近2 000年南海北部海表温度变化特征及其对全球变暖的启示

肖杭芳，邓文峰，韦刚健*

(1.中国科学院 广州地球化学研究所，同位素地球化学国家重点实验室，广东 广州 510640；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049)

中国南海是热带西太平洋最大的一个半封闭式边缘海，其南北两边分别通过狭窄的海峡与周围的海域连接在一起(图1).南海北部气候的季节性明显，SST变化受到亚洲夏季风和冬季风的强烈控制[18].由于靠近西太平洋暖池(West Pacific Warm Pool，WPWP)，其年际间的SST变化还会受到厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation，ENSO)的影响[19].此外，南海北部岛礁众多，生态系统丰富多样，能够为高分辨率SST重建提供大量的样品，如造礁珊瑚和砗磲等.一直以来,造礁珊瑚都被用作古气候重建的载体，且其相较于其他古气候研究载体具有独特且不可替代的优势：1) 珊瑚的生长速度较快，一般可以达到每年10～20 mm，因此可以利用它获取月甚至周级别时间分辨率的样品[20-21]；2) 珊瑚的生长界线十分清晰，它具有类似树木年轮的生长年纹，可以提供良好的年际和季节时间标尺[22]；3) 其骨骼中的Sr/Ca元素比值能够稳定地提供高分辨率SST数据，并被广泛用于热带海洋高分辨率古SST重建[23-26].而与珊瑚一样同属海洋生物碳酸盐类的砗磲近年来也被发现能够精确地反映古气候信息.砗磲是海洋中最大的双壳类，寿命可达100年[27].与珊瑚骨骼类似，它的文石质贝壳中的一些地球化学组成(如Sr/Ca元素比值)能够与海水温度建立起非常好的定量关系[28-31]，因此利用砗磲也能够获取过去的海水温度变化信息.在过去的十几年中，在南海北部区域针对这两种不同载体的高分辨率SST记录研究也陆续开展起来.然而，由于目前已发表的研究数据比较零散、不连续，且相互之间的可比性不足，系统性较差，无法勾勒出比较清晰的南海北部近2 000 年来的SST变化格局.因此，为了给将来的工作提供参考依据，本文中对现有的基于珊瑚和砗磲的南海北部近2 000 年高分辨率SST记录的研究进行回顾和总结，进而探讨有关全球变暖的一些核心问题，并对下一步的研究提出展望.

1 高分辨率SST记录的重建

1.1 样品信息与重建方法

本文中涉及到的珊瑚和砗磲样品分别采集于雷州半岛、海南岛和西沙群岛附近的海区(图1)，其中包括8个珊瑚样品(14FJ12、DL-05R、11QG3、11QG1、YX2-1、11LW2、13OC4和11LW4)和2个砗磲样品(DD1和SD1)，样品的详细信息见表1.8个珊瑚样品对应覆盖的年龄范围分别为AD167—309、AD489—500、AD1063—1087、AD1129—1255、AD1404—1406、AD1628—1657、AD1702—1772和AD1853—2011；2个砗磲样品则对应在AD50和AD990时期分别持续15和11年的时间序列[13，30，32-35].珊瑚样品DL-05R和YX2-1及砗磲样品DD1和SD1以月分辨率进行取样，其他的珊瑚样品均以年分辨率进行取样.所有的样品都通过用现代样品与器测数据联合建立的Sr/Ca-SST温度方程进行古SST重建.为了更直观地进行观察和比较，本文中将4段月分辨率的SST序列换算成年分辨率的结果并一起绘图.由于夏季最高月均SST和冬季最低月均SST能最直接地表现暖、冷气候条件，且受非线性生长速率的影响相对较小，因而能提供可靠的气候信息.换算的方法如下：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进行替代(因为冬季的取样接近月分辨率)，SMT利用夏季最高SST附近2～3个点的SST求平均值获得(因为夏季的取样接近1～2周分辨率)；然后利用WMT和SMT的平均值将月分辨率的SST记录换算成年分辨率的SST结果[36].

(a)雷州半岛、海南岛、西沙群岛的地理位置；(b)本文中样品采集的地理位置.

表1 珊瑚及砗磲样品的详细信息及SST重建详细结果

注：相对变化指的是相对于原文中提供的现代器测SST平均值或从现代样品中重建的现代SST值的差值.

