石笋微层研究及其气候意义

在分析石笋微层形成机理的基础上,介绍了石笋微层厚度测量的主要方法及影响因素.结合U-Th系定年与显微镜镜下计数,对采自长江中游清江和尚洞的一支正在生长的年轻石笋进行了初步的微层厚度测量,结果显示生长于该地区的石笋非常适合于微层研究,并就石笋微层研究对古气候重建的重要意义及该领域的发展趋势进行了探讨.     

湖北神农架石笋年纹层与氧碳同位素关系

基于湖北神农架青天洞石笋U 系测年和年纹层统计结果,分别建立了末次盛冰期( 17 474± 174～ 16 105± 151 aB. P. )和全新世大暖期( 6 935. 4± 33. 8～6 137± 48 aB. P. )长达1 000余年的两个石笋年纹层生长序列。全新世大暖期年纹层平均厚度( 265μm) 约为末次盛冰期( 102μm)的2. 5倍,说明在间冰期东亚季风增强时石笋沉积速率较大,冰期时则相反。两支分辨率为4～ 8年的石笋年纹层厚度与δ13 C变化曲线对比显示: 在百年尺度上,石笋年纹层厚度与δ13 C变化曲线均呈良好的相关性(相关系数分别为- 0. 53和- 0.60) ,说明两指标可能受洞穴上覆土壤带CO2 产率这一主控因素的影响。当上覆土壤层生物活动增强, CO2 分压较高时,导致石笋δ13 C值偏负、生长速率增大。然而,在相同尺度上,两支石笋δ18O变化与对应的δ13 C及年纹层厚度之间的相关性较弱,反映研究地点上覆土壤层CO2产率对东亚夏季风强弱变化响应关系比较复杂。      

小冰期东亚夏季风快速变化特征:湖北石笋记录

研究小冰期的结构特征及动力机理有助于理解全球增暖和极端气候事件的原因。基于湖北永兴洞总长为120 mm的YX275石笋7个高精度230Th年龄和120个氧同位素数据,重建了1361~1955 A.D.时段分辨率达5 a的东亚夏季风降水变化序列。该石笋δ^18O值在-7.8 ‰^-9.3 ‰范围内波动,长期趋势呈现出先缓慢增大后减小的变化特征,整体呈下凹形态。该记录与中国季风区北部和南部石笋记录变化大体一致,指示小冰期发生时东亚夏季风水循环发生减弱变化。在百年-数十年尺度上,YX275石笋记录的小冰期内5次显著季风降水减弱事件与南部贵州董哥洞、织金洞石笋记录变化一致,但不同于北方大鱼洞、九仙洞、黄爷洞和万象洞石笋记录的5次小幅度季风旋回特征,表明小冰期时中国南北部夏季风降水在短时间尺度上可能存在着区域差异。该记录与太阳总辐照度记录和北半球温度记录变化一致,表明太阳总辐照度和北半球温度变化对东亚夏季风水文变化有重要驱动作用。     

DO4事件的精确定年及亚旋回特征: 来自福建龙岩仙云洞石笋的证据*

DO4事件(Dansgaard-Oeschger event 4,简称DO4事件)是发生在MIS3阶段后期的1次明显升温事件。根据福建仙云洞石笋(编号XYⅢ-28)300~500 mm层段6个高精度²³⁰Th年龄和188个氧同位素数据,获得了29.13~27.94 kyrB.P.时期平均分辨率达7 yr的东亚夏季风强度的演变过程数据。该石笋 δ¹⁸O 记录的DO4事件起止时间为28.83±0.06~28.46±0.06 kyr B.P.,持续时间为0.37±0.06 kyr。相对基于GICC05年层计数时标NGRIP冰芯 δ¹⁸O 记录在DO4开始阶段的突变特征,仙云洞石笋记录的DO4事件开始阶段 δ¹⁸O 值在145±60 yr内偏负0.4‰,表现为相对缓慢的变化特征,这说明仙云洞所处的中国东南沿海地区有可能受到热带低纬海气耦合的影响。此外,仙云洞石笋 δ¹⁸O 记录揭示了在DO4事件内部及附近存在一系列的百年至十年际尺度夏季风增强事件,与格陵兰冰芯 δ¹⁸O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件亚旋回结构在定年误差范围内相对应,表明东亚夏季风强度与北高纬温度变化和ITCZ(赤道辐合带)位置移动在百年至十年际尺度上存在紧密的联系。     

