近2 000年南海北部海表溫度變化特征及其對全球變暖的啟示

肖杭芳，鄧文峰，韋剛健*

(1.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所，同位素地球化學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049)

中國南海是熱帶西太平洋最大的一個半封閉式邊緣海，其南北兩邊分別通過狹窄的海峽與周圍的海域連接在一起(圖1).南海北部氣候的季節(jié)性明顯，SST變化受到亞洲夏季風(fēng)和冬季風(fēng)的強(qiáng)烈控制[18].由于靠近西太平洋暖池(West Pacific Warm Pool，WPWP)，其年際間的SST變化還會受到厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation，ENSO)的影響[19].此外，南海北部島礁眾多，生態(tài)系統(tǒng)豐富多樣，能夠為高分辨率SST重建提供大量的樣品，如造礁珊瑚和硨磲等.一直以來,造礁珊瑚都被用作古氣候重建的載體，且其相較于其他古氣候研究載體具有獨特且不可替代的優(yōu)勢：1) 珊瑚的生長速度較快，一般可以達(dá)到每年10～20 mm，因此可以利用它獲取月甚至周級別時間分辨率的樣品[20-21]；2) 珊瑚的生長界線十分清晰，它具有類似樹木年輪的生長年紋，可以提供良好的年際和季節(jié)時間標(biāo)尺[22]；3) 其骨骼中的Sr/Ca元素比值能夠穩(wěn)定地提供高分辨率SST數(shù)據(jù)，并被廣泛用于熱帶海洋高分辨率古SST重建[23-26].而與珊瑚一樣同屬海洋生物碳酸鹽類的硨磲近年來也被發(fā)現(xiàn)能夠精確地反映古氣候信息.硨磲是海洋中最大的雙殼類，壽命可達(dá)100年[27].與珊瑚骨骼類似，它的文石質(zhì)貝殼中的一些地球化學(xué)組成(如Sr/Ca元素比值)能夠與海水溫度建立起非常好的定量關(guān)系[28-31]，因此利用硨磲也能夠獲取過去的海水溫度變化信息.在過去的十幾年中，在南海北部區(qū)域針對這兩種不同載體的高分辨率SST記錄研究也陸續(xù)開展起來.然而，由于目前已發(fā)表的研究數(shù)據(jù)比較零散、不連續(xù)，且相互之間的可比性不足，系統(tǒng)性較差，無法勾勒出比較清晰的南海北部近2 000 年來的SST變化格局.因此，為了給將來的工作提供參考依據(jù)，本文中對現(xiàn)有的基于珊瑚和硨磲的南海北部近2 000 年高分辨率SST記錄的研究進(jìn)行回顧和總結(jié)，進(jìn)而探討有關(guān)全球變暖的一些核心問題，并對下一步的研究提出展望.

1 高分辨率SST記錄的重建

1.1 樣品信息與重建方法

本文中涉及到的珊瑚和硨磲樣品分別采集于雷州半島、海南島和西沙群島附近的海區(qū)(圖1)，其中包括8個珊瑚樣品(14FJ12、DL-05R、11QG3、11QG1、YX2-1、11LW2、13OC4和11LW4)和2個硨磲樣品(DD1和SD1)，樣品的詳細(xì)信息見表1.8個珊瑚樣品對應(yīng)覆蓋的年齡范圍分別為AD167—309、AD489—500、AD1063—1087、AD1129—1255、AD1404—1406、AD1628—1657、AD1702—1772和AD1853—2011；2個硨磲樣品則對應(yīng)在AD50和AD990時期分別持續(xù)15和11年的時間序列[13，30，32-35].珊瑚樣品DL-05R和YX2-1及硨磲樣品DD1和SD1以月分辨率進(jìn)行取樣，其他的珊瑚樣品均以年分辨率進(jìn)行取樣.所有的樣品都通過用現(xiàn)代樣品與器測數(shù)據(jù)聯(lián)合建立的Sr/Ca-SST溫度方程進(jìn)行古SST重建.為了更直觀地進(jìn)行觀察和比較，本文中將4段月分辨率的SST序列換算成年分辨率的結(jié)果并一起繪圖.由于夏季最高月均SST和冬季最低月均SST能最直接地表現(xiàn)暖、冷氣候條件，且受非線性生長速率的影響相對較小，因而能提供可靠的氣候信息.換算的方法如下：首先估算冬季最低月分辨率SST(winter minimum SST，WMT)和夏季最高月分辨率SST(summer maximum SST，SMT)，每年的WMT用冬季最低SST進(jìn)行替代(因為冬季的取樣接近月分辨率)，SMT利用夏季最高SST附近2～3個點的SST求平均值獲得(因為夏季的取樣接近1～2周分辨率)；然后利用WMT和SMT的平均值將月分辨率的SST記錄換算成年分辨率的SST結(jié)果[36].

