机制,研究组运用TraCE-21ka 瞬态模拟淡水强迫模拟实验,分析了千年尺度冷事件H1和暖事件Bφlling–Allerφd (BA)时期中纬度西风对AMOC的响应。模拟结果显示AMOC的减弱引起了北大西洋海表温度的降低和春冬季海冰向南的扩张,导致了北大西洋高纬地区温度显著降低,经向温度梯度的增加以及中纬度高压异常与极区的低压异常。这样的结果最终导致了500 hPa西风的向北移动(图2)。在轨道尺度上,通过LOVECLIM和 CCSM3模型设置两组不同岁差状态下的敏感实验,研究组发现岁差引起的冬季(对于极区是夏季)太阳辐射变化导致了中高纬度温度梯度的改变,较大的温度梯度造成了较大的气压梯度,从而使得西风北移。因此,地质记录与模式模拟结果表明了AMOC和岁差引起的太阳辐射的变化通过改变径向温度和压力梯度分别对千年和轨道尺度上的西风纬度位置移动起到重要影响。

  该研究首次阐明了中亚中纬度西风变化在不同时间尺度上的驱动因素及其与全球气候的关系,这不仅有助于准确预估中亚地区未来气候变化趋势,而且在揭示东亚与北大西洋气候遥相关机制、西风与季风相互作用等方面具有重要的科学意义。

  该研究成果由地球环境所和中科院青海盐湖研究所、比利时法语鲁汶大学共同完成,该论文已在Climate Dynamics在线发表(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),论文得到中国国家自然科学基金和比利时基础研究基金的资助。

  图1 塔城黄土粒度指标(黑色和红色)与格陵兰冰芯(蓝色)、北大西洋AMOC(棕色)和海冰记录(青色),地中海地区石笋(橙色/粉色)的对比,天蓝色的横条表示6次H事件。

  图2 冬季500hPa高空H1冷期和BA暖期时风速(a)、位势(b)和温度(c)的差值

来源:中国科学院
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