编者按：此稿将在“中国科学”刊载，我们先在实验室网站刊登，以飨读者。
全球季风与大洋钻探
汪品先 田军 黄恩清
摘要
全球季风已成为近年来气候变化研究的一个新热点。国际“过去全球变化（PAGES）”组织建立“全球季风”工作组开展了10年研究，国际大洋钻探组织(IODP)在各大洋用了7个航次探索季风。2017年9月，“全球季风长时期记录学术研讨会”在上海举行，各航次的首席科学家和众多研究季风的专家聚首一堂，提出季风是全球水文循环和气候变化的关键环节，建议将全球季风和水文循环列入新一轮大洋钻探的科学主题。
关键词：季风，水文循环，低纬过程，大洋钻探，气候变化
从第四纪冰期起步的古气候学，历来将北半球冰盖作为研究的核心，大洋钻探的古气候学、古海洋学研究也不例外，然而近二十多年来，低纬地区古季风的研究却变得重要起来。大洋钻探在1996年编制的科学计划里，气候环境的主题是北极冰盖、海平面和大洋传送带，提到了信风和厄尔尼诺, 并没有季风二字。 2001年制定的科学计划里，突出了极端气候和快速气侯变化，但还是没有季风。直到2011年制定的科学计划，方才将水文循环列为14项挑战问题之一：“与季风和厄尔尼诺相关的大气降水，其区域分布受什么控制？”
可是季风演变的研究进展，显然超出了当初大洋钻探计划书的预计。季风不但是全球降水最大的变化因素，而且碳循环和生物圈的变化都与之息息相关, 因此以季风或低纬区水文循环为主题的大洋钻探航次急剧增加， 近五年（2013-2017）的IODP（International Ocean Discovery Program，国际大洋发现计划）航次就有7个之多（图1）。如果将ODP（Ocean Drilling Program，大洋钻探）阶段的相关航次考虑在内，总共有17个大洋钻探航次以季风演变为主题， 或者与季风演变有关，为探索季风的地质历史提供了极其珍贵的高分辨率长期记录。
图1 大洋钻探季风航次的钻探海区和现代季风区（绿色）的地理分布
季风变化是当前古气候研究的热点，尤其是近年来石笋、冰芯和树轮的高分辨率记录，将古季风研究推上了新台阶。但是这些记录都限于第四纪晚期，因此深海沉积的地质长记录就显得特别宝贵。比如30年前的大洋钻探在日本海发现了季风纹层，但只限于最近80万年的地层，这回IODP 346航次取回了1200万年的记录，一直追到了中新世。大洋钻探研究季风始于阿拉伯海，当时根据沉积物的上升流记录推断夏季风历史，但这种从风场变化入手研究季风演变的结论近年来引起了争议。这次IODP353航次从表层水盐度入手，进一步从水文循环的角度探索南亚季风演变，而IODP 354航次又从风化-剥蚀-沉积作用的角度探索季风历史。再比如最近的IODP 363航次，在西太平洋暖池区里取得了澳洲季风变化的宝贵信息。不过上述各大海域的季风研究都是分头进行，十分需要将这些宝贵资料在一起进行比较，于是一次全球规模的古季风学术交流会呼之欲出。
2017年9月7-9日，经中国大洋钻探专家委员会发起，IODP-PAGES“全球季风长时期记录学术研讨会”在上海同济大学举行。来自12个国家和地区的48位科学家参加，其中包括近五年IODP研究季风和低纬过程的7个航次的11位首席科学家，和以前大洋钻探季风航次的多位首席科学家和权威专家。会议介绍了PAGES全球季风工作组研究的成果，交流了大洋钻探和其他途径取得的长时间季风记录，讨论了从地质尺度研究全球季风和气候演变低纬过程的今后任务，为全球季风研究指出了进一步发展的方向。
值得注意的是这次会议的标题：“全球季风”，这在古气候研究中是个新名词。 古季风研究于1980年代在非洲起步时，只是作为局部现象为冰期旋回提供补充，接着拓展到阿拉伯海和黄土高原，也都是作为区域性现象研究。 随着遥感等观测技术的全球覆盖，现代气候学从2000年开始提出“全球季风”的概念，认为各大洲除了南极都有季风，对应于“气候赤道（热带辐合带ITCZ）”的南北位移，构成当今低纬水文循环中最为活跃的因素。这项新认识很快得到古气候学界的响应，2007年国际“过去全球变化（PAGES）”组织建立了“全球季风与低纬过程”工作组，经过多次国际研讨会和十年的努力，汇总了不同时间尺度上的季风记录，证明各个区域季风在地质时间尺度上也存在着一定程度的对应性 (Wang et al., 2014)。因此，季风在不同时间尺度上都具有全球性和区域性，只有认识这种两重性、分辨这两种成分，才能正确理解季风的演变。在此基础上，工作组归纳了季风在不同时间尺度上的驱动机制，包括外来因素和气候系统的内部反馈（图2； Wang et al., 2017）。