(a)雷州半島、海南島、西沙群島的地理位置；(b)本文中樣品采集的地理位置.

表1 珊瑚及硨磲樣品的詳細(xì)信息及SST重建詳細(xì)結(jié)果

注：相對變化指的是相對于原文中提供的現(xiàn)代器測SST平均值或從現(xiàn)代樣品中重建的現(xiàn)代SST值的差值.

為了解近2 000年來南海北部SST的整體變化趨勢，本文中將上述10個短期記錄進(jìn)行整合，這種將短時間尺度的生物碳酸鹽記錄串連起來構(gòu)成千年尺度長期記錄的方法已有報道[37-39].本文中的合成方法參考Yan等[39]的經(jīng)驗，由于10個樣品來自幾個不同的海區(qū)，海水溫度存在地區(qū)差異，如果直接使用重建的SST結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，會使合成的曲線與真實情況出現(xiàn)較大偏差.因此本文中選擇使用海表溫度異常(sea surface temperature anomaly，SSTA)來拼接10段SST記錄.首先將每個時段的年SST值進(jìn)行平均，得到代表各時段的多年SST平均值，然后將每個多年SST平均值減去各地區(qū)相應(yīng)的現(xiàn)代多年SST平均參考值,得到一個相對變化值(表1),即SSTA，每個時段的SSTA所對應(yīng)的年份用相應(yīng)時段的中間點替代，最后將這10個SSTA值連接起來得到南海北部近2 000 年SST變化趨勢線.該合成方法雖然會造成部分具體年份的變化特征丟失，但是短期的具體氣候信息特征對于長時間尺度上的趨勢分析來說影響不大，因此這樣的合成方法對于判斷變化趨勢來說是可行的.

1.2 SST時間序列的重建結(jié)果

圖2為使用珊瑚和硨磲Sr/Ca元素比值這一代用指標(biāo)重建的AD43—57、AD167—309、AD489—500、AD985—995、AD1063—1087、AD1129—1255、AD1404—1406、AD1628—1657、AD1702—1772和AD1853—2011這10個時段的南海北部年分辨率的SST時間變化序列.

重建結(jié)果顯示：在南海北部地區(qū)AD43—57為氣候十分溫暖的時段，年SST平均值高達(dá)28.7 ℃，相對變化達(dá)到1.4 ℃，符合該時段所處的羅馬暖期時段(Roman Warm Period，RWP；BC200—AD400)[30]的氣候特征；緊接著的AD167—309和AD489—500這2個時段為氣候寒冷時段，年SST平均值分別為25.1和22.7 ℃，相對變化分別為-0.7和-2.0 ℃[33-34]；而到了AD985—995、AD1063—1087和AD1129—1255這3個時段，氣候又變得相對暖和，剛好對應(yīng)于MWP(AD900—1300)，年SST平均值分別為28.1，26.2和26.6 ℃[13，30]，相對變化分別為0.8，0.4和0.8 ℃；AD1404—1406這3年的記錄在統(tǒng)計學(xué)上實際意義不大，但是從其重建的溫度上看，年平均SST低于現(xiàn)代參考值，是一個氣候偏冷時期[32]，而這一時期也恰好處于MWP向LIA的過渡階段；另外2個處于LIA時段的重建結(jié)果顯示，AD1628—1657和AD1702—1772期間，年SST分別在24.7～27.1 ℃和23.4～26.4 ℃之間變化，平均值分別為25.8和24.8 ℃[13]，SST偏低，就變化幅度而言，AD1628—1657期間的SST平均值與現(xiàn)代相差不大，但是AD1702—1772期間的SST平均值比現(xiàn)代偏冷1 ℃ 左右；最后AD1853—2011期間的SST在波動中持續(xù)升高，是一個SST迅速升高的時期[35].

