自30万年前以来，风力和浮力因素对太平洋南极季节性海冰区域的生产力及底层洋流的影响

《Global and Planetary Change》：Wind and buoyancy controls on productivity and bottom current in the Pacific Antarctic seasonal sea-ice zone since 300 ka

南极环流耦合响应机制研究：基于ANT36/A3-08 cores的多代理重建表明西南风带迁移通过调节上升流和深层再循环主导了轨道时间尺度的表面生产力与底层洋流强度变化，MIS 6/5过渡期淡水增强分层削弱了耦合响应，MIS 2期Amundsen海低压增强导致短暂协同增强，揭示了风场迁移与淡水输入对环流耦合的动态调控。

　　

王家凯|郭景腾|肖文申|唐正|秦冰彬|约尔格·利波尔德|熊志芳|李铁刚

中国自然资源部第一海洋研究所海洋地质与金属成因重点实验室，青岛

摘要

上升流驱动的表层生产力和底流强度是否对气候强迫有协同响应仍不清楚，这限制了我们对冰期-间冰期循环期间南大洋表层-深层联系的地质约束。在这里，我们基于ANT36/A3–08岩芯的多代理数据重建了太平洋南极季节性海冰区（SIZ）约30万年的生产力和底流强度，时间尺度由岩芯顶部的放射性碳、火山灰地层学和轨道尺度地球化学相关性确定。在冰期-间冰期循环中，生产力和底流强度呈共变趋势，间冰期值较高，冰期值较低。这种模式与南半球西风（SWW）的纬向变化的大规模垂直耦合响应一致，西风调节了太平洋南极边缘的表层上升流和底流。在这种轨道尺度模式之上，还有由浮力和大气强迫驱动的短暂异常。在MIS 6/5过渡期间，融水增强的分层抵消了预期的西风增强效应，导致生产力和底流强度的增加减弱，尽管西风明显向极地移动。在MIS 2期间，两者都短暂增强，与阿蒙森海低气压（ASL）的增强变异性同时发生。较强的ASL变异性可能增强了海冰的分散和间歇性开阔水域的形成，从而加强了盐水的排除。

引言

南大洋（SO）通过南极绕极流（ACC）和纬向翻转环流的耦合作用调节表层和深层海洋之间的热量和碳交换（Rintoul, 2018）。南半球西风（SWW）的变异性及其相关的锋面移动影响了太平洋区域的绕极深层水（CDW）上升流和底流强度（Marshall and Speer, 2012; Talley, 2013; Ferrari et al., 2014; Rintoul, 2018）。间冰期西风向极地迁移通常与极锋（PF）以南的CDW上升流增强和表层生产力增加有关，而冰期西风向赤道移动则由于海冰扩张和分层增强而抑制了上升流（Toggweiler et al., 2006; Anderson et al., 2009; Ai et al., 2020; Sigman et al., 2021）。同样，来自太平洋SO的底流代理数据表明近底环流在冰期-间冰期发生了显著变化，尽管其幅度在不同地区差异很大（Toyos et al., 2020; Lamy et al., 2024）。

一个尚未解决的问题是，西风驱动的锋面移动是否表现为太平洋南极季节性海冰区（SIZ）中上升流相关表层生产力和底流强度的协同响应，以及这种耦合如何随水文状态变化（Civel-Mazens et al., 2021; Lamy et al., 2024）。这种耦合可能受到强烈局部地形的影响，因为最近的德雷克海峡再分析显示底流强度可能是异质的，并且部分与表层动态脱钩（Kreps et al., 2023）。

现有研究记录了生产力和底流的变化，但由于来自太平洋南极SIZ的连续地层记录相对较少，同时在一个共同的时间框架内解决这两个过程仍然困难（Kim et al., 2020; Hartman et al., 2021）。在南极环境中，这个问题尤为突出，因为年龄控制通常受到稀疏的钙质微化石的限制，以及用于地层对比的磁性质可能受到成岩作用的影响（Hillenbrand et al., 2021）。因此，确定上升流相关的表层生产力和底流强度是否协同变化，以及在什么条件下这种关系减弱，对于理解表层强迫的变化如何在SO翻转的上层和底层表现出来至关重要。

这种协同性可能不会随时间恒定，可能会受到海冰和融水相关的浮力强迫的调节。海冰扩张和融水引起的淡化可以通过增强上层海洋的分层、抑制垂直混合以及削弱南极边缘的密集水形成来改变上层海洋和深渊之间的垂直连通性（Ferrari et al., 2014; Hayes et al., 2014; Morrison et al., 2015; Rintoul, 2018; Silvano et al., 2018; Li et al., 2023）。在西南极，与阿蒙森海低气压（ASL）相关的大气变异性和热带远距离联系可以进一步调节区域风、海冰分布和CDW的陆上输送，从而提供了另一种机制，使上层海洋生产力和深层环流可能独立于大尺度平均状态重新组织（Li et al., 2021）。