图2 季风变异机制的不同时间尺度（据Wang et al., 2017）
2017年9月份的全球季风会议，正是PAGES工作组的新认识与IODP季风航次新资料两大进展的汇集。会议开始由PAGES工作组介绍了十年研讨得出的认识，尤其着重介绍了现代过程中的全球季风，和近年来南北半球石笋研究的进展；接着由近五年7个航次的首席科学家，介绍钻探结果和探索的科学问题；然后由权威专家介绍了ODP阶段的航次对亚洲和非洲季风研究的成果，和美洲季风钻探航次的科学前景。
通过连续三天的学术交流与讨论，科学家们一致认为全球季风是个亟待加强的研究领域，并得出了以下共识：
--全球季风是全球水文循环的关键环节。虽然新版的大洋钻探的学术计划（IODP，2011）里首次提到了季风，但是古季风历来只是被看作冰期旋回的区域补充。与之相反，现代气候学发现季风系统具有全球性质，而且季风环流对于地球轨道等外力驱动的响应并不一定要假手冰盖。虽然季风降雨只占现代全球降雨量的1/3，却有着强烈的时空变化，是全球水文循环从季节到地质时间尺度上变化最大的组分。全球季风和厄尔尼诺、信风在一起， 构成了全球气候系统中低纬过程的主体，因而是理解水文循环的关键性控制因素。 为此，在未来的大洋钻探科学计划中，季风应当视作决定水文循环的全球性系统。
--获取深远地质时期的高分辨率季风记录。尽管近十年来高质量地质记录的进展成绩彰著，但是高分辨率的古气候记录基本上局限于第四纪，只有少量大洋钻探剖面才能上溯到上新世以前。然而要知道从暖室期过渡到冰室期时季风如何变化，现代季风系统又是何时在何种构造背景下形成，都迫切需要取得更长的地质记录。这类记录将提供重要信息，揭示在与上新-更新世完全不同而相对稳定的环境下，季风系统如何响应边界条件（CO2、冰盖）的大幅度变化。
--发展和检验季风的替代性标志。替代性标志的可靠性是季风研究的关键。化学标志、同位素标志都在古季风再造中得到广泛而成功的应用，但是对其气侯解释却意见大为分歧。针对学术上的争论，需要对现有标志作进一步的标定，并且探索发展新的标志。在季风区工作的科学家们往往把各种变化都与季风挂钩，其实很需要甄别哪些气候变化和季风有关、哪些和季风无关。需要不同学科整合起来，从地球化学、沉积学、生物学等各方面来共同探讨同一个季风问题。
--拓展大洋钻探的地理范围。现有季风的深海记录主要都来自北半球，迫切需要在南半球钻取高分辨率的前第四纪古季风剖面，包括南美、澳洲和南非的季风记录。未来古季风的钻探目标必将继续集中在大陆边缘，通常坐落在专属经济区内。为此， IODP方面需要加倍努力来提倡、发展和培育国际合作，以期能够在相关海域实施钻探。 一种可以考虑的方案， 是让发展中国家通过提供合作、而不一定缴费，就可以参加大洋钻探国际计划。
与会科学家们希望，全球季风和水文循环将成为2023年后新一轮大洋钻探的主题之一，并且将会继续在PAGES框架下推进相关的国际科学交流。无论在现代还是古季风的研究上，我国学术界都已经处在国际前沿；在推进新一轮的大洋钻探方面，我国也已成为国际学术界最为活跃的成员。因此，我国科学家们有能力、也有义务做好积极准备，为将全球季风和水文循环纳入未来大洋钻探的科学计划，做出自己的学术贡献。
参考文献：
IODP，2 011．照亮地球：过去，现在与未来．国际大洋发现计划2013-2023年科学计划．上海：同济大学出版社
Wang, P. X., Wang, B., Cheng,H., Fasullo,J., Guo,Z.T., Kiefer,T., Liu,Z.Y., 2014. The Global Monsoon across Time Scales:coherent variabilityof regional monsoons. Climate of the Past, 10: 1-46, doi: 10.5194/cp-10-1-2014
Wang, P. X., Wang, B., Cheng,H., Fasullo,J., Guo,Z.T., Kiefer,T., Liu,Z.Y., 2017. The global monsoon across time scales: Mechanisms and outstanding issues. Earth-Science Reviews, 173: 84-121.