全新世中晚期ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）的变化：来自中国南海北部2203年珊瑚生长速率的证据

《Global and Planetary Change》：ENSO variations during the mid- to late Holocene: Evidence from coral growth rates spanning 2203 years in the northern South China Sea

ENSO主导全球年际气候变率，但全新世期间其行为缺乏连续高分辨率记录，制约长期动态评估。本研究基于海南岛东部113个U系列定年化石珊瑚和1个现代珊瑚样本，重建了2203年（5829-2643 a BP）南海北部SST序列，揭示ENSO在全新世呈现多世纪尺度调制，中全新世（5800-4200 a BP）多持续性拉尼娜态，晚全新世（4200-2600 a BP）转为强厄尔尼诺态，且这种转变无法完全由轨道太阳辐射或火山活动解释，凸显海洋-大气内力驱动的主导作用。

　　

黄大华|余克福|蒋蕾蕾|蒋伟

中国南海珊瑚礁研究广西实验室，广西大学海洋科学学院，南宁530004，中华人民共和国

摘要

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）主导着全球年际气候变率，并对人类社会产生显著影响。然而，全新世期间ENSO的行为仍不甚明了，这限制了我们对其长期动态的评估能力。在这里，我们提供了来自中国南海北部海南岛东部采集的113个U系列测年化石珊瑚（Porites lutea）的2203年不连续年珊瑚生长率记录，时间跨度为距今5829年至2643年（相对于1950年）。通过建立珊瑚生长率与海表温度（SST）之间的稳健校准关系，我们定量重建了南海北部年SST的波动范围，介于24.2°C至27.5°C之间，平均值为25.6 ± 0.4°C（1σ），比1982-2023年的基线低约0.7°C。SST记录显示至少有18个冷期以约200年的间隔周期性出现，且这些冷期的持续时间在晚全新世逐渐缩短。由于珊瑚生长率紧密跟踪当地SST的变化，因此年际ENSO信号在珊瑚档案中得到了可靠保存。推断出的ENSO变率表现出明显的多十年尺度调制，从中全新世（约5800-4200年前）的弱拉尼娜样条件转变为晚全新世（约4200-2600年前）的强厄尔尼诺样条件。这些ENSO变化无法完全由轨道辐照度或火山活动等外部强迫因素解释，突显了内部海洋-大气动力学在全新世期间调节ENSO演变中的主导作用。

引言

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带太平洋年际气候变率的主要模式，通过耦合的海洋-大气遥相关效应产生广泛的水文气候异常（Cai等人，2020年；Geng等人，2023年；McPhaden等人，2006年；Timmermann等人，2018年）。在厄尔尼诺事件期间，西风异常产生下沉Kelvin波，加深了东太平洋温跃层并通过Bjerknes反馈机制使海表温度升高，而东向的对流移动则减弱了Walker环流，导致西太平洋暖池地区干旱（Cai等人，2021年；Vialard等人，2025年）。相反，拉尼娜事件增强了信风和纬向SST梯度，产生相反的异常现象。因此，ENSO是全球极端事件（包括干旱、洪水和热浪）的主要驱动因素，并对生态和社会经济产生重大影响（Cai等人，2014年；McPhaden，2015年）。尽管过去约150年的仪器观测显示了明显的十年尺度ENSO波动（Deser等人，2010年；Fedorov等人，2020年），但关于人为变暖对ENSO变率的影响仍存在重大不确定性（Lawman等人，2022年；Collins等人，2010年）。鉴于仪器记录仅捕捉到ENSO内在变率的一部分，地质档案对于限制其长期行为和改善气候模型预测至关重要。

全新世（距今11,700年，相对于1950年）作为当前间冰期的气候类比具有特别价值，为我们提供了在不同背景气候状态下研究ENSO行为的机会。来自中太平洋和西太平洋的基于珊瑚的重建表明（Beck等人，1997年；Cobb等人，2013年；McGregor等人，2013年；Tudhope等人，2001年），中全新世期间ENSO变率持续较弱，这一观点得到了秘鲁海洋沉积记录的支持（Rein等人，2005年）。相比之下，Laguna Pallcacocha的沉积记录（Moy等人，2002年）和秘鲁考古遗址的证据（Keefer等人，1998年）表明中全新世期间存在强烈的ENSO变率。此外，ENSO变率主要是由自然外部强迫因素（Adams等人，2003年；Grothe等人，2019年；Jiménez-Moreno等人，2021年）还是内部气候系统变率（Cobb等人，2003年；Dee等人，2020年；Wittenberg，2009年）驱动的，这一问题仍存在争议。这些差异通常归因于许多古气候记录的时间分辨率有限，凸显了需要更高分辨率的ENSO重建的必要性。