圖2 本文中使用的8個珊瑚和2個硨磲記錄重建的SST時間序列

2 近2 000年高分辨率SST記錄的合成與對比

圖3為用10個SSTA點合成產(chǎn)生的近2 000年南海北部SST變化的趨勢線.可以看到在過去2 000 年中，南海北部SST的總體變化趨勢呈現(xiàn)出“W”形狀，在“溫暖—寒冷—溫暖—寒冷—溫暖”波動中變化，包含3個暖期和2個冷期.2個冷期中一個是著名的LIA；而另一個則集中在公元年早期幾個世紀(jì)，為中國歷史上東漢、三國、西晉及南朝時段，從變冷的幅度上看，這個冷期的寒冷程度甚至超過了LIA.這也得到了來自中國歷史文獻(xiàn)中物候記錄的支持[40-41].3個暖期分別對應(yīng)于公元年初期的RWP、MWP和CWP時段，其中最暖的時期是RWP，相對變化幅度高達(dá)1.4 ℃，這可能是因為在該時期統(tǒng)計的數(shù)據(jù)比較少(15年)造成的.對MWP和CWP的統(tǒng)計結(jié)果則是建立在較多數(shù)據(jù)點上，從圖3可以看到這2個時段的平均偏暖幅度幾乎一致.

圖3 利用珊瑚和硨磲重建記錄合成的過去2 000年南海北部SST變化趨勢線

(a)本文中合成趨勢線與曲線；(b)本文中合成趨勢線與composite Mg/Ca-SST曲線.

3 近2 000年SST變化的影響因素

目前，南海北部SST變化的影響因素被認(rèn)為主要有以下幾方面：

1) 受火山活動的影響.火山活動被認(rèn)為是影響短期氣候變化的重要因子之一[49]，大規(guī)模火山爆發(fā)釋放出的大量火山灰和氣溶膠到達(dá)平流層，從而阻擋了地球表面對太陽輻射的接收，使氣候變得異常寒冷[49].此外，即使是遠(yuǎn)離南海北部地區(qū)的火山噴發(fā)活動也能夠?qū)δ虾１辈康腟ST產(chǎn)生間接影響.研究者們發(fā)現(xiàn)大西洋地區(qū)超大規(guī)模火山活動會造成大西洋的經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流變?nèi)酰瑥亩l(fā)北冰洋的海冰擴(kuò)張，致使亞洲的冬季風(fēng)增強(qiáng)和夏季風(fēng)減弱[47，50-52].圖5-a中展示了Gao等[53]利用冰芯重建的火山活動信息，由于火山活動的影響時效較短，很難與圖5-b的趨勢線進(jìn)行精細(xì)對比，但是從圖中可以大致看到幾次大的硫酸鹽通量激增事件也恰好落在了SST較低的期間，或者落在了SST由高值點向低值點下降的過程中.此外，在已有研究得到的更精細(xì)的SST變化序列中確實發(fā)現(xiàn)了火山活動對SST變化的影響，如Kong等[47]發(fā)現(xiàn)AD1260—1280和AD1420—1450的2次冷事件與硫酸鹽通量的激增有很好的對應(yīng)關(guān)系.

