东亚冬季风是沟通北半球高、低纬气候系统的重要纽带，对东亚以及西太平洋等广泛地区的环境变化具有多重影响。冬季风的强度波动直接影响了东亚地区冬季大气环境质量的变化，冬季风活动增强有利于大气污染物的快速消散，但极强的冬季风活动会引发一系列极端天气事件，对社会经济发展带来一定的损失。深入理解东亚冬季风的活动规律有助于科学应对冬季风活动所诱导的极端天气事件。
探索地质历史时期东亚冬季风的演化特征和驱动机制对于理解未来冬季风活动规律具有重要指导意义。目前对于地质历史时期东亚冬季风研究的时间尺度主要集中在第四纪以来。前人对于这一尺度东亚冬季风的演化特征和规律的研究程度较为成熟，但对于更长时间尺度的冬季风演化历史还存在较大的研究空间。晚中新世期间全球气候和构造格局发生了一系列显著变化，这为探索东亚冬季风演化与全球变化和构造运动的关系提供了重要的时间窗口。已有的晚中新世东亚冬季风重建记录主要集中在中国黄土高原和东亚大陆边缘海（例如：中国南海、日本海等）。为了进一步约束晚中新世东亚冬季风演化历史和驱动机制，中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室大洋岩石圈课题组张强副研究员联合国内外多家研究机构对西北太平洋DSDP 578岩心晚中新世沉积物开展了系统的环境磁学、沉积学和地球化学研究，基于多指标重建了晚中新世东亚冬季风演化历史，同时结合古气候模拟系统评估了全球气候变化和构造运动等因素对晚中新世东亚冬季风演化的调控作用。
西北太平洋位于东亚冬季风的下行风向（图1），地质历史时期来自亚洲内陆地区的风尘颗粒在风力搬运下向太平洋输送，并保存在深海沉积物中。近年来的卫星监测资料显示东亚冬季风是亚洲风尘向西北太平洋地区输送的主要传输介质。海洋沉积物具有沉积环境稳定、沉积连续、时间跨度大、不受河流物质影响等诸多优势，因此西北太平洋深海沉积物成为探索东亚冬季风演化的理想研究材料。
图1 DSDP 578岩心位置图与北半球冬季大气环流图
研究人员首先基于地球化学和沉积学指标的变化进一步证实了DSDP 578岩心晚中新世沉积物记录了可靠的东亚冬季风携带风尘输入历史。在此基础上，为了提高冬季风重建结果的可靠性，研究人员从风力强度和源区风化程度两个角度，基于多指标重建了晚中新世9.0Ma以来东亚冬季风的演化序列（图2）。新记录显示晚中新世期间东亚冬季风具有显著增强趋势。中国黄土高原和东亚大陆边缘海的部分已重建记录也显示出东亚冬季风在晚中新世具有增强的特征。基于DSDP 578岩心的新记录证明了晚中新世期间东亚冬季风具有从内陆到深海大洋的大空间尺度的增强特征。
图2 DSDP 578岩心基于多指标的东亚冬季风演化记录重建
在新记录的基础上，研究人员基于古气候模拟系统评估了大气二氧化碳下降、中亚造山带和东北青藏高原隆升、南极冰盖扩张等因素对晚中新世东亚冬季风的驱动作用（图3）。模拟研究发现，在上述因素中，大气二氧化碳下降对晚中新世西北太平洋地区冬季风的增强起主导作用（图3b）。中亚造山带和东北青藏高原隆升对东亚冬季风的影响在内陆地区较为显著（图3c）。尽管高原隆升在西北太平洋地区对冬季风的促进作用不如大气二氧化碳下降，但其在亚洲季风格局建立方面仍然发挥了关键作用。此外，模拟还发现南极冰盖扩张对晚中新世西北太平洋地区东亚冬季风的影响较弱（图3d）。
图3 古气候模拟结果
该研究利用西北太平洋深海沉积物重建了高精度的晚中新世以来东亚冬季风演化序列，为目前黄土高原和边缘海地区已有的重建记录提供了重要补充。新记录极大程度地扩展了对晚中新世东亚冬季风演化理解的空间尺度。同时，研究结合系统的古气候模拟发现了大气二氧化碳波动在晚中新世东亚冬季风大空间尺度增强中所发挥的关键调控作用。
研究成果发表于Science Advances（Qiang Zhang, Ran Zhang, Qingzhen Hao, Peter D. Clift, Andrew P. Roberts, Fabio Florindo,Qian Li, Jianxing Liu, Ze Liu, Ke Gui, Huizheng Che, Shuangchi Liu,Qingqing Qiao,Lixia Ju, Chunsheng Jin, Chuanzhou Liu, Qingsong Liu, Wenjiao Xiao, Zhengtang Guo. East Asian winter monsoon intensification over the Northwest Pacific Ocean driven by late Miocene atmospheric CO2 decline[J]. Science Advances, 2024, 10(25): eadm8270. DOI: 10.1126/sciadv.adm8270.）
编辑：万鹏