基于EEMD方法的全新世亚洲季风石笋氧碳同位素对比研究

采用集合经验模态分解方法(EEMD),对贵州省董哥洞全新世石笋δ~(18)O、δ~(13)C记录进行多尺度分解,分别获得8、9个本征模分量。在254 a以下尺度上,石笋δ~(13)C和δ~(18)O的本征模分量基本一致,其中254 a和116 a两个周期都类似于大气Δ~(14)C表征的太阳活动周期,表明植被生产力和低纬水汽都受控于太阳活动。同一周期对应的δ~(13)C振幅几乎是δ~(18)O的2倍,说明洞穴地点的土壤生产率放大了太阳活动的初始信号。526 a周期对石笋δ~(13)C贡献最大(~20%),与北大西洋深层水体550 a周期一致,可能的机制是北半球高纬气候通过西风带影响了东亚大陆的环境变化。石笋δ~(13)C的趋势分量变化平稳,明显不同于δ~(18)O的趋势分量,表明洞穴地点的土壤生产率并不直接响应于轨道尺度的太阳辐射变化。     

黄土高原东缘晚全新世高精度高分辨率石笋古环境记录

基于山西武乡太行龙洞一支石笋5个230Th年龄和190个氧同位素数据重建4 400~150 a B.P.高分辨率δ18O序列。石笋δ18O值逐渐增加,除最近约600 a外,在千年尺度长期趋势变化上与中国南部其它洞穴记录相一致,表明晚全新世亚洲夏季风强度持续减弱响应于同一驱动机制。一次显著的气候突变事件发生在2 550~2 000 aB.P.,与史料记载的干旱期大致相对应。功率谱分析揭示出106 a周期,与树轮Δ14C太阳活动周期大体一致,说明百年尺度上太阳活动与东亚季风变化有一定关联性。     

高分辨率石笋记录的三峡库区小冰期气候变化

基于重庆水鸣洞石笋(NSM03)7个230Th年代数据和438个δ18O数据建立三峡库区1250~1750 A.D.时段分辨率约为1 a的δ18O记录。分析显示石笋δ18O值在1280 A.D.开始迅速偏重,在1300 A.D.附近偏到近500 a来最重,显示季风迅速减弱,库区进入小冰期。石笋记录显示小冰期存在明显的年代际尺度干湿波动,特别是在1400~1650 A.D.时段石笋δ18O值高频振荡,显示季风降水处于频繁波动期。功率谱分析显示石笋δ18O序列具有显著树轮Δ14C周期和ENSO准周期,揭示太阳活动是小冰期主要驱动因素,同时受到海气耦合作用影响。     

最近500年来福建玉华洞石笋氧同位素记录及气候意义

基于福建将乐玉华洞一支石笋(YH1)4个230Th年龄和370个氧同位素数据,并利用具有年层时标的湖北清江和尚洞石笋氧同位素记录的校正,重建了AD 1530以来1~3 a分辨率的石笋氧同位素序列。与当地现代器测气象资料对比发现,最近60 a来玉华洞石笋δ18O与当地夏半年降水量相关性最为显著(R=-0.35,n=55),而受温度的影响较弱,玉华洞石笋氧同位素较好的指示了当地夏半年降水量变化的信息。最近100 a来,福建玉华洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势,与其他地区高分辨率石笋δ18O具有相同的变化趋势,而且也与季风指数指示的季风减弱趋势相一致,进一步证实季风区石笋δ18O反映了东亚季风大尺度环流特征;在小冰期中后期(AD 1530~1850),玉华洞石笋δ18O在平均值-5.9‰高频振荡,存在一系列的数十年际尺度的季风增强和减弱事件,与亚洲—太平洋涛动(Asian Pacific Oscillation,APO)指数密切相关,说明玉华洞石笋δ18O所指示的降水信息受APO变化的影响。     

第四纪中国热带对全球气候变化的响应

根据20多个有关沉积、δ18O、孢粉、石笋等分析实例,并与代表全球变化的气候曲线进行对比,认为中国热带万年尺度气候变化的机制,早更新世为轨道驱动,中更新世为季风环流的非轨道驱动,晚更新世为轨道驱动,这个过程与青藏高原隆起的高度和速率有关.晚更新世的千年尺度变化和小冰期的百年尺度变化,其机制是受太阳常数周期性变化的影响.     