在这里，我们展示了来自ANT36/A3–08站点的约30万年的多代理记录，该站点位于阿蒙森海的远洋区域，非常适合追踪翻转环流的上层和底层的变化。为了评估表层-深层共变的性质和驱动因素，我们采用了双域框架，其中生物成因和元素代理反映了上升流驱动的生产力，而粒度和地球化学指标记录了底流强度。利用这一框架，我们提出了两个问题：（i）从海洋同位素阶段（MIS）到轨道时间尺度，表层生产力和底流强度是否协同变化；（ii）这种耦合何时受到海冰和融水相关的浮力强迫或ASL相关大气变异性的影响？通过将两个领域整合到一个地层和时间框架中，我们的记录为太平洋南极SIZ及其相邻深层海洋的表层-深层共变控制提供了新的约束。

区域海洋学

远洋阿蒙森海位于太平洋南极SIZ的阿蒙森海区域，介于极地绕极流（ACC）的极锋（PF）和南极边界（SB）之间（图1a）。南极边界（SB）界定了CDW上升流的南部影响，该影响受到大陆坡等地形特征的调节，在该区域的垂直混合和水团分布中起关键作用（Orsi et al., 1995; Yamazaki et al., 2021）。该区域也位于现代SIZ内（图1a），提供了一个合适的

沉积物材料

重力岩芯ANT36/A3–08是在2019年中国第36次南极科考期间，使用R/V Xuelong船从3996米深的海域（120.06°W, 69.02°S）采集的（图1）。从359厘米长的岩芯中以2厘米的分辨率采集了180个沉积物样本进行进一步分析。

岩芯物理性质和X射线荧光扫描（Br和Ti）

在X射线荧光（XRF）扫描之前，新切割的岩芯段用4微米厚的Spex Certiprep 3525 Ultralens箔屏蔽以防止污染。

放射性碳框架

ANT36/A3–08岩芯中N. pachyderma测试的AMS ¹⁴C年龄显示了多次年龄反转（表1）。这些反转表明了普遍的重塑现象，排除了使用有孔虫年龄作为主要年龄控制的方法。几种过程可能导致这些异常，包括生物扰动、水柱内的混合、储层年龄的变化、冰期水文条件下的钙化深度变化，以及在强化期间偶尔输送的重塑同种测试

ANT36/A3–08岩芯的一般岩层学特征

ANT36/A3–08岩芯包含三种岩层类型（A至C），这些类型通过视觉特征、粒度分布和物理地球化学性质区分（图3, S4-S5）。岩芯中粒度、体积密度和质地的变化大致反映了冰期-间冰期的变化。扫描亮度跟随视觉颜色，整个岩芯中散布着微量的锰结核。孤立的碎屑（>2厘米）出现在170–175厘米（约104–108千年前）、268–270厘米（约213–216千年前）和274–276厘米（约222–224千年前）处

生产力重建

生物成因的蛋白石痕迹表明了硅藻的生产，而富含海洋有机物的Br-提供了独立的生物输入指标（McHugh et al., 2008; Hillenbrand et al., 2021）。Ba_ex在碎屑校正后捕获了输出生产力信号（Loveley et al., 2017; Wu et al., 2017）。通过将蛋白石、Br-和Ba??相对于Ti的表达，可以衡量它们相对于岩源背景的生物贡献，因为Ti作为一种保守的碎屑示踪剂

结论

来自ANT36/A3–08站点的多代理记录显示，在过去的30万年中，表层生产力和底流强度在三个特征时间范围内呈共变。在轨道时间尺度上，西风（SWW）的纬向变化通过调节CDW相关的上升流、海冰条件和深层水更新来控制冰期-间冰期的生产力和底流强度对比。在MIS 6/5过渡期间，增强的表层淡化和分层减少了垂直交换并削弱了

CRediT作者贡献声明

王家凯：撰写——原始草稿、可视化、验证、项目管理、方法学、调查、资金获取、正式分析、数据管理。郭景腾：资金获取。肖文申：撰写——审稿与编辑、正式分析。唐正：调查、资金获取。秦冰彬：撰写——审稿与编辑。约尔格·利波尔德：撰写——审稿与编辑、正式分析。熊志芳：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、资金

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢第36次中国南极科考队的成员。我们感谢张 Jin、董 Jiang、郑 Hao、宋泽华和胡一浩在本研究中的帮助。本研究得到了中国国家公共研究院基础科学基金（项目编号：2019S04）、国家自然科学基金（项目编号：42306266、42006075、42476267）以及南极海域对气候变化的影响与响应（项目编号：IRASCC2020-2022-01-03-02）的支持