末次冰消期以来南大洋深部流通性与大气pCO2的关系及其控制机制
李铁刚1,2，王家凯3,4
(1.国家海洋局 第一海洋研究所；2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室；3.中国科学院 海洋研究所；4.中国科学院大学)
海洋在调节气候系统中发挥重要作用。作为地球最大的碳库，海洋碳储量是大气圈的50倍，陆地圈的20倍。工业革命以来人类活动产生的CO2中约一半被大洋所吸收，而其中大约40%又被南大洋吸收。另外，在海洋热存储当中，南大洋占了约一半的热量，故南大洋在全球气候变化中的重要地位可见一斑。
目前古海洋学家们认为，冰期时南大洋深层水是一个巨大的“碳储库”。末次冰消期时，随着南大洋冰盖消融，冰融水注入与西风带增强使南大洋深层水流通性也随之增强，冰期时储存在南大洋深部的CO2得以通过海水深部上涌释放到大气中，促使冰消期时大气pCO2上升，增强全球温室效应。可见，厘清控制南大洋深部流通性的机制，对于系统理解导致大气pCO2冰期-间冰期变化的原因并对未来全球变化趋势做出较为合理预测具有重要意义。
我刊密切关注国内南大洋古海洋学研究动向，特别邀请李铁刚研究员及其团队，撰文论述末次冰消期以来控制南大洋深部流通性的机制及其对大气pCO2变化影响的相关研究及进展。
封面图片：
本文相关图件被选做本期封面图片。图片为南大洋主要洋流与水体的运移路径及其发生相互混合作用的示意图。南大洋是地球上重要的水体交换区域，通过表层南极绕极流（ACC）、绕极深层水（CDW）与南极底层水（AABW）在不同水体和深海盆地之间进行着物质与热量的传输、运移和交换。末次冰消期以来，CDW流通性增强导致冰期时“收押”在南大洋深部的呼吸CO2释放到大气中，促进了末次冰消期以来大气CO2分压（大气pCO2）升高。威德尔海底层水（WSBW）与罗斯海底层水（RSBW）作为AABW的主要水源，其产量变化可影响AABW与CDW深部混合，继而影响CDW流通性。末次冰消期以来，AABW与北大西洋深层水（NADW）存在着“此消彼长”的机制，该机制最终导致“两极跷跷板”（Bipolar Seesaw）现象。详见本期综述《末次冰消期以来南大洋深部流通性与大气pCO2的关系及其控制机制》，图片由作者参考文中文献[69]。
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作者简介：
李铁刚，男，1965年生，研究员，博士生导师，国家海洋局第一海洋研究所所长。 主要从事海洋地质与古海洋学研究，近年来主持和参加30余项国家专项、973、国家自然科学基金和中国科学院知识创新重点项目等。获国家海洋局海洋工程科学技术奖特等奖1项，国家海洋局科技成果创新奖的一等奖1项、二等奖2项，中国科学院科技进步二等奖1项，中国科学院院长奖学金优秀奖1项，青岛市自然科学优秀论文奖等6项，中国科学院杰出科技成就奖1项。2001年享受国务院政府特殊津贴，2009年入选新世纪百千万人才工程。已出版中文专著3部，发表学术论文214篇，其中88篇被SCI\EI收录；同时在国内外诸多重要学术机构中的任职，曾任现任国际整合大洋钻探计划（IODP）科学指导委员（SSEP）委员、国际海洋研究委员会(SCOR)中国委员会委员、国际海洋研究科学委员会（SCOR）工作组成员等。主要学术成就和贡献包括，主持完成了我国第一幅完整的大比例尺渤、黄、东海底质沉积物类型图 (1:50万) ，揭示了东海北部海洋沉积体系的特征和形成历史，查清了冲绳海槽及邻近陆架古环境演化的历史背景，阐明了太平洋西部边界流的时空演变与强度变化过程对我国近海自然环境格局形成的影响。发现了“Heinrich事件在冲绳海槽的印记”，并提出“北大西洋和格陵兰等北半球高纬度区域的气候变化所引发的东亚季风强度在数百年或千年尺度的波动是冲绳海槽高频古气候和古海洋演化事件的主要机制”的观点。首次在低纬度西太平洋发现硅藻席沉积，并分析了其形成机理与环境背景。
论文摘要：
末次冰消期时,南大洋深层水流通性增强和大气CO2分压(大气pCO2)升高存在密切联系。该时期南大洋深部流通性增强的同时会伴随着大气与大洋环流模式的一系列变化,例如南半球西风带(Southern Hemisphere Westerly WindsBelt , SWW)位置和强度以及大西洋经向翻转流( Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC)强度的变化。一些关于控制南大洋流通性变化机制方面的研究发现, SWW 的经向摆动可对南大洋深部流通性产生强烈影响。末次冰消期时SWW南移,会强化南大洋风驱上升流,增强南大洋的通风。另一些研究认为AMOC变化对南大洋深部流通性具有更为强烈的影响,末次冰消期 时北 大西 洋 深层 水( North Atlantic Deep Water, NADW )生成减弱导致AMOC强度减弱,这一过程使得NADW与绕极深层水( CircumpolarDeep Water,CDW )的混合边界北移,从而减弱南大洋水体成层化,增强了南大洋深层水上涌。上述2种模式均可能引起南大洋深部流通状况的改变,并最终导致冰消期大气pCO2上升。除SWW与AMOC驱动南大洋深部流通状况的改变之外,最新研究发现南大洋罗斯海似乎可以通过其自身底层水的北向扩张与极向退却进一步影响南大洋深部流通状况。总的来说,控制南大洋深部流通状况的并非单一机制, SWW与AMOC 以及罗斯海底层水等诸多因素在控制南大洋流通状况变化的同时也会以不同的方式在一定程度上积极的响应大气pCO2的变化。
关键词：南大洋；末次冰消期；深部流通性；碳循环；控制机制
《海洋科学进展》与《海岸工程》编辑部
2018-05-22