2592~1225aB.P.湖北神农架石笋氧同位素记录及区域气候意义

选择处于典型季风区中国内部湖北神农架地区青天洞一支具有连续清晰年纹层发育的石笋样品(QT6),通过精确的年纹层计数,结合高精度²³⁰Th年龄,建立2 592~1 225 a B.P.期间长达1 367 a的石笋δ¹⁸O时间序列。石笋δ¹⁸O记录的17个持续时间在80 a左右的峰谷旋回,与格陵兰冰芯δ¹⁸O记录具有非常好的一一对应关系,说明在年代际尺度上石笋δ¹⁸O同样能反映区域性气候变化,可能的机制是北高纬温度的变化通过大气传输影响热带辐合带(ITCZ)的迁移,从而影响东亚季风的强弱变化。     

神农架石笋记录的近200年东亚季风变化及其ENSO响应

通过湖北省神农架永兴洞石笋(编号:YX92)230Th年龄和纹层计数年代学研究,建立了1788AD-1956AD时段年际分辨率石笋氧同位素序列。该序列δ18O值变化范围为-9.70‰~-7.87‰,最大振幅约达1.83‰,呈现显著的年代际尺度振荡旋回特征。功率谱分析结果揭示存在显著的60~70年准周期信号。该记录与同区域和尚洞石笋δ18O曲线具有很好的重现性,说明其可能受控于共同的气候因子,指示了东亚夏季风大尺度环流特征。将石笋重建的东亚夏季风指标与全印度夏季降水量指示的印度夏季风指数对比,结果显示两者在年代际旋回特征上具有很好的相似性,但是呈反相位关系。进一步与ENSO指数对比,发现东亚夏季风年代际尺度变化与ENSO存在密切联系,表现为东亚夏季风增强,对应于ENSO暖期,反之亦然。因此,东亚季风与印度季风在年代际尺度上的反相位关系可能源于两者对ENSO机制的不同响应。     

苦海沉积物有机质反映的过去840年来青藏高原东部环境变化

青藏高原对全球气候变暖响应敏感,研究青藏高原近千年来环境演化过程、规律与驱动机制对预测其未来气候变化有重要意义。本文通过位于青藏高原东部的苦海沉积物总有机质相关指标(总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总有机碳与总氮比值(TOC/TN)和总有机碳同位素(δ¹³Corg)的研究重建了该区域过去840年来环境演化过程。结果表明,苦海沉积物中的有机质主要来自于内源水生植物。由于暖期(冷期)时黄河上游径流量较高(低),苦海水位随之升高(降低),湖泊水动力增强(减弱),浅水区沉水植物对研究岩芯中的有机质贡献率提高(降低),导致沉积物TOC、TN、TOC/TN升高,δ¹³Corg值正(负)偏。人类活动导致的青藏高原近50年气候异常变暖可能是~1950 AD之后δ¹³Corg反映的黄河上游径流量变化与重建的中国温度记录之间的关系发生转变的原因。苦海沉积物δ¹³Corg记录与万象洞石笋δ¹⁸O记录和太阳总辐射强度记录变化特征的相似性说明青藏高原东部地区气候变化的控制因素为太阳辐射驱动下的季风降雨量变化。     

基于动力反演方法的亚洲季风机制探讨

为探求董哥洞石笋δ18O值所指示的亚洲季风的驱动机制,用非线性动力反演的方法建立亚洲季风的动力方程。研究发现:董哥洞石笋δ18O值所指示的季风为印度季风,印度季风系统是由南极温度和其他驱动因子共同驱动的复杂非线性动力系统;太阳活动、北极温度和青藏高原温度对印度季风起稳定作用,太阳活动越强烈,稳定作用越弱;北极温度和青藏高原温度越高,稳定作用越弱;印度季风背景值对下一刻印度季风起稳定作用,且强度越大,稳定作用也就越强。     

