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| NG：追溯全球季風(fēng)的歷史--從潘吉亞超級季風(fēng)到現代全球季風(fēng) |
| 來(lái)源： 發(fā)布日期：2023-10-21 |
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國家自然科學(xué)基金基礎科學(xué)中心項目“大陸演化與季風(fēng)系統演變”骨干胡永云等基于系列數值模擬試驗及與地質(zhì)記錄的對比，研究了潘基亞超級大陸以來(lái)全球季風(fēng)與大陸面積、大陸位置及大陸裂解度的關(guān)系，在超級大陸旋回與超級季風(fēng)旋回的關(guān)系上取得新進(jìn)展。成果最近發(fā)表在Nature Geoscience上（https://www.nature.com/articles/s41561-023-01288-y）。 季風(fēng)由海陸溫差驅動(dòng)。夏季到來(lái)時(shí)，由于陸地升溫較海洋快，洋面濕空氣吹向陸地，在大陸形成降水。隨著(zhù)夏季結束，海陸溫差反轉，風(fēng)向也隨之反轉，雨季結束。這一季節性的降水和風(fēng)向反轉現象稱(chēng)為季風(fēng)。我國具有典型的季風(fēng)氣候，降水主要集中在夏季。
圖1、左側圖是氣候模式模擬的三個(gè)代表性地質(zhì)時(shí)期季風(fēng)區（綠色）和干旱區（黃色）分布，箭頭代表北半球夏季近地面氣流，黃色圓點(diǎn)表示蒸發(fā)巖記錄，藍色圓點(diǎn)表示煤的記錄。a: 2.4億年前的潘吉亞超大陸時(shí)期，b：8千萬(wàn)年前的晚白堊紀時(shí)期，c：現代。右側圖三個(gè)相應時(shí)期的海陸分布。Ma: million years ago，PI: Pre-industrial。 現代全球季風(fēng)系統由6個(gè)區域季風(fēng)組成（圖1c），雖然這些區域季風(fēng)有著(zhù)各自的特性，但也具有共同的時(shí)空變化屬性。這正是前人提出的“全球季風(fēng)”概念的重要性所在。從全球季風(fēng)視角揭示不同區域季風(fēng)系統演化的異同與動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)，則是地球系統科學(xué)研究的重要切入點(diǎn)之一。 在過(guò)去的2.5億年，大陸演化經(jīng)歷了潘吉亞超級大陸（聯(lián)合大陸）的裂解和再匯聚過(guò)程。隨著(zhù)板塊運動(dòng)和海平面的變化，大陸面積也經(jīng)歷了減小和再擴大的過(guò)程。大陸演化如何影響全球季風(fēng)系統的演變？現今的區域季風(fēng)與大陸演化引發(fā)的超級季風(fēng)旋回具有怎樣的聯(lián)系，正是該項研究的核心科學(xué)問(wèn)題。 使用海氣耦合地球系統模式（CESM1.2.2），團隊針對過(guò)去2.5億年開(kāi)展了系列氣候平衡態(tài)模擬試驗（每1千萬(wàn)年一個(gè)模擬試驗），揭示出潘基亞聯(lián)合大陸以來(lái)全球季風(fēng)演化可劃分為三個(gè)主要階段：（1）在潘吉亞超大陸時(shí)期（圖1a），全球陸地季風(fēng)區面積較大（即潘吉亞“超級季風(fēng)”），但季風(fēng)區降水強度總體較弱；（2）到白堊紀時(shí)期（圖1b），大陸裂解最充分，大陸面積由于海平面上升也達到最小，陸地季風(fēng)區面積較小，但季風(fēng)降水強度較大；（3）新生代期間（圖1c），大陸板塊重新開(kāi)始匯聚，且面積增大，陸地季風(fēng)區面積變大，但季風(fēng)降水強度減弱。 這些結果說(shuō)明：（1）全球季風(fēng)系統在構造尺度上的演化不僅與構造隆升等因素有關(guān)，超級大陸旋回中大陸面積、位置及裂解度變化對全球季風(fēng)演化具有非常關(guān)鍵的作用；（2）陸地季風(fēng)區面積主要由陸地面積決定（尤其是熱帶大陸面積），而降水強度主要由大陸裂解度決定，全球陸地季風(fēng)區面積與季風(fēng)降水強度呈高度反相關(guān)關(guān)系（圖2）；（3）與大陸面積、位置及裂解度的作用相比，構造時(shí)間尺度上的溫度和CO2濃度變化對季風(fēng)區面積和降水影響不大；（4）現代全球季風(fēng)系統與新生代以來(lái)大陸新一輪的匯聚有密切的關(guān)系，而并非直接源于潘吉亞時(shí)代的超級季風(fēng)。 這些結果為未來(lái)研究不同地質(zhì)時(shí)期的古季風(fēng)提供了新的啟示。由于大陸演化對季風(fēng)系統演變的調控不僅影響區域氣候，其導致的季風(fēng)區變化對不同地質(zhì)時(shí)期生態(tài)系統演變、化學(xué)風(fēng)化-全球碳循環(huán)的關(guān)系及外生礦床形成均具有重要影響。
圖2、過(guò)去2.5億年全球陸地季風(fēng)區面積（藍色線(xiàn)）和季風(fēng)降水強度（橘黃色線(xiàn)）的變化。左側垂直坐標是陸地季風(fēng)區面積占地球表面積的百分數，右側垂直坐標是陸地季風(fēng)區年均降水量。實(shí)線(xiàn)代表控制試驗結果，虛線(xiàn)代表固定CO2濃度和太陽(yáng)常數試驗結果。 在基礎科學(xué)中心項目“大陸演化與季風(fēng)系統演變”立項時(shí)，根據前人和團隊已有科學(xué)線(xiàn)索提出一個(gè)工作假說(shuō)：即地球歷史上的季風(fēng)-干旱演化具有旋回性，與地球的超級大陸旋回有密切的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)。超級大陸往往有超級季風(fēng)和超級荒漠陪伴；而裂解的大陸會(huì )導致不同屬性的區域季風(fēng)出現。在當今地球大陸演化的進(jìn)程中，北半球廣闊的歐亞大陸在很大程度上可看做是新一輪超級大陸的雛形；而現今強盛的東亞季風(fēng)和亞洲內陸荒漠正是新一輪超級季風(fēng)和超級荒漠的雛形（郭正堂，2017）。