过去55,000年间阿拉伯海温跃层动态及季风-气候耦合机制：多指标古环境重建

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Dynamics of the Arabian Sea thermocline and monsoon-climate coupling mechanisms over the past 55,000?years: Multi-proxy paleoenvironmental reconstruction

本研究通过多代理分析（包括浮游有孔虫组合、Mg/Ca温度重建等）对CJ08-22沉积核心（西北印度洋阿拉伯海盆）进行了55,000年热层演变研究，揭示了热层深度与季风强度、全球气候事件（如D-O事件、Heinrich 1事件）的关联性，发现MIS3阶段ΔT与D-O事件同步，季风增强导致热层变化减弱，现代季风系统建立后热上涌再次增强，热层动力学作为连接区域季风响应与全球气候变化的桥梁，对预测未来气候具有重要启示。

　　

王峰|李云海|陈敏|丁轩|林云鹏

自然资源部第三海洋研究所，中国厦门361005

摘要

本研究通过多指标分析（包括浮游有孔虫组合、Mg/Ca温度重建、碳酸盐含量和碎屑率等），系统重建了过去55,000年间阿拉伯海温跃层的变化及其与全球气候事件的响应关系。分析对象是来自印度洋西北部阿拉伯盆地的CJ08–22沉积岩芯。在MIS3阶段（40–29千年前），温跃层深度出现了显著波动，海表-温跃层温差（ΔT）与Dansgaard-Oeschger（D-O）事件同步变化。温暖时期的印度夏季季风增强导致上升流减弱（ΔT减小），而寒冷时期的冬季季风加剧则引发上升流增强（ΔT增大）。在MIS2冰盛期（29–14千年前），温跃层变浅，ΔT保持较高水平，反映了强冬季季风和深层水体酸化（CaCO?含量最低）导致的持续上升流。在MIS1全新世（14千年前至今），温跃层加深，ΔT与太阳辐射量变化一致。在8.2千年前事件期间，季风短期至中期减弱。现代季风系统建立后，上升流再次增强。通过对浮游有孔虫的主成分分析，发现暖流物种（如Globigerinoides ruber）与上升流物种（如Globigerina bulloides）的分布存在对立关系，这表明季风驱动的阿拉伯洋流和Ekman泵送作用具有协同效应。阿拉伯海的温跃层变化与北大西洋D-O事件、Heinrich 1事件以及太阳轨道强迫（20千年前岁差周期）存在显著相关性，表明高纬度冰量变化通过大气环流调节低纬度海洋过程（例如冬季季风）。本研究为理解阿拉伯海在冰期-间冰期循环中的关键作用提供了新的证据，强调了温跃层动态作为连接区域季风响应与全球气候变化的关键枢纽的作用，这对预测未来全球变暖下印度洋-季风系统的演变具有重要意义。

引言

阿拉伯盆地（印度洋西北部）对全球海洋环流和热量分布至关重要，其变化受季风强烈影响（White等人，1998年；Schott和McCreary Jr，2001年；Ramesh和Krishnan，2005年；Chatterjee等人，2022年；Albert等人，2023年）。作为热带海洋-气候研究的关键区域，阿拉伯海的温跃层变化反映了海洋热量分布、混合和生产力的变化（Seager和Murtugudde，1997年；Ramesh和Krishnan，2005年；Khan等人，2023a，2023b）。夏季西南季风通过Ekman泵送作用使温跃层变浅（使深层冷水上升），而冬季东北季风减弱则减缓这一过程——从而将季风强度直接与温跃层的季节性动态联系起来（Rao和Goswami，1988年；Wang等人，2006年；Kumar，2019年；B?ll等人，2015年；Echols和Riser，2020年；Khan等人，2023a，2023b）。