洞穴次生碳酸盐稳定同位素古气候重建研究进展

近年来,洞穴次生碳酸盐沉积物因其有着湖泊沉积物、泥炭等无法比拟的测年优势,日渐成为陆地古气候重建的良好研究材料.通过铀系定年,可以获得过去60万年来精确的日历年时间序列,突破了其他陆地沉积物14C定年(5万年)的瓶颈.氧碳同位素作为洞穴石笋的古气候待用指标具有全球对比性,由于其高精度独立的时间标尺和无需校正同位素信号日渐成为其他气候记录对比的基石.在同位素平衡分馏条件下,石笋δ18O反映了当地气候的变化,在季风区一般反映降雨的变化,在欧洲则更多反映温度的变化.通过石笋1δ8O与北大西洋冰漂碎屑事件以及甲烷的对比关系,可以将海洋钻孔和两极冰芯的记录调谐到独立时间标尺的石笋记录上,进而可以探讨全球联系及其驱动机制.影响石笋1δ3C变化的因素比较复杂,一般在轨道尺度上指示了植被类型C3/C4比率的变化,而在更短时间尺度内主要受到土壤CO2活力的影响,进而可以反映当地降水和温度的变化.尽管洞穴石笋研究工作取得了较大进展,但仍然有诸多机理问题尚未解决,在介绍洞穴沉积物稳定同位素古气候重建研究现状的基础上,对今后的研究方向进行一定的探讨.     

季风区边缘近500年的降水变化特征

基于武都万象洞高分辨率石笋δ¹⁸O和高精度²³⁰Th定年数据,结合利用周边地区史料恢复的旱涝指数序列,重建季风区边缘近500 a以来降水变化。结果显示:在年际至百年时间尺度上,万象洞石笋δ¹⁸O变化指示亚洲季风带来的降水量信息。季风区边缘降水变化可分减弱期(1470~1700 A.D.)、平稳期(1701~1875 A.D.)和增强期(1876~2003 A.D.)三个气候段,其间季风降水的强弱变化响应史料记载的极端旱涝事件。在小冰期向20世纪暖期转换过程中,本区呈现阶梯式过渡降水模式,这是一种较大空间尺度上气候特征,在年代际至百年时间尺度上与北半球温度、中国温度变化具有同步性。     

年际―年代际尺度上南海北部SST与 东亚夏季风强度的负相关关系

选取南海北部珊瑚带宽-SST分别与甘肃万象洞WX42B石笋和贵州董哥洞DA石笋的δ18O记录在不同时段进行对比,揭示了南海北部SST变化与夏季风强度的关联。结果显示：在年际―年代际尺度上,南海北部珊瑚带宽-SST与石笋δ18O记录的夏季风强度存在负相关关系：南海北部SST升高,石笋δ18O偏重,夏季风强度减弱;反之亦然。南海北部器测SST与万象洞WX42B石笋δ18O记录的对比也证实了这一关系的存在。ENSO活动影响着季风区的降雨量,控制着南海北部的SST变化。ENSO的存在可能是造成这种负相关关系的直接原因。由于ENSO活动与季风区降雨量的关系存在区域性差异,南海北部SST与局部地区夏季风强度之间的关系仍需进一步的研究。     

应用δD和δ~(18)O确定敦煌莫高窟洞窟蒸发水分来源

选择敦煌莫高窟72窟为实验洞窟,用人工冷凝收集洞窟蒸发水分,并定期监测δD和δ~(18)O值。同时监测莫高窟降水、潜水、大泉河水等背景环境水分的δD和δ~(18)O值,应用水同位素示踪原理揭示洞窟蒸发水分来源。2 a的洞窟蒸发水分、莫高窟降水、潜水、大泉河水、围岩水分的同位素δD和δ~(18)O监测表明,洞窟蒸发水来自地下潜水。用在线降水同位素计算的当地降水年值、加权平均值、野马山降水年值表明党河水来自野马山降水,它是莫高窟地下潜水/大泉河水的合理来源,存在清晰的来源通道。在潜水向上运移过程中,围岩选择了δ值相对偏正的水分;围岩温湿度对蒸发水分的δD和δ~(18)O值有显著影响。     