中全新世东亚季风年至10年际气候变率:湖北青天洞5.56～4.84ka B.P.石笋年层厚度与地球化学证据

中全新世年至10年际东亚季风气候变率及其动力学机制有助于深入了解当今全球气候变暖的自然变率贡献.本文基于湖北青天洞一支石笋的铀系年龄、年纹层计数、氧同位素和微量元素测量结果,建立了中全新世5.57～4.84ka B.P.时段平均分辨率为3～4年的东亚季风气候和洞穴地点环境演变序列.石笋年纹层由冬季亮色薄层和夏季暗色厚层组成,对应冬、夏季节层的δ18O和δ13C正负漂移与现今冬夏降水和岩溶环境同位素值变化基本吻合.然而,元素比值(Mg/Ca和Sr/Ca)揭示了冬夏季风降水与岩溶作用的复杂响应过程.在10年际尺度上,石笋氧同位素记录了3次间隔200年左右的弱季风事件,分别发生于5.56～5.50ka B.P.,5.26～5.20ka B.P.和5.01～4.94ka B.P.,每个事件大约持续60年,反映了太阳活动周期控制季风强度变化的频率.Mg/Ca和Sr/Ca比值与季风强弱变化不存在明显的对应关系,但其功率谱具有200年和40年左右周期,说明东亚季风气候和岩溶环境过程之间既有共同的控制因素又有不同的演化机理.     

DO4事件的精确定年及亚旋回特征:来自福建龙岩仙云洞石笋的证据

DO4事件(Dansgaard-Oeschger event 4,简称DO4事件)是发生在MIS3阶段后期的1次明显升温事件。根据福建仙云洞石笋(编号XYⅢ-28) 300～500 mm层段6个高精度~(230)Th年龄和188个氧同位素数据,获得了29. 13～27. 94 kyr B. P.时期平均分辨率达7 yr的东亚夏季风强度的演变过程数据。该石笋δ~(18)O记录的DO4事件起止时间为28. 83±0. 06～28. 46±0. 06 kyr B. P.,持续时间为0. 37±0. 06 kyr。相对基于GICC05年层计数时标NGRIP冰芯δ~(18)O记录在DO4开始阶段的突变特征,仙云洞石笋记录的DO4事件开始阶段δ~(18)O值在145±60 yr内偏负0. 4‰,表现为相对缓慢的变化特征,这说明仙云洞所处的中国东南沿海地区有可能受到热带低纬海气耦合的影响。此外,仙云洞石笋δ~(18)O记录揭示了在DO4事件内部及附近存在一系列的百年至十年际尺度夏季风增强事件,与格陵兰冰芯δ~(18)O记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件亚旋回结构在定年误差范围内相对应,表明东亚夏季风强度与北高纬温度变化和ITCZ (赤道辐合带)位置移动在百年至十年际尺度上存在紧密的联系。     

定量重建气候历史的石笋年层方法

用放射性同位素定年方法结合微层计数了解石笋微层的计时特性;确定年层的显微图像标志;提出矫正石笋层厚时间序列中所包含的沉积趋势的方法;建立符合统计要求的层厚量测规则。将石笋年层厚度序列与当地仪器记录的气候要素时间序列进行对比,作信号波形分析和统计相关分析,找出石笋层厚能够敏感反映的气候要素。如果石笋年层记录的气候信号远强于噪音水平,则可利用层厚时间序列重建所敏感反映的气候要素变化历史。利用所建立的方法,对北京石花洞石笋进行了实例分析。     

高分辨率气候环境变化研究中的石笋微层

在全球变化研究领域，高分辨率重建 2000年来的气候环境变化是近期工作的主要内容之一。石笋微层由于其沉积界面完整，微层明显和组分构造有序，从而成为综合研究气候环境变化的理想载体。详细分析了石笋微层灰度和石笋微层厚度的成因、类型和影响因素，对石笋微层在高分辨率气候环境变化研究中的应用现状及目前所存在的问题作了简要介绍，并对该领域今后的发展方向提出了一些看法。     

南岭东部水源洞过去700年石笋氧同位素变化与气候意义

亚洲季风区内石笋氧同位素组成(δ18O)的气候环境意义解读近年来在国内外引起了广泛争议。通过比较近期石笋δ18O记录与历史文献记载的气候变化信息,可以为解决这一问题提供一些参考信息。本文高分辨率重建了南岭东部石笋δ18O记录。该记录变化趋势与历史文献记载的我国南方地区小冰期以来旱涝灾害频率变化趋势基本一致,说明该石笋δ18O记录变化可能与夏季风强度和季风降水变化密切相关。根据该记录,对南岭东部地区最近700年以来的夏季风变化特征进行了分析。     