胡永云和郭正堂團隊的上述工作為項目工作假說(shuō)的驗證邁進(jìn)了重要的一步。 除該項研究外，胡永云團隊在基礎科學(xué)中心項目的資助下，還取得了一系列其它重要成果，均發(fā)表在國際高水平刊物上。這些成果包括：（1）對顯生宙氣候演變開(kāi)展了系統的模擬研究，結果已向國際同行公開(kāi)（Li et al., 2022），成為全球僅有的兩組顯生宙氣候模擬研究之一；（2）揭示出海陸分布對熱帶輻合帶位置具有關(guān)鍵控制作用（Han et al., 2023）；（3）基于數值模擬結果與地質(zhì)記錄的結合，展示了1.83億年前的Toarcian極熱事件期間，特提斯洋沿岸曾存在超強臺風(fēng)（Yan et al., 2023）；（4）發(fā)現在潘吉亞超大陸暖期，哈德雷環(huán)流有變寬和變弱的趨勢（Zhang et al., 2023），為理解現代全球變暖條件下哈德雷環(huán)流的變化趨勢提供了啟示；（5）揭示出煤及蒸發(fā)巖形成與氣候環(huán)境（溫度和降水）的定量關(guān)系，顯示出這些定量的溫度和降水指標在煤和蒸發(fā)巖等外生礦床預測中具有很好的潛力（Bao et al., 2023）。 1.Yongyun Hu*, Xiang Li, William R. Boos, Jiaqi Guo, Jiawenjing Lan, Qifan Lin, Jing Han, Jian Zhang, Xiujuan Bao, Shuai Yuan, Qiang Wei, Yonggang Liu, Jun Yang, Ji Nie, and Zhengtang Guo*, 2023, Emergence of the modern global monsoon from the Pangea Megamonsoon set by paleogeography. Nature Geoscience, https://www.nature.com/articles/s41561-023-01288-y 2.郭正堂, 2017, 黃土高原見(jiàn)證季風(fēng)和荒漠的由來(lái). 中國科學(xué):地球科學(xué), 47(4): 421–437, https://doi.org/10.1360/N072017-00037 3.Jing Han, Ji Nie*, Yongyun Hu*, William R. Boos, Yonggang Liu, Jun Yang, Shuai Yuan, Xiang Li, Jiaqi Guo, Jiawenjing Lan, Qifan Lin, Xiujuan Bao, Mengyu Wei, Zhibo Li, Kai Man, Zihan Yin, 2023, Continental drift shifts tropical rainfall by altering radiation and ocean heat transport. Science Advances, 9(10), https://doi.org/10.1126/sciadv.adf7209 4.Qing Yan, Xiang Li, David B. Kemp, Jiaqi Guo, Zhongshi Zhang, Yongyun Hu*, 2023, Elevated atmospheric CO2 drove an increase in tropical cyclone intensity during the early Toarcian hyperthermal. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 120(29), e2301018120, https://doi.org/10.1073/pnas.2301018120 5.Shiyan Zhang, Yongyun Hu*, Jun Yang, Xiang Li, Wanying Kang, Jian Zhang, Yonggang Liu, Ji Nie, 2023, The Hadley circulation in the Pangea era. Science Bulletin, 68(10): 1060–1068, https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.04.021 6.Xiujuan Bao, Yongyun Hu*, Christopher R. Scotese, Xiang Li, Jiaqi Guo, Jiawenjing Lan, Qifan Lin, Shuai Yuan, Mengyu Wei, Zhibo Li, Kai Man, Zihan Yin, Jing Han, Jian Zhang, Qiang Wei, Yonggang Liu, Jun Yang, Ji Nie, 2023, Quantifying climate conditions for the formation of coals and evaporites. National Science Review, 10(6), https://doi.org/10.1093/nsr/nwad051 7.Xiang Li, Yongyun Hu*, Jiaqi Guo, Jiawenjing Lan, Qifan Lin, Jian Zhang, Xiujuan Bao, Shuai Yuan, Mengyu Wei, Zhibo Li, Kai Man, Zihan Yin, Jing Han, Jian Zhang, Chengguang Zhu, Zhouqiao Zhao, Yonggang Liu, Jun Yang, Ji Nie, 2022, A high-resolution climate simulation dataset for the past 540 million years. Scientific Data, 9:371, https://doi.org/10.1038/s41597-022-01490-4
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