为了解近2 000年来南海北部SST的整体变化趋势，本文中将上述10个短期记录进行整合，这种将短时间尺度的生物碳酸盐记录串连起来构成千年尺度长期记录的方法已有报道[37-39].本文中的合成方法参考Yan等[39]的经验，由于10个样品来自几个不同的海区，海水温度存在地区差异，如果直接使用重建的SST结果进行结合，会使合成的曲线与真实情况出现较大偏差.因此本文中选择使用海表温度异常(sea surface temperature anomaly，SSTA)来拼接10段SST记录.首先将每个时段的年SST值进行平均，得到代表各时段的多年SST平均值，然后将每个多年SST平均值减去各地区相应的现代多年SST平均参考值,得到一个相对变化值(表1),即SSTA，每个时段的SSTA所对应的年份用相应时段的中间点替代，最后将这10个SSTA值连接起来得到南海北部近2 000 年SST变化趋势线.该合成方法虽然会造成部分具体年份的变化特征丢失，但是短期的具体气候信息特征对于长时间尺度上的趋势分析来说影响不大，因此这样的合成方法对于判断变化趋势来说是可行的.

1.2 SST时间序列的重建结果

图2为使用珊瑚和砗磲Sr/Ca元素比值这一代用指标重建的AD43—57、AD167—309、AD489—500、AD985—995、AD1063—1087、AD1129—1255、AD1404—1406、AD1628—1657、AD1702—1772和AD1853—2011这10个时段的南海北部年分辨率的SST时间变化序列.

重建结果显示：在南海北部地区AD43—57为气候十分温暖的时段，年SST平均值高达28.7 ℃，相对变化达到1.4 ℃，符合该时段所处的罗马暖期时段(Roman Warm Period，RWP；BC200—AD400)[30]的气候特征；紧接着的AD167—309和AD489—500这2个时段为气候寒冷时段，年SST平均值分别为25.1和22.7 ℃，相对变化分别为-0.7和-2.0 ℃[33-34]；而到了AD985—995、AD1063—1087和AD1129—1255这3个时段，气候又变得相对暖和，刚好对应于MWP(AD900—1300)，年SST平均值分别为28.1，26.2和26.6 ℃[13，30]，相对变化分别为0.8，0.4和0.8 ℃；AD1404—1406这3年的记录在统计学上实际意义不大，但是从其重建的温度上看，年平均SST低于现代参考值，是一个气候偏冷时期[32]，而这一时期也恰好处于MWP向LIA的过渡阶段；另外2个处于LIA时段的重建结果显示，AD1628—1657和AD1702—1772期间，年SST分别在24.7～27.1 ℃和23.4～26.4 ℃之间变化，平均值分别为25.8和24.8 ℃[13]，SST偏低，就变化幅度而言，AD1628—1657期间的SST平均值与现代相差不大，但是AD1702—1772期间的SST平均值比现代偏冷1 ℃ 左右；最后AD1853—2011期间的SST在波动中持续升高，是一个SST迅速升高的时期[35].

图2 本文中使用的8个珊瑚和2个砗磲记录重建的SST时间序列

2 近2 000年高分辨率SST记录的合成与对比

图3为用10个SSTA点合成产生的近2 000年南海北部SST变化的趋势线.可以看到在过去2 000 年中，南海北部SST的总体变化趋势呈现出“W”形状，在“温暖—寒冷—温暖—寒冷—温暖”波动中变化，包含3个暖期和2个冷期.2个冷期中一个是著名的LIA；而另一个则集中在公元年早期几个世纪，为中国历史上东汉、三国、西晋及南朝时段，从变冷的幅度上看，这个冷期的寒冷程度甚至超过了LIA.这也得到了来自中国历史文献中物候记录的支持[40-41].3个暖期分别对应于公元年初期的RWP、MWP和CWP时段，其中最暖的时期是RWP，相对变化幅度高达1.4 ℃，这可能是因为在该时期统计的数据比较少(15年)造成的.对MWP和CWP的统计结果则是建立在较多数据点上，从图3可以看到这2个时段的平均偏暖幅度几乎一致.

图3 利用珊瑚和砗磲重建记录合成的过去2 000年南海北部SST变化趋势线

(a)本文中合成趋势线与曲线；(b)本文中合成趋势线与composite Mg/Ca-SST曲线.

3 近2 000年SST变化的影响因素

目前，南海北部SST变化的影响因素被认为主要有以下几方面：

1) 受火山活动的影响.火山活动被认为是影响短期气候变化的重要因子之一[49]，大规模火山爆发释放出的大量火山灰和气溶胶到达平流层，从而阻挡了地球表面对太阳辐射的接收，使气候变得异常寒冷[49].此外，即使是远离南海北部地区的火山喷发活动也能够对南海北部的SST产生间接影响.研究者们发现大西洋地区超大规模火山活动会造成大西洋的经向翻转环流变弱，从而引发北冰洋的海冰扩张，致使亚洲的冬季风增强和夏季风减弱[47，50-52].图5-a中展示了Gao等[53]利用冰芯重建的火山活动信息，由于火山活动的影响时效较短，很难与图5-b的趋势线进行精细对比，但是从图中可以大致看到几次大的硫酸盐通量激增事件也恰好落在了SST较低的期间，或者落在了SST由高值点向低值点下降的过程中.此外，在已有研究得到的更精细的SST变化序列中确实发现了火山活动对SST变化的影响，如Kong等[47]发现AD1260—1280和AD1420—1450的2次冷事件与硫酸盐通量的激增有很好的对应关系.