基于统计动力反演的东亚亚热带季风变化驱动机制研究

利用观测数据,运用非线性统计-动力学方法,反演系统各因子之间的相互关系,建立了东亚亚热带季风变化的动力方程,为研究东亚亚热带季风的驱动机制提供了量化参考。研究发现：过去2 000 a东亚亚热带季风是多因子通过反馈机制相互作用影响且具有耦合效应的复杂非线性动力系统,其驱动力主要来源于普若岗日冰芯δ¹⁸О代表的青藏高原热力作用强迫、太阳黑子活动、ENSO、温室气体单因子CO₂和CH₄浓度、北极温度和CH₄及北极温度与7月太阳辐射的耦合作用机制;反馈调节作用主要源于7月太阳辐射与太阳黑子活动、CH₄浓度、中国陆地地表温、CH₄与7月太阳辐射以及CO₂和CH₄的耦合调节作用。并通过动力反演机制推论热带西太平洋对亚热带季风有一定驱动作用,但并不是主要驱动力,即驱动亚热带季风变化的主源地并不在热带西太平洋海区,石笋δ¹⁸О指代的也主要是夏季风信息。     

文石方解石化对文石石笋δ18O记录的影响

近年来,文石石笋成为古气候研究的新材料,但文石的方解石化对文石石笋氧同位素的影响问题仍未很好地解决。选取湖南湘西莲花洞方解石化文石石笋LH5为研究对象,基于18个TIMS-U系年龄和311个δ18O,探讨了方解石化对文石石笋古气候记录的影响。结果表明：1）文石的方解石化会引起文石矿物中所赋存的铀元素流失,造成铀系年龄的倒转,但LH5石笋中下部铀系衰变体系的开放程度较低（＜10%）,在剔除异常年龄后,仍可构建时间标尺。2）通过末次冰消期气候事件的对比发现：文石的方解石化会导致δ18O的异常波动,末次冰消期其他中国南方石笋记录的气候事件,如B?lling-Aller?d和新仙女木事件等在LH5石笋中都难以确认。而在LH5石笋的中上部文石层段,δ18O波动却能够很好地记录气候的变化。3）洞穴滴水的淋滤被认为是文石方解石化的主要原因之一。但对于LH5石笋而言,洞穴滴水的溅蚀作用可能在文石向方解石转变过程中起到了重要作用。由于在石笋的不同部位受到溅蚀淋滤的强度不同,以及石笋结构的非均一性等原因,导致文石的方解石化不均匀,这也最终造成LH5石笋文石-方解石层段δ18O的非线性变化,失去记录气候变化的能力。     

黔北洞穴石笋记录的末次冰消期至早全新世百年～十年际气候变化

通过黔北三星洞2支石笋(编号:SX3-a和SX14)的25个高精度230Th年龄(测年误差≤76 a)和740个氧同位素数据,重建了末次冰消期至早全新世(16.82±0.04~8.29±0.03 ka B.P.)平均分辨率达10 a的亚洲夏季风演变历史。无论在千年尺度还是百年尺度,甚至是十年际气候事件上,三星石笋δ18O记录的季风气候与北高纬气候都存在耦合关系。然而,在波令-阿勒罗德(B?lling-Aller?d)时期,与格陵兰冰芯所记录的温度逐渐回冷的趋势相反,亚洲夏季风表现出逐渐增强的过程。太阳辐射能量的增加和越赤道气流的增强有可能是引起此时期夏季风增强的主要原因。在前北方期(11.7~9 ka B.P.)时,南极温度、大气CO2浓度和CH4浓度等在新仙女木(Younger Dryas,YD)结束后均达到最大值,而石笋δ18O记录表明在YD冷事件结束后,直到9 ka B.P.左右亚洲夏季风才达到最盛期。冰消期结束后,虽然太阳辐射能量已经达到高值,但直到9 ka B.P.之前,北美大陆仍然残留较大的冰盖,有可能对夏季风的增强起到一定的限制作用。另外,早全新世南极变冷同样有可能通过加强越赤道气流来影响夏季风气候。     

