小冰期期间太平洋沃克环流增强：来自印度尼西亚海域表层-温跃层温度差的证据

《SCIENCE ADVANCES》：A strong Pacific Walker Circulation during the Little Ice Age

　　

过去千年的气候重建为区分人为强迫与自然多年代际变率提供了背景。然而，小冰期（Little Ice Age, LIA；约公元1450至1850年）期间热带太平洋东西向大气环流（太平洋沃克环流，Pacific Walker Circulation, PWC）的强度仍是争论焦点。水文气候重建表明LIA期间PWC增强，而热带太平洋纬向海表温度梯度减小则表明其减弱。研究人员提出了第三类证据，即印度尼西亚海域的表层至温跃层温度差，该温度差在LIA期间小于中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly, MCA；约公元950至1250年），指示更深的海温跃层，与水文气候证据所支持的LIA期间PWC增强一致。研究发现PWC随LIA变冷而增强，这与变暖世界中PWC减弱的模式预测一致，也与近期增强趋势最终将逆转的预期相符。

过去千年气候重建的独特价值在于提供人为强迫与自然多年代际变率分离的参照背景。太平洋沃克环流（Pacific Walker Circulation, PWC）作为横跨热带太平洋的纬向赤道大气环流，其强度变化通过贸易风、海表温度梯度及温跃层倾斜的Bjerknes反馈相互耦合，直接影响全球水文气候格局。关于小冰期（Little Ice Age, LIA；约1450至1850年）PWC的强度，水文气候重建指示增强，而热带太平洋纬向海表温度梯度（ΔSST）指示减弱，两者相互矛盾。为厘清这一矛盾，研究人员利用印度尼西亚海域表层与温跃层温度差（ΔT_{surface-thermocline}）作为第三类独立证据开展研究。研究人员重建了爪哇海（站点6MC/7GGC）和望加锡海峡（站点31MC/32GGC/34GGC）沉积物岩芯中表层混合层浮游有孔虫Globigerinoides ruber与温跃层种Pulleniatina obliquiloculata的Mg/Ca钙化温度，结合高分辨率社区地球系统模型（CESM-HR）的强/弱PWC合成，发现LIA期间表层变冷而温跃层变暖，导致ΔT_{surface-thermocline}达到过去千年最小值，指示区域温跃层最深，对应PWC增强。这一结论支持PWC强度与全球温度变化呈反相关，为全球变暖背景下PWC将减弱的模式预测提供了古气候证据。相关研究成果发表在《Science Advances》。

关键技术方法主要包括：研究人员以印度尼西亚海域爪哇海和望加锡海峡的多个沉积物岩芯为样本来源，对表层种G. ruber和温跃层种P. obliquiloculata进行Mg/Ca比值分析并转换为钙化温度；利用¹⁴C测年、Suess效应起始时间和坦博拉火山灰层建立年龄模型，并通过geoChronR量化年龄不确定性；采用CESM-HR瞬变模拟（1850至2100年）进行10至50年带通滤波后构建强/弱PWC温度合成场；同时编译印度尼西亚海域及热带太平洋20个水文气候重建记录进行对比，并对已发表的ΔSST记录更新年龄模型后重新分析。

结果部分主要呈现以下发现：

**CESM-HR合成显示PWC强度对温跃层温度影响显著。** 研究人员对1850至2100年CESM-HR模拟进行带通滤波，并筛选强/弱PWC年份合成温度异常。结果显示PWC强度变化对表层海表温度影响很小，尤其在望加锡海峡；但对100米深度（即温跃层）温度影响较大，强PWC时温跃层温度升高，弱PWC时降低，从而引起ΔT_surface-100m在印度尼西亚海域和东印度洋一致变化。这为用代用指标重建ΔT_{surface-thermocline}追溯PWC强度提供了模型基础。

**表层与温跃层Mg/Ca温度重建揭示LIA期间温跃层变暖。** 爪哇海站点G. ruber温度显示约公元900至1700年表层逐步降温约1.3°C，随后升温约1.6°C；望加锡海峡记录与之类似。两个站点的P. obliquiloculata温跃层温度均显示MCA期间相对较低，而LIA期间升高，并持续至20世纪早期。统计分析表明，温跃层温度在MCA和LIA之间的差异具有统计学显著性（t检验P<0.01）。

**LIA期间ΔT_{surface-thermocline}最小，指示温跃层最深。** 将表层温度减去温跃层温度后，两个站点均在LIA期间出现过去千年最小的ΔT_{surface-thermocline}，表明区域温跃层达到最深。从MCA最大值到LIA最小值的变幅约为1.4°C。研究人员还通过平均1950年后数据评估20世纪下半叶趋势，结果与LIA以来PWC减弱及20世纪后期再次增强的观测相兼容。

**水文气候证据支持LIA期间PWC增强，但ΔSST记录存在复杂性。** 将CESM-HR强PWC降水异常与20个水文气候重建对比发现，LIA期间印度尼西亚群岛及邻近海域总体变湿，而中国东部和澳大利亚北部变干，这与强PWC的模拟结果大体一致。东印度洋GeoB10065-7岩芯的ΔT_{surface-thermocline}在LIA期间同样偏小，可归因于经印度尼西亚贯穿流传播的PWC信号。然而，更新年龄模型后的ΔSST记录显示LIA早期与PWC增强一致，但LIA中后期ΔSST明显减小，与水文气候和温跃层证据存在分歧；研究人员认为加拉帕戈斯附近SST记录的区域代表性可能有限，需更多东热带太平洋记录来确认。

讨论部分指出，LIA期间表层冷却与温跃层变暖的组合导致最小的ΔT_{surface-thermocline}，最有可能是PWC增强使西太平洋温跃层加深所致。东印度洋同期的类似变化支持该信号通过印度尼西亚贯穿流传播。尽管基于ΔSST的解释存在争议，但多个独立证据的权重使研究人员更为支持LIA期间PWC增强。研究结论强调，PWC强度与全球温度变化之间存在系统性关联：冷期PWC增强，暖期PWC减弱。这一结论与上新世、中新世温暖期PWC减弱及末次冰盛期PWC增强的古气候证据一致，也与模式预测的全球变暖背景下PWC减弱趋势相符，进而预期近几十年观测到的PWC增强趋势最终将发生逆转。