2) 受东亚季风(East Asian Monsoon,EAM)强度的影响.风的季节性变化对该地区短期和长期的水文、化学及沉积循环发挥着重要的作用[18]，最重要的是，它对南海地区的表面洋流循环起到关键的调节作用.夏季时，西南向的夏季风驱动南部温暖的海水向北移动，使得南海北部地区夏季SST升高；冬季时，东北向的冬季风驱动一个向南移动的洋流，将北部寒冷的海水带到南海北部地区，并导致该地区冬季具有低的SST[36].因此，当东亚夏季风(East Asian Summer Monsoon,EASM)减弱或者冬季风增强时，南海北部的SST就会偏低；反之，当EASM增强或者冬季风减弱时，南海北部的SST就会偏高.EAM与南海北部SST之间的这种联系在图5中很好地展示了出来.2014年，Sagawa等[54]利用有孔虫中的氧同位素(δ18O)变化反演了过去6 000年来东亚冬季风(East Asian Winter Monsoon,EAWM)强度的变化趋势.截取其中近2 000年来的数据(图5-c)，并与本文中重建的近2 000年南海北部SST变化趋势(图5-b)进行对比，结果发现EAWM强度与SST之间具有较好的负相关关系：强的冬季风强度往往对应于低的SST值，如在公元5世纪至8世纪期间强盛的冬季风导致同期SST的大幅度降低；而弱的冬季风强度往往对应于高的SST值，如在MWP期间，异常高的SST恰好对应于衰弱的EAWM强度.

3) 受ENSO周期的影响.研究表明ENSO与WPWP的变化紧密相关[55]，而WPWP及其周围地区的气候也会受到ENSO的影响[56].中国南海北部紧邻WPWP，其SST的年际间变化会受到ENSO的远程调控[36]，这一点在近2 000年的SST变化研究中也有发现，如Xiao等[34]和Deng等[35]分别在AD167—309和AD1853—2011的SST记录谱分析中发现了2～7周年的ENSO周期信号.

a.全球范围内总的平流层硫酸盐气溶胶注入量；b.本文中重建的近2 000年南海北部SST变化趋势线；c.北太平洋西部的沉积物钻孔SK-2核心中有孔虫的标准化后δ18O值；d.经过200年滑动平均后的基于冰芯中宇宙成因10Be重建的近2 000年的太阳总辐照度变化(ΔTSI)值.

4) 受太阳活动的影响.太阳活动是地球表层能量的主要来源，因此太阳活动会对地球气候系统产生影响[57].作为太阳活动的一个主要指标，TSI在年代际至千年时间尺度上的变化都有可能会影响地球气候系统[58]，它能够通过对所有季节日晒量的直接调节间接对SST进行调节[47].为了验证这一关系，使用经过200年滑动平均后的基于冰芯中宇宙成因10Be信号重建的近2 000年的ΔTSI值[59]与本文中合成的SST变化趋势线变化进行对比(图5-b和-d)，结果发现近2 000 年南海北部的SST记录与TSI数据的波动模式有很好的正相关关系，高的SST通常对应于高的ΔTSI值，SST值降低的时期内ΔTSI值也呈现出相似的下降趋势.此外，Deng等[13]的研究结论也证明了这一观点，发现AD1628—1657和AD1702—1772时段所对应的LIA时期恰好与蒙德太阳黑子极小期的时间一致，因此认为低的SST是受到了太阳活动的直接影响.

5) 受人类活动的影响.人类活动对SST的影响主要体现在工业革命以后，大量温室气体的排放使得地球温度在短期内迅速升高[15].

4 从近2 000年SST变化的角度看全球变暖

服务于当前气候评估和未来气候趋势预测是重建过去2 000年南海北部SST变化记录的最主要目的，其中对当前气候评估的重点是全球变暖.全球变暖是当今世界最引人关注也是最有争议的话题之一[60].IPCC在其第5次报告中明确指出过去的30年中，每10年的地球表面温度都依次比前一个10年的温度高，并认为人为驱动因素是20世纪中叶以来观测到气候变暖的主要原因[15].但针对这种观点，非政府间气候变化专门委员会(Nongovernmental International Panel on Climate Change，NIPCC)提出了反驳，认为温度升高是自然现象，与人类的关系不大[61].气候系统升温是毋庸置疑的，解决争议的关键还在于对2个核心问题的认识上：1) 当今是否是全新世最暖的时期？2) 人类排放是否是现代变暖的主要原因？针对这2个问题，本文中试图从南海北部近2 000 年的SST变化记录中予以回答.