阿拉伯海西部边界存在强烈的上升流，它与风驱动的混合和盐度梯度共同调节温跃层的形成/强度（You，1997年；Arora，2021年；Khan等人，2023a，2023b）。温跃层的变化会改变海洋热容量，可能影响季风强度和极端天气，并与全球事件相关（Enfield，1989年；Quinn等人，1987年；Govil和Naidu，2010年；Trenberth和Fasullo，2012年；Loo等人，2015年；Saraswat等人，2020年；Khan等人，2022年）。全球变暖（海表温度上升）可能导致温跃层变浅或消失，加剧区域气候不稳定——这凸显了温跃层研究对于改进气候预测的重要性（Hereher，2020年；Singh等人，2011年，2023年；Albert等人，2023年）。

尽管取得了进展，但温跃层研究仍存在不足：（1）多尺度驱动因素（季风强迫、上升流、混合）之间的耦合机制尚不明确；（2）全球变暖的影响尚不确定（例如热量含量、盐度、风场的综合效应）；（3）对整个盆地内温跃层差异的研究不足（Assene等人，2023年）。

本研究通过阿拉伯海沉积岩芯重建了55,000年的季风驱动的温跃层变化，旨在揭示区域演变特征并阐明多尺度相互作用对全球气候的影响。通过整合跨学科方法，我们希望加深对阿拉伯海温跃层动态及其在全球气候系统中作用的理解。

部分内容摘要

海洋学背景

西印度洋的表面环流和水文特征主要由季风驱动的洋流系统控制，表现出显著的季节性变化。夏季西南季风期间，强风驱动索马里洋流（SC）沿非洲东海岸向东北方向流动，形成两个明显的环流系统。其中，位于5°N附近的南部涡旋和位于10°N附近的北部涡旋共同引发了强烈的上升流现象。

氧和碳同位素分析

有孔虫的氧和碳同位素分析在同济大学国家实验室进行。精心挑选了35个G. ruber标本（大小为150–250微米），确保其壳体干净、完整且无溶解现象。标本用超纯水清洗并超声处理5秒以去除堵塞壳孔的颗石藻等杂质。去除废液后，重复清洗过程2–3次。

年代框架的建立

首先，根据区域海洋储层年龄值（ΔR）230±60年（Naidu和Malmgren，2005年），对测试样本进行了海洋储层年龄校正，随后使用Bacon模型建立了年代框架（Blaauw和Christen，2011年）。通过该框架确定岩芯顶部202厘米的沉积年龄为55,000年（表1）。

浮游有孔虫的特征

在过去55,000年间，CJ08–22岩芯的所有21个沉积样本中都发现了有孔虫。

浮游有孔虫分布与海洋环境的关系

为了进一步客观描述研究区域内浮游有孔虫分布与海洋环境的关系，我们首先对每个物种的百分比丰度进行了标准化处理，然后对处理后的数据进行了主成分分析（PCA）。

PCA提取了三个主成分，其特征值分别占总方差的72.70%（PC1）、11.75%（PC2）和1.34%（PC3）（表2）。考虑到PC3仅解释了部分变化……

结论

本研究揭示了过去55,000年间阿拉伯海温跃层动态与全球气候事件及季风变化之间的联系：

MIS3阶段（40–29千年前）：温跃层深度波动显著，海表-温跃层温差（ΔT）与北大西洋Dansgaard-Oeschger（D-O）事件同步变化。温暖时期的增强西南季风导致上升流减弱（ΔT减小），而强烈的东北季风……

作者贡献声明

王峰：撰写初稿、方法论设计、数据管理、概念构思。李云海：撰写、审稿与编辑、项目资助、概念构思。陈敏：撰写、审稿与编辑。丁轩：撰写、审稿与编辑。林云鹏：撰写、审稿与编辑。

未引用的参考文献

Tracy等人，1999年

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“国家全球变化与海气相互作用计划”（编号GASI-04-HYDZ-02、GASI-01-WIND-CJ08、GASI-01-WIND-CJ09）和“国家自然科学基金”（编号42406074）的支持。感谢所有调查人员在“向阳红3”考察期间提供的帮助。