热带印度洋(Indian Ocean)气候受海-陆-气相互作用的影响, 并与其他大洋有着紧密联系, 其气候模态对热带印度洋的海气相互作用以及周边国家和区域的气候都有较为重要的影响(Cai et al,
2019; Wang,
2019; Leupold et al,
2021)。对于热带气候模态的刻画主要基于海表面温度(sea surface temperature, SST)资料, 然而与其他热带海洋相比, 印度洋船测资料在早期非常稀少。在1950年以前, 印度洋没有大规模的海洋观测活动, 因而几乎没有连续的海洋观测资料(Fairbanks et al,
1997), 目前全球尺度上的海温资料基本上从1950年开始, 且空间分布很不均匀。若要获得空间结构场, 则需要经过再分析和处理(Kaplan et al,
1998), 这给印度洋早期年际、年代际甚至更长时间尺度上的气候变化规律研究带来很多困难。
利用地球化学指标来反演气候变化, 可以填补缺失的观测数据, 甚至可以将数据延伸至船测前。相对于陆地上的代用资料, 从珊瑚骨骼中获得的信息资料可以直接反映海洋的气候变化。珊瑚骨骼具有年轮结构并对环境变化极其敏感, 且具有年际界线清楚、生长速率较高(大约10mm•a
-1)、适合高精度U-Th放射性测年等特点, 能够高分辨率、长时间地记录热带海洋中的气候变化信息(Yu,
2012)。珊瑚地球化学指标如氧18同位素(
δ18O)等, 不仅可以记录海洋环境长周期的变化, 而且还可以记录短期的和突发的极端事件。如Cobb等(
2003)利用莱恩群岛中帕尔米拉岛的珊瑚
δ18O数据重建了近一千年的ENSO指数, Abram等(
2020)根据明打威群岛珊瑚
δ18O数据发现17世纪至少发生过一次极端印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件。通过从珊瑚骨骼中得到的代用指标, 可以有效延长对海洋的记录, 能够良好地解决实测资料不足的问题, 从而反演早期海洋气候变化的信息。
珊瑚骨骼中两个最常用的地球化学指标: 1) 锶/钙比值(Sr/Ca), 常常作为SST的直接代用指标; 2)
δ18O, 为SST和海水中
δ18O含量的代用指标(Epstein et al,
1953; Linsley et al,
2006)。而海水
δ18O同时受到降雨、蒸发以及径流的影响, 这些过程会进一步影响珊瑚
δ18O变化。因此, 在海表盐度(sea surface salinity, SSS)变化剧烈而SST变化平缓的海域, 珊瑚
δ18O主要受SSS影响(Grottoli,
2019)。相较于珊瑚Sr/Ca, 记录珊瑚
δ18O资料的热带印度洋站点数量更多, 并且珊瑚
δ18O资料具有更高的数据分辨率。目前相关研究已建立了70余个珊瑚
δ18O和SST之间的经验公式, 涵盖了全球多数珊瑚礁生长海域(余克服 等,
1999)。研究表明珊瑚
δ18O与SST的变化呈现负相关的关系, 温度每下降(或上升)1℃时, 珊瑚
δ18O含量升高(或下降)0.18‰~0.24‰(Gagan et al,
1994)。但需要注意的是, 部分特殊海域(如巴拿马奇里基湾)珊瑚
δ18O受SST影响较小(Linsley et al,
1994)。前人通过对珊瑚
δ18O数据的研究, 揭示了过去上百年热带印度洋年际气候变率的特点与影响因素。这些研究主要分为两大类: 1)主要利用珊瑚
δ18O数据反演印度洋海盆模态(Indian Ocean Basin Mode, IOBM)。如Charles等(
1997)通过分析塞舌尔站点150a的珊瑚
δ18O数据, 发现印度洋西部海域的SST受到厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)和亚洲季风的控制; Cole等(
2000)通过分析肯尼亚海岸194a的珊瑚
δ18O数据, 再一次证实了赤道印度洋区域西部SST的年际变率受到ENSO影响。值得注意的是, 塞舌尔珊瑚
δ18O数据不仅可以作为IOBM良好的代用指数, 而且可以用来指示ENSO对热带印度洋的遥相关(Du et al,
2014)。2) 珊瑚
δ18O数据揭示IOD事件。如Kayanne等(
2006)的研究发现肯尼亚海岸的珊瑚
δ18O数据有效地记录了印度洋偶极子模态(Indian Ocean Dipole Mode, IODM)的信息, 并且肯尼亚月精度的珊瑚
δ18O数据清晰地记录了与1月份IOD相关的东非降雨异常事件(Nakamura et al,
2011); Abram等(
2008)利用明打威群岛、巴厘岛珊瑚
δ18O时间序列作为IOD东一极指数和利用塞舌尔珊瑚
δ18O时间序列作为中西一极指数, 重建了过去近150a的印度洋偶极子指数(Dipole mode index, DMI), 并进一步半连续地重建了IOD事件, 其时间序列覆盖了近一千年中的5个世纪(Abram et al,
2020)。此外, 珊瑚
δ18O和Sr/Ca数据还共同揭示了Ningaloo Niño/Niña的形成机制和变化特征(Zinke et al,
2014, Su et al,
2019)。