2) 受東亞季風(fēng)(East Asian Monsoon,EAM)強(qiáng)度的影響.風(fēng)的季節(jié)性變化對該地區(qū)短期和長期的水文、化學(xué)及沉積循環(huán)發(fā)揮著重要的作用[18]，最重要的是，它對南海地區(qū)的表面洋流循環(huán)起到關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用.夏季時，西南向的夏季風(fēng)驅(qū)動南部溫暖的海水向北移動，使得南海北部地區(qū)夏季SST升高；冬季時，東北向的冬季風(fēng)驅(qū)動一個向南移動的洋流，將北部寒冷的海水帶到南海北部地區(qū)，并導(dǎo)致該地區(qū)冬季具有低的SST[36].因此，當(dāng)東亞夏季風(fēng)(East Asian Summer Monsoon,EASM)減弱或者冬季風(fēng)增強(qiáng)時，南海北部的SST就會偏低；反之，當(dāng)EASM增強(qiáng)或者冬季風(fēng)減弱時，南海北部的SST就會偏高.EAM與南海北部SST之間的這種聯(lián)系在圖5中很好地展示了出來.2014年，Sagawa等[54]利用有孔蟲中的氧同位素(δ18O)變化反演了過去6 000年來東亞冬季風(fēng)(East Asian Winter Monsoon,EAWM)強(qiáng)度的變化趨勢.截取其中近2 000年來的數(shù)據(jù)(圖5-c)，并與本文中重建的近2 000年南海北部SST變化趨勢(圖5-b)進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EAWM強(qiáng)度與SST之間具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系：強(qiáng)的冬季風(fēng)強(qiáng)度往往對應(yīng)于低的SST值，如在公元5世紀(jì)至8世紀(jì)期間強(qiáng)盛的冬季風(fēng)導(dǎo)致同期SST的大幅度降低；而弱的冬季風(fēng)強(qiáng)度往往對應(yīng)于高的SST值，如在MWP期間，異常高的SST恰好對應(yīng)于衰弱的EAWM強(qiáng)度.

3) 受ENSO周期的影響.研究表明ENSO與WPWP的變化緊密相關(guān)[55]，而WPWP及其周圍地區(qū)的氣候也會受到ENSO的影響[56].中國南海北部緊鄰WPWP，其SST的年際間變化會受到ENSO的遠(yuǎn)程調(diào)控[36]，這一點在近2 000年的SST變化研究中也有發(fā)現(xiàn)，如Xiao等[34]和Deng等[35]分別在AD167—309和AD1853—2011的SST記錄譜分析中發(fā)現(xiàn)了2～7周年的ENSO周期信號.

a.全球范圍內(nèi)總的平流層硫酸鹽氣溶膠注入量；b.本文中重建的近2 000年南海北部SST變化趨勢線；c.北太平洋西部的沉積物鉆孔SK-2核心中有孔蟲的標(biāo)準(zhǔn)化后δ18O值；d.經(jīng)過200年滑動平均后的基于冰芯中宇宙成因10Be重建的近2 000年的太陽總輻照度變化(ΔTSI)值.

4) 受太陽活動的影響.太陽活動是地球表層能量的主要來源，因此太陽活動會對地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響[57].作為太陽活動的一個主要指標(biāo)，TSI在年代際至千年時間尺度上的變化都有可能會影響地球氣候系統(tǒng)[58]，它能夠通過對所有季節(jié)日曬量的直接調(diào)節(jié)間接對SST進(jìn)行調(diào)節(jié)[47].為了驗證這一關(guān)系，使用經(jīng)過200年滑動平均后的基于冰芯中宇宙成因10Be信號重建的近2 000年的ΔTSI值[59]與本文中合成的SST變化趨勢線變化進(jìn)行對比(圖5-b和-d)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)近2 000 年南海北部的SST記錄與TSI數(shù)據(jù)的波動模式有很好的正相關(guān)關(guān)系，高的SST通常對應(yīng)于高的ΔTSI值，SST值降低的時期內(nèi)ΔTSI值也呈現(xiàn)出相似的下降趨勢.此外，Deng等[13]的研究結(jié)論也證明了這一觀點，發(fā)現(xiàn)AD1628—1657和AD1702—1772時段所對應(yīng)的LIA時期恰好與蒙德太陽黑子極小期的時間一致，因此認(rèn)為低的SST是受到了太陽活動的直接影響.