石笋年层的影像特征

近年来，石笋微层作为高分辨率古气候研究代用指标已有较好的研究，众多研究者也都认为石笋中具有年层。石笋年层和树轮具有相似的性质，它们都有年层缺失（沉积间断）和伪年层（包括亚层、多年层和假象层）等现象，如何正确计数石笋年层是微层计数年代学的研究基础所在，也是利用石笋微层作为近２０００年来高分辨率（分辨率到年）古气候研究代用指标的基础。 如果石笋纵剖面上没有明显沉积间断，一般可断定其没有年层缺失，这样可用通过计数石笋的年层来确定石笋的年龄，以满足高分辨率古气候研究的需要。中国南方型石笋微层和北方型石笋微层具有不同的矿物组成光性特征和微层型式，其显微镜下影像特征不同，所以其计数方式又有所差别。     

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。     

13ka以来东亚夏季风演变过程和全新世适宜期问题

基于湖北神农架三宝洞石笋SB43的21个230Th年龄和486个氧同位素数据,建立了13．0-0．2ka时段东亚夏季风强度演化序列,其长期演化趋势与33°N太阳辐射变化基本一致。通过对比三宝洞、董歌洞、阿曼Qunf洞及和尚洞石笋δ18O记录,发现东亚和印度季风强度在轨道尺度上呈同相位变化。石笋SB43、D4 δ18O值与Cariaco盆地Ti含量曲线整体变化一致,相关系数高达0．8,表明热带辐合带（ITCZ）的南北移动可能对亚洲中低纬季风强度起放大作用;全新世适宜期在亚洲季风区不存在显著穿时性,起止时间大体一致,约为10．2～5．7ka。早、中全新世季风强度与极地温度变化趋势一致,相关系数高达0．9,表明当时高纬冰量边界条件可能对亚洲季风强度变化（包括ITCZ的平均位置）具有贡献作用。     

石笋微层气候学的几个重要问题

气候动力和土壤过程的年季旋回造成石笋碳酸盐沉积不连续界面(如有机质)或矿物(如文石与方解石)、结构(如舒松层和致密层)交替转换从而形成了石笋微生长层,石笋微层不但为古气候时间序列提供了高分辨率的时间标尺,而且其本身的厚度变化在一定条件下也记录了气候变化,成为高分辨率的气候代用指标。石笋微层气候学就是在研究石笋微层与气候变化关系的基础上,采用石笋微层定年、利用石笋微层厚度变化定量重建气候历史的科学方法。现在国内外已经公布了数个石笋层厚时间序列,但序列的构成差距很大,而且有的序列已经受到质疑,因此有必要建立一个获取和提供数据的科学规范,以增加石笋微层重建气候工作的可信度,这是石笋微层气候学方法得以顺利发展首先要解决的问题。而在何种条件下气候能够成为影响石笋微层层厚变化的主导因素,可能是石笋微层气候学需要解决的基本问题。此外,文章还讨论了微层界面形成及碳酸盐沉积的时间、层厚曲线平底、层内虚假的灰度、伪年层和年层缺失、平行样品交叉定年的困难原因等石笋微层气候学必须回答的问题。     

神农架天鹅洞石笋76～58 kaB.P.时段DO事件

据神农架高海拔天鹅洞一支石笋9个230Th年龄和332组氧、碳同位素数据,建立了76～58 kaB.P. Dansgaard Oeschger (DO)事件时间序列,揭示了深海氧同位素4阶段(MIS4)东亚季风降水百年尺度变化过程。天鹅洞和葫芦洞石笋、格陵兰NGRIP冰芯δ18O对比显示,天鹅洞记录DO18事件暖湿程度相当于深海氧同位素3阶段(MIS3)水平,其振幅类似于格陵兰冰芯δ18O记录。起始时间上,天鹅洞记录DO18事件在710年230Th测年误差范围内和葫芦洞记录保持一致,并支持了NGRIP冰芯记录对应时标。在全球降温背景下,如此典型DO事件指示了强季风降水过程。70 kaB.P.左右,冰芯DO19事件至少老于石笋记录约950年,远大于700年左右的230Th测年误差,对老于该时段的冰芯时标需高分辨率地质记录进一步验证。69.09～64.64 kaB.P.（ DO19ˊ~18）期间,冰芯记录的百年尺度峰谷变化和天鹅洞石笋记录一一对应,反映了低纬热带海洋和北大西洋温盐环流之间耦合作用。     

末次盛冰期西太平洋海温差异对亚洲夏季风影响的数值模拟

文章利用Zhao等的模拟结果,进一步研究了在末次盛冰期(LGM)情景下汪品先和CLIMAP两种重建海洋表面温度(SST)资料差异对亚洲夏季风的影响。模拟结果表明:在LGM情景下西太平洋海域SST资料的不同对模拟的亚洲夏季风有着十分重要的作用。夏季,与CLGM方案相比,在WLGM方案中,当热带西太平洋SST较暖时,印度地区的大气热量出现显著增加,大气热量的这种变化,使得南非高压、南印度洋经向Hadley环流加强,伴随着索马里越赤道气流加强,也导致了印度季风区纬向季风环流的加强,从而造成了印度夏季风增强、降水增多;与较暖的热带西太平洋相对应,澳大利亚高压和120°E附近越赤道气流减弱,东亚季风区20°N以南经向季风环流加强、20°N以北经向季风环流减弱,指示着一个强的南海夏季风和较弱东亚副热带大陆夏季风。     