4.1 从千年尺度上看全球变暖现象

在图3中已经得到了中国南海北部近2 000年的SST变化趋势概况，可知南海北部在过去的2 000 年是在5个冷暖期之间的转变过程(温暖—寒冷—温暖—寒冷—温暖)，而这5个阶段的划分与前人对历史时期中北半球的气候冷暖时期划分很类似，即将近2 000年的气候变化划分为5个冷暖时段，分别是：RWP(约从公元前1世纪至4世纪中期)、黑暗时代冷期(Dark Age Cold Period，DACP；约从4世纪末到10世纪前期)、MWP(约从10世纪中期到13世纪末期)、LIA(约从15世纪到19世纪)和CWP[9，62-65](图6).可以看出，虽然本文中的冷暖时段划分与前人的划分不完全相同，但从过去千年尺度的SST变化上看，气候的变化确实是在多个冷暖时期之间来回转变的过程，当前的全球变暖恰好是气候从寒冷阶段(LIA)向温暖阶段转变的一个快速升温过程，温暖的程度也没有超过历史上的其他暖期，至少目前看来与MWP平均温暖程度接近(甚至更低[30，47])，并低于RWP时段.这一升温过程与历史上的其他气候由寒冷阶段向温暖阶段的转变过程相似(如从DACP向MWP的转变)，它并不是唯一的.

4.2 从历史相似型上看全球变暖现象

要明确人类活动是否是CWP变暖的主要原因，最好的办法就是将当前暖期与气候历史上不受人为因素控制的相似型暖期进行对比研究，找出其相同和差异之处.在以往的研究中通常都将MWP看作CWP的相似型[66-67]，因此本文中参考前人经验，将属于MWP时段的AD1129—1255和属于CWP时段的AD1853—2011这2段基于珊瑚的SST进行了详细对比(图7).结果发现CWP和MWP最明显的相同之处在于它们具有相同的长期年SST平均值，均为26.6 ℃(表1).而不同之处有以下两点：1) CWP具有比MWP更大的变化幅度，CWP的年SST在23.4～29.1 ℃之间变化，振幅为5.7 ℃；MWP的年SST在24.9～28.8 ℃ 之间变化，振幅为3.9 ℃(表1).2) CWP 相较于MWP具有明显更快的变化频率，在MWP时SST波动以42年长期年代际周期为主，但在CWP时SST变化则以3～4年的年际周期为主(图7(b)和(d)).

(a)本文中冷暖时期划分；(b)前人冷暖时期划分，据文献[63]绘制，有改动.

(a)和(b)MWP期间的SSTA与谱分析结果；(c)和(d)CWP期间的SSTA与谱分析结果.(b)和(d)中紫色和绿色线分别表示95%和90%置信水平，图中标示数字表示通过95%显著性检验得出的显著周期.

自MWP以来，南海北部的区域地质环境一直比较稳定，并未发生过强烈的改变洋流方向或其他自然条件下的重大地质事件[68-69]，因此CWP与MWP在自然条件上应该是相似的；不同的是，CWP相对于MWP受到了更强烈的人为因素干扰.从CWP与MWP的相同之处看，在叠加了更强烈的人为因素干扰后，并没有使南海地区SST的升高空前加剧，也没有显著超出历史其他暖期；从不同之处看，人为因素干扰的加入却有可能明显改变SST的波动幅度和周期性，使气候变得更加“极端”，且常在“极端热”和“极端冷”之间突变，这会对人类的生产和生活造成很大的影响.

5 总结与展望

本文中通过对南海北部10段近2 000年高分辨率SST记录的汇总和重新计算，得出以下几点认识：

1) 由10个时段的SSTA构成的近2 000年SST变化趋势与南海北部低分辨率的近2 000年SST变化趋势十分相似，将该地区的冷暖变化划分成“暖期—冷期—暖期—冷期—暖期”5个阶段.

2) 影响南海北部SST变化的因素有很多，短期上主要受到火山活动、东亚季风以及ENSO的影响，长期上它还受到太阳活动的调控，此外人类活动在工业革命后对南海北部地区的SST变化产生了强烈的干扰.

3) 当前全球变暖是自然变化和人为干扰的共同结果，强烈的人为干扰的叠加并没有使SST升高空前加剧，但它改变了SST的变化周期和幅度，使得SST的变化幅度变大、频率加快，给人类的生产和生活带来影响.

然而，已有的这些进展与北半球高纬度陆地区域的气候变化研究相比较缓慢，急需进一步加强.后续的研究重点首先应该放在补充、完善近2 000年所缺的南海北部高分辨率SST变化资料库上；其次是对南海北部近2 000年特征气候时段的时间进行精确划分；再者是要利用先进的地球系统模式开展敏感性数值试验，辨析不同强迫因子是如何控制SST变化的，明确它们之间的联系，特别是人类活动在其中所起到的作用.