5) 受人類活動的影響.人類活動對SST的影響主要體現(xiàn)在工業(yè)革命以后，大量溫室氣體的排放使得地球溫度在短期內(nèi)迅速升高[15].

4 從近2 000年SST變化的角度看全球變暖

服務(wù)于當(dāng)前氣候評估和未來氣候趨勢預(yù)測是重建過去2 000年南海北部SST變化記錄的最主要目的，其中對當(dāng)前氣候評估的重點是全球變暖.全球變暖是當(dāng)今世界最引人關(guān)注也是最有爭議的話題之一[60].IPCC在其第5次報告中明確指出過去的30年中，每10年的地球表面溫度都依次比前一個10年的溫度高，并認(rèn)為人為驅(qū)動因素是20世紀(jì)中葉以來觀測到氣候變暖的主要原因[15].但針對這種觀點，非政府間氣候變化專門委員會(Nongovernmental International Panel on Climate Change，NIPCC)提出了反駁，認(rèn)為溫度升高是自然現(xiàn)象，與人類的關(guān)系不大[61].氣候系統(tǒng)升溫是毋庸置疑的，解決爭議的關(guān)鍵還在于對2個核心問題的認(rèn)識上：1) 當(dāng)今是否是全新世最暖的時期？2) 人類排放是否是現(xiàn)代變暖的主要原因？針對這2個問題，本文中試圖從南海北部近2 000 年的SST變化記錄中予以回答.

4.1 從千年尺度上看全球變暖現(xiàn)象

在圖3中已經(jīng)得到了中國南海北部近2 000年的SST變化趨勢概況，可知南海北部在過去的2 000 年是在5個冷暖期之間的轉(zhuǎn)變過程(溫暖—寒冷—溫暖—寒冷—溫暖)，而這5個階段的劃分與前人對歷史時期中北半球的氣候冷暖時期劃分很類似，即將近2 000年的氣候變化劃分為5個冷暖時段，分別是：RWP(約從公元前1世紀(jì)至4世紀(jì)中期)、黑暗時代冷期(Dark Age Cold Period，DACP；約從4世紀(jì)末到10世紀(jì)前期)、MWP(約從10世紀(jì)中期到13世紀(jì)末期)、LIA(約從15世紀(jì)到19世紀(jì))和CWP[9，62-65](圖6).可以看出，雖然本文中的冷暖時段劃分與前人的劃分不完全相同，但從過去千年尺度的SST變化上看，氣候的變化確實是在多個冷暖時期之間來回轉(zhuǎn)變的過程，當(dāng)前的全球變暖恰好是氣候從寒冷階段(LIA)向溫暖階段轉(zhuǎn)變的一個快速升溫過程，溫暖的程度也沒有超過歷史上的其他暖期，至少目前看來與MWP平均溫暖程度接近(甚至更低[30，47])，并低于RWP時段.這一升溫過程與歷史上的其他氣候由寒冷階段向溫暖階段的轉(zhuǎn)變過程相似(如從DACP向MWP的轉(zhuǎn)變)，它并不是唯一的.

