利用砗磲重建南海北部小时分辨率气候变化初探

Extreme weather and climate events such as rainstorm, tropical cyclone, high temperature, cold wave are important characteristics of the climate system, and they usually have enormous destructive power for local environment and ecosystem although they just last for a few hours/days. Thus exploring the law and mechanism of extreme weather and climate events is essential for climate prediction and disaster prevention. However, the instrumental climate data, usually less than 150 years, are too short to get enough information about the histories and dynamics of extreme weather and climate events under different boundary and climatic background. Tridacna, the largest bivalve species of the global ocean, has the daily growth bands in its carbonate shell, and can be subsampled and analyzed to get hourly resolution geochemical records using a laterally high-resolution secondary ion mass spectrometer (NanoSIMS). In this study, we will first try to extract the climate signal from the hourly geochemical records of modern Tridacna shells collected from the Xisha Islands, South China Sea. And then, based on the modern calibration, we will reconstruct the hourly climate changes in South China Sea during the past several thousands years, especially in typical warm and cold periods such as Little Ice Age, Medieval Climate Anomaly, Roman Warm Period, etc.

气候/天气瞬时极端事件（如暴雨、寒潮、台风等）是气候系统的重要特征，通常发生在小时-天的时间尺度上，但是却会给局地环境和生态系统造成极大的破坏。因此利用现代器测资料和古气候记录，查清这些事件的发生规律和机制，对于灾害预防和气候的可预测性具有重要意义。砗磲是海洋中最大的双壳类，其碳酸盐壳体具有清晰的日生长纹层，且日纹层厚度达10-60μm。在近期工作中，课题组利用纳米离子质谱（NanoSIMS）获得了南海砗磲小时分辨率的元素地球化学记录，并发现其有潜力记录南海北部小时分辨率的温度变化以及台风、寒潮等瞬时天气/气候事件。据此，本项目计划首先开展南海西沙现代砗磲小时分辨率元素地球化学分析，并结合现代器测资料查明其气候意义。随后，选取生长于典型温暖期和寒冷期的砗磲样品，尝试重建不同气候背景下南海北部小时分辨率的气候变化历史，分析其规律和机制，为预测未来全球变暖预期下南海气候的发展趋势提供科学依据。

极端天气事件，如寒潮、台风等，通常会给生态系统和人类生命财产安全带来巨大危害，是全球变化研究的重点问题。但是由于现代器测资料记录有限，目前对短尺度极端天气事件的认识和未来预测还存在较大不确定性。古气候资料是现代器测资料的重要补充，但大多数古气候记录无法完整准确地记录发生时间很短的极端天气事件（如寒潮、台风等）。砗磲具有年生长纹层、天生长纹层，天纹层宽度约10-60μm，是一种优良的高分辨率古天气载体。本项目利用激光共聚焦扫描显微镜（LSCM）成像技术与纳米二次离子质谱（NanoSIMS）对南海现代砗磲小时分辨率生物地球化学指标进行测试分析，建立了砗磲天分辨率年代学框架，查明了砗磲小时-天分辨率Fe/Ca、Ba/Ca、天纹层宽度、天纹层荧光强度的环境、天气指示意义，完成了现代校准，并挑选了典型气候时期化石砗磲对极端天气事件进行重建，开拓了古天气研究新方向。项目执行期间，以第一/通讯作者在PNAS、EPSL、海洋地质与第四纪地质等期刊上发表标注资助论文17篇，其中SCI论文14篇，授权专利一项，研究工作得到国内外同行的广泛关注。此外，培养研究生13名；项目负责人晏宏于2020年获国家杰出青年基金资助，2021年获刘东生杰出青年奖，2022年获中国科学院青年五四奖章；项目组成员刘成程、韩韬于2021年获基金委青年基金资助；项目组成员石歌于2022年获基金委青年基金资助。