南京年纹层石笋δ18O记录的冰期气候事件特征

根据南京葫芦洞一支石笋高精度²³⁰Th年龄及纹层计数建立24~21 ka B.P.时段平均分辨率3年的δ¹⁸O季风降水序列,精确标定了IS2事件的发生时间。通过与极地冰芯记录对比,发现G ISP2与石笋时标一致,而GR IP和NGR IP时标在相当事件上偏年轻800~2000年。结合洞内另一支不同时段的石笋年纹层记录,证实东亚季风降水与极地气候在反映气候事件特征上有所不同,季风气候在由干向湿的转型期(包括H2、H1)呈现阶梯式增长特征,其持续时间均超过600年,有可能说明除北大西洋温盐环流外,低纬太平洋海-气耦合也是东亚季风气候的重要触发源。     

中全新世7～6ka东亚季风气候的高分辨率石笋记录

基于神农架青天洞石笋两个²³⁰Th年龄、582条纹层计数和183个氧同位素数据,重建了7～6ka B.P.期间平均3年分辨率的δ¹⁸O变化序列。持续约580年振幅达1.8‰的δ¹⁸O在平均值-9.66‰上下波动,指示了东亚季风降水强度的长期演化趋势和高频振荡信息,大致划分为4个百年尺度旋回。青天洞与阿曼石笋δ¹⁸O记录的对比表明,东亚季风和印度季风在百年或更短时间尺度上同相位变化,可能反映了两地季风气候受统一的印度洋/太平洋大尺度水汽循环控制。功率谱分析揭示出163、81、16和11年的周期,大致与树轮Δ¹⁴C百年至数十年尺度太阳活动变化周期相同。     

中国季风区石笋氧同位素气候指示意义:主要争议与几个重要问题

对近些年来国内外广泛争议的话题——中国季风区岩溶洞穴沉积氧同位素组成(δ~(18)O)的气候指示意义进行了梳理,简要介绍了有关争议各方的主要观点。同时针对中国季风区洞穴沉积δ~(18)O的研究提出了几个重要问题:同位素平衡分馏的检验问题、洞穴沉积δ~(18)O记录的相似性(重复性)与差异性,以及洞穴通风可能对洞穴沉积δ~(18)O记录的影响等。这些问题涉及到洞穴沉积δ~(18)O记录与气候指标之间的联系机制,对其探讨可能有助于解决有关争议。因此,建议在今后的研究中应该重点关注这些问题,因为洞穴沉积δ~(18)O与气候环境指标之间的联系机制是中国季风区内应用洞穴沉积δ~(18)O进行古气候古环境研究的基础。     

双台风"纳沙""海棠"期间福州降水δ18 O特征及影响因素

基于2017年第9号台风"纳沙"和第10号台风"海棠"登陆前后福州降水同位素数据,结合相关气象资料,分析了分别来源于西太平洋和中国南海的双台风期间福州降水中δ~(18)O值的变化特征及影响因素。双台风期间,δ~(18)O值变化范围为-2. 6‰～-17. 0‰,振幅达14. 4‰。2个不同水汽来源的台风影响期间,福州降水δ~(18)O的变化均呈现出3个阶段的变化特征,近似"几"字形。2个台风的前端和尾端降水δ~(18)O值相对偏正,平均值为-6. 9‰～-8. 9‰,接近福州夏季降水δ~(18)O平均值,受蒸发效应影响显著;而中端降水δ~(18)O值极端偏负,平均值分别为-13. 4‰和-12. 4‰,远低于福州夏季降水δ~(18)O平均值。研究发现,台风中端降水δ~(18)O值的极端偏负与水汽来源、水汽通道及降水量的变化关系较小,主要受"云雨区效应"的影响。