上新世中期中国气候的数值模拟分析

使用中国科学院大气物理研究所的全球大气环流模式,曾就上新世中期(距今约3百万年前)气候进行过数值模拟试验,在已有针对全球气候进行分析的工作基础上,集中研究了该地质时期我国气候的变化特征。数值试验结果表明,除了青藏高原地区由于地形海拔高度变化而引起的局地冷却现象以外,上新世中期我国约100°E以东地区地表气温上升4～8℃,升温中心位于江淮流域下游地区; 该经度线以西地区地表气温升幅相对要弱一些,在1～4℃之间。上新世中期年均降水在我国东部地区显著减少,平均减幅在0.5mm/天以上,特别是在长江中游地区; 新疆北部、青海和西藏大部年均降水略有增加,而新疆中部和南部年均降水略有减少。在对流层低层,上新世中期东亚冬季风系统减弱,夏季风系统总体上略有减弱; 在对流层中层,冬季东亚大槽显著减弱,夏季中高纬度地区500hPa位势高度升高。在以上结果中,上新世中期我国气候相对于现在偏暖、东亚冬季风强度减弱得到了代用资料的支持。     

中国黄土高原西缘甘肃万象洞MIS 5石笋δ18 O记录与南方地区石笋记录的对比研究*

位于青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞石笋WXSM51和WXSM52提供了MIS 5(118~79kaB.P.)高分辨率的δ¹⁸ O记录。研究表明, 万象洞石笋δ¹⁸ O值与夏季风强度呈负相关关系, 与我国西南部的贵州董歌洞石笋δ¹⁸ O记录有良好的对应关系, 并与高纬度的格陵兰NGRIP冰芯δ¹⁸ O记录和65°N太阳辐射强度有很好的一致性, 说明万象洞石笋δ¹⁸ O记录了118~79kaB.P.期间亚洲季风强度的变化, 同时也说明东亚季风强度的变化和全球气候变化同步, 而且主要受控于北半球太阳辐射强度的变化。同时它与地中海碳酸盐记录有很好的相似性, 和巴西石笋δ¹⁸ O记录在千年尺度上表现出相反的变化趋势, 说明东亚季风区、地中海地区以及巴西季风区之间存在密切的联系, 指示了南北半球气候在千年尺度上存在"跷跷板"(seesaw)现象。万象洞石笋δ¹⁸ O记录的MIS 5b与MIS 5a突发性转换, 与NGRIP冰芯δ¹⁸ O记录相似, 而与神农架记录存在差异, 说明万象洞地区对亚洲季风强度的响应更为敏感。     

一个耦合气候系统模式模拟的中全新世时期亚洲季风系统变化

本文分析了一个耦合模式FGOALS_g1.0对工业革命前气候(0ka)和中全新世时期(6ka)亚洲夏季风的模拟结果。在该研究中我们主要分析季风降水变率较大的区域,即东亚夏季风区(20°～45°N,110°～120°E)和印度夏季风区(10°～30°N,70°～80°E)。尽管耦合模式的普遍偏差依然存在,该模式反映出亚洲季风系统是海陆热力性质差异的结果,并较好地模拟出了0ka亚洲夏季风大尺度环流的特点和季节变化的特征。6ka和0ka比较分析的结果表明,6ka时期欧亚大陆增暖,海陆温度梯度加强; 印度夏季风降水从南亚大陆北移到 30°N 附近,位于青藏高原南侧的降水大值中心降水加强; 东亚季风区降水则表现为华北地区减少,长江流域和华南地区降水增加的特点。但合理地模拟季风爆发仍然是耦合气候系统模式的难点之一。
6ka时期亚洲夏季风变化是和大尺度季风环流的变化联系在一起的,而其根本原因是中全新世时期地球轨道参数变化所引起的太阳辐射变化,北半球季节循环的振幅加强。海陆热力性质的差异所导致海陆温差加大使得北半球的季风环流加强,印度夏季风高空东风在 20°～30°N 加强,低层赤道东风加强,跨赤道后的西南气流向北推移,从而使得印度夏季风降水雨带北移到 30°N 附近。东亚季风区的高低空温度场的配置使得副热带高空急流减弱,位置偏南,从而有利于华北地区的高空出现异常的辐合,中层为异常的辐散,抑制了季风降水的发展; 长江流域和华南地区则相反,季风降水降水加强。