4.2 從歷史相似型上看全球變暖現(xiàn)象

要明確人類活動是否是CWP變暖的主要原因，最好的辦法就是將當(dāng)前暖期與氣候歷史上不受人為因素控制的相似型暖期進(jìn)行對比研究，找出其相同和差異之處.在以往的研究中通常都將MWP看作CWP的相似型[66-67]，因此本文中參考前人經(jīng)驗，將屬于MWP時段的AD1129—1255和屬于CWP時段的AD1853—2011這2段基于珊瑚的SST進(jìn)行了詳細(xì)對比(圖7).結(jié)果發(fā)現(xiàn)CWP和MWP最明顯的相同之處在于它們具有相同的長期年SST平均值，均為26.6 ℃(表1).而不同之處有以下兩點：1) CWP具有比MWP更大的變化幅度，CWP的年SST在23.4～29.1 ℃之間變化，振幅為5.7 ℃；MWP的年SST在24.9～28.8 ℃ 之間變化，振幅為3.9 ℃(表1).2) CWP 相較于MWP具有明顯更快的變化頻率，在MWP時SST波動以42年長期年代際周期為主，但在CWP時SST變化則以3～4年的年際周期為主(圖7(b)和(d)).

(a)本文中冷暖時期劃分；(b)前人冷暖時期劃分，據(jù)文獻(xiàn)[63]繪制，有改動.

(a)和(b)MWP期間的SSTA與譜分析結(jié)果；(c)和(d)CWP期間的SSTA與譜分析結(jié)果.(b)和(d)中紫色和綠色線分別表示95%和90%置信水平，圖中標(biāo)示數(shù)字表示通過95%顯著性檢驗得出的顯著周期.

自MWP以來，南海北部的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境一直比較穩(wěn)定，并未發(fā)生過強(qiáng)烈的改變洋流方向或其他自然條件下的重大地質(zhì)事件[68-69]，因此CWP與MWP在自然條件上應(yīng)該是相似的；不同的是，CWP相對于MWP受到了更強(qiáng)烈的人為因素干擾.從CWP與MWP的相同之處看，在疊加了更強(qiáng)烈的人為因素干擾后，并沒有使南海地區(qū)SST的升高空前加劇，也沒有顯著超出歷史其他暖期；從不同之處看，人為因素干擾的加入?yún)s有可能明顯改變SST的波動幅度和周期性，使氣候變得更加“極端”，且常在“極端熱”和“極端冷”之間突變，這會對人類的生產(chǎn)和生活造成很大的影響.

5 總結(jié)與展望

本文中通過對南海北部10段近2 000年高分辨率SST記錄的匯總和重新計算，得出以下幾點認(rèn)識：

1) 由10個時段的SSTA構(gòu)成的近2 000年SST變化趨勢與南海北部低分辨率的近2 000年SST變化趨勢十分相似，將該地區(qū)的冷暖變化劃分成“暖期—冷期—暖期—冷期—暖期”5個階段.

2) 影響南海北部SST變化的因素有很多，短期上主要受到火山活動、東亞季風(fēng)以及ENSO的影響，長期上它還受到太陽活動的調(diào)控，此外人類活動在工業(yè)革命后對南海北部地區(qū)的SST變化產(chǎn)生了強(qiáng)烈的干擾.

3) 當(dāng)前全球變暖是自然變化和人為干擾的共同結(jié)果，強(qiáng)烈的人為干擾的疊加并沒有使SST升高空前加劇，但它改變了SST的變化周期和幅度，使得SST的變化幅度變大、頻率加快，給人類的生產(chǎn)和生活帶來影響.

然而，已有的這些進(jìn)展與北半球高緯度陸地區(qū)域的氣候變化研究相比較緩慢，急需進(jìn)一步加強(qiáng).后續(xù)的研究重點首先應(yīng)該放在補(bǔ)充、完善近2 000年所缺的南海北部高分辨率SST變化資料庫上；其次是對南海北部近2 000年特征氣候時段的時間進(jìn)行精確劃分；再者是要利用先進(jìn)的地球系統(tǒng)模式開展敏感性數(shù)值試驗，辨析不同強(qiáng)迫因子是如何控制SST變化的，明確它們之間的聯(lián)系，特別是人類活動在其中所起到的作用.