同济大学翦知湣教授团队发现热带海洋变暖对东亚季风气候具有强化作用

增加地球气候系统中关键海区——热带太平洋的上层海洋热量，很可能会导致亚洲东部季风区更为湿润。

北京时间10月20日零点，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了同济大学海洋地质国家重点实验室翦知湣教授团队的最新科研成果，论文题为“Warm pool ocean heat content regulates ocean-continent moisture transport”（“暖池区海洋热含量调控海洋-陆地之间的水汽传输”）。这项研究发现热带海洋变暖对东亚季风气候具有强化作用，首次从能量学角度阐释了低纬海洋过程在气候演变中的驱动作用，为解答海-陆水热循环联系提供了最新见解。


海洋是地球气候系统最大的热储库。工业革命以来，人为释放二氧化碳的温室效应造成全球变暖，其中90%以上的过剩热量进入了海洋。热带印度洋-西太平洋暖池是全球表层海温最高、热含量最集中的区域，不断地为大气上升运动、对流降雨提供能量和水汽，也是整个地球气候系统的“热量和蒸汽引擎”。上层海洋热量也是推动热带风暴（台风）的关键要素，近年来，在全球变暖背景下，海洋热量持续增加，被认为与东亚区域登陆台风的破坏力增强紧密相关。然而，海洋热量与陆地降雨之间的联系方式和机制，仍然不够清楚。现代仪器观测资料的不足，极大限制了人类对极端天气/气候灾害的预测和预防能力，亟需利用地质记录和数值模拟等多种手段，研究过去的海洋热含量变化及其对海-陆间能量/水循环的调控作用。


图1：热带太平洋上层海洋增暖，与东亚季风区降雨增强紧密联系

翦知湣教授团队首次利用暖池区10个深海沉积岩芯中的浮游有孔虫微体化石，重建了过去36万年以来上层海水（0至200米）热含量的变化，发现暖池热含量的重建记录与地球气候系统数值模式瞬变模拟的热含量曲线变化形态和幅度非常一致。团队还重建了暖池区表层海水的剩余氧同位素，其结果与暖池热含量变化一致，两者在岁差周期上均与中国石笋记录的大气降雨氧同位素呈同步变化：即暖池热含量增大，对应海水剩余氧同位素变重、而石笋氧同位素变轻（图2和3）。


图2：暖池热含量、以及海-陆间氧同位素“跷跷板”的重建（彩色线）和模拟（黑色线）

翦知湣教授表示：“这说明在万年尺度的天文周期上，暖池的热量变化可以调控太平洋与亚洲大陆之间的水汽传输。当暖池热量增加，热带海表蒸发增强、水汽汇聚，并以季风和台风的形式向相邻陆地传输，导致东亚降雨增加。”这一科学发现也是团队多年来关于西太平洋暖池次表层海水古海洋学研究的升华。

此研究综合利用现代观测、古环境替代指标、以及海气耦合模式和水同位素数值模式的瞬变模拟（图3），从暖池区上层海洋热含量（而非表层海水温度）的角度探索水汽潜热传输，通过海陆之间的水同位素梯度来衡量全球季风水循环强度，不仅拓展了古海洋与古气候的能量学研究新领域，也可为现代和未来气候变化提供“以古论今”的新思路。


图3：海-陆间水循环的氧同位素分馏示意图及数值模拟结果

论文合作者也从不同的角度表述了这项研究对全面理解全球水文循环机制的推进作用。德国不来梅大学Mahyar Mohtadi教授表示：“从能量学的角度来说，海洋热含量与季风变化之间的耦合，是调节全球水文气候的关键所在，同时这两者都受到天文尺度太阳辐射量变化的调控。”美国罗格斯大学Yair Rosenthal教授表示：“我们的工作提出，相比海水表面温度，海洋热结构变化是决定海洋水汽和潜热运移及其向陆地输送的最关键因素。”

翦知湣教授为论文的第一和通讯作者，团队成员王跃、党皓文分别为第二、三作者和共同通讯作者，国外合作单位包括德国不来梅大学、美国罗格斯大学、美国加州大学圣塔芭芭拉分校、德国基尔大学。该项研究得到国家自然科学基金项目和上海市科委项目的资助。


论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05302-y