Porites珊瑚对环境变化非常敏感，能够提供月度到年度的气候信息，使其成为重建全新世ENSO变率的可靠代理指标（Cobb等人，2003年；Corrége等人，2000年；Dee等人，2020年）。南海北部（SCS）广泛分布着Porites珊瑚，能够有效捕捉ENSO信号（Dang等人，2024年；Jiang等人，2023年；Yu，2012年）。然而，珊瑚文石的成岩作用可能会影响地球化学代理记录的准确性（Brachert等人，2016年）。相比之下，沿着骨骼主生长轴测量的珊瑚生长率基本上不受沉积后成岩作用的影响（Reuter等人，2005年），从而减少了这种不确定性。因此，分析南海北部Porites珊瑚的生长率是一种提高ENSO重建空间和时间分辨率的稳健方法（Dang等人，2020年；Tao等人，2024年）。尽管如此，由于珊瑚的间歇性保存以及化石群落在抬升的珊瑚礁或珊瑚坪上的不连续暴露，生成连续的多世纪珊瑚记录仍然具有挑战性（Cobb等人，2013年）。因此，大多数基于珊瑚的记录都是由离散样本组成的时间序列，真正的长期全新世连续记录仍然很少。

在这项研究中，分析了来自南海北部海南岛东部的113个化石核心和一个现代珊瑚核心（Porites lutea）。通过将化石的U系列测年结果与X射线图像中的年生长带计数相结合，我们构建了一个2203年的不连续年珊瑚生长率记录，时间跨度约为5829年至2643年前。基于现代珊瑚生长率与仪器SST之间的关系，我们开发了一个转移函数来定量重建这一时期的年SST记录。由于现代仪器SST和珊瑚生长率-SST记录能够有效捕捉ENSO变率，这个长达2203年的记录被用来评估长期ENSO变率及其潜在的驱动机制。从珊瑚生长率重建的长期高分辨率SST序列阐明了这一时期珊瑚生长和ENSO变率的动态，为ENSO演变及其驱动机制提供了宝贵的见解。

研究区域

南海（SCS）位于西太平洋暖池的边缘，受东亚季风的影响，其年际气候变率主要由ENSO调节（Chen等人，2023年；Liu等人，2016年；Tan等人，2016年；Wang等人，2023年）。海南岛东部（18°N–20°N，110°E–111°E）位于南海北部（图1a），该地区的SST表现出明显的年度周期，5月至10月SST较高（平均约28.3°C），1月至3月SST较低（约23.3°C）。

珊瑚核心和测年

2023年（公元）从海南岛东部采集了珊瑚样本（Porites lutea）（图1b-c）。使用液压钻机和便携式电动钻从113个死亡珊瑚群落和一个活珊瑚群落中提取了珊瑚核心，核心直径分别为60毫米和80毫米。死亡和活珊瑚核心的总长度分别约为111.9米和0.6米。在实验室中，每个核心被切成约7毫米厚的切片。这些切片在8% H₂O₂溶液中浸泡48小时以

年代学构建

来自海南岛的现代珊瑚核心（24NH45）涵盖了1982年至2023年。113个化石珊瑚的U和Th同位素组成及其对应的U-Th年龄列在表S1中（误差为2σ）。通过将U-Th年龄与X射线图像中识别的年生长带模式相结合，为每个珊瑚构建了一个年龄模型。在111.9米的化石核心及其相关的X射线图像中，共识别出7085个年生长层。

珊瑚生长率温度计

控制珊瑚骨骼生长的主要环境因素包括SST、SSS和光照可用性（Cooper等人，2012年；Lough和Barnes，1997年）。为了评估它们在南海北部的相对影响，对珊瑚生长率与SST、SSS和OLR的仪器记录进行了回归分析（图S2）。结果表明，SST的决定系数（R²）为0.836，而SSS和OLR的系数分别为0.001和0.003，表明SST是珊瑚生长的主要驱动因素

结论

本研究建立了基于南海北部中全新世至晚全新世期间珊瑚生长率的2203年高分辨率SST和ENSO变率重建。研究表明，珊瑚生长率是SST和ENSO变率的可靠双重代理指标，能够有效捕捉年际气候波动的幅度和频率。重建的年SST记录的平均值为25.6 ± 0.4°C（1σ），比现代基线（26.3 ± 0.4°C）低约0.7°C。

CRediT作者贡献声明

黄大华：撰写——初稿、软件、方法论、调查、正式分析。余克福：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。蒋蕾蕾：撰写——审阅与编辑、软件、正式分析。蒋伟：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42030502）、广西科学项目（编号：AD25069075）和国家重点研发计划（编号：2023YFF0804801）的资助。