中原末次冰期间冰阶以来的古季风气候变迁

中原邙山黄土地层以巨厚的马兰黄土为特色。本文研究了末次冰期间冰阶以来邙山黄土－古土壤序列的粗颗粒含量和磁化率值曲线反映的冬夏季风变迁及其相互关系,发现在万年尺度上夏季风增强对应于冬季风减弱,冬季风增强对应于夏季风减弱,但在千年尺度上冬季风变化比夏季风强烈得多,而且末次间冰段开始时冬季风减弱明显早于夏季风增强。通过中原黄土记录与深海及冰芯Ｏ同位素记录的对比,发现短时间尺度气候变化阶段明显具有很大的区域性特征,它们不能简单地进行等时性全球对比,而应该通过各自独立的时间标尺来建立古气候变化的远距离联系。     

中更新世全球最大冰期与中国沙漠扩张

位于青藏高原和西北干旱区交界带的沙沟黄土剖面, 详细记录了0.8 Ma BP以来东亚季风系统和沙漠演化的历史. L6黄土层中, 中值粒径和砂粒含量表明当时冬季风极端强盛, 沙漠大规模扩张, 其范围仅次于末次冰期最盛期. 在0.6～0.7 Ma BP以前(即深海氧同位素MIS16阶段), 北半球高纬度大陆冰盖大规模扩展, 全球冰量达到最大, 并且西伯利亚冰盖的扩展, 还使得西伯利亚高压增强; 同时, 青藏高原上也发育了最大规模的冰川, 从而强化了西风和东亚冬季风. 其结果造成了中国季风边缘区的沙漠扩张. 虽然全球冰量和青藏高原是影响沙漠演化的重要因素, 但在不同的时段其机制可能有所不同, 也不能忽略其它因素的影响.     

苏北盆地末次间冰期以来的气候变化记录

通过对苏北盆地 XH1 钻孔上部 25 m 沉积岩心的研究,重建了苏北盆地末次问冰期以来的气侯环境变化.根据对苏北盆地 XH1 钻孔岩心地层年代、质量磁化率、孢粉的研究,可以较为清晰地划分出末次间冰期--深海氧同位素 5 阶段(25.0～16.5 m)、末次冰期早冰阶--深海氧同位素 4 阶段(16.5～12.5 m)、末次冰期间冰阶--深海氧同位素 3 阶段(12.5～9.5m)、末次冰期冰盛期--深海氧同位素 2 阶段(9.5～5.8 m)、冰后期--深海氧同位素 1 阶段(5.8～0 m).XH1 钻孔记录与深海沉积物氧同位素和古里雅冰心氧同位素的对比研究表明,它们之间有着较好的一致性,但苏北盆地 XH1 钻孔记录与我国西部古里雅冰心记录更为相似,这可能揭示了气候环境变化在全球背景下的区域性特征.     

临夏黄土记录的26万年来季风快速变化

黄土高原西部高分辨率黄土序列开展的多代用指标研究,有助于揭示轨道-亚轨道尺度上东亚冬、夏季风的变化特征及动力机制。但针对同一地质记录提取冬、夏季风多代用指标进行对比和敏感性分析的工作尚不多见,因此制约了对季风快速变化特征和机理的理解。本文利用甘肃临夏85 m黄土岩芯开展高分辨率的粒度、磁化率和元素扫描分析,发现在轨道尺度上粒度和Zr/Rb比值显示的大幅冰期-间冰期波动与深海氧同位素记录有很好的对应关系,表明东亚冬季风的波动响应于北半球高纬冰量的变化。但在千年尺度上,粒度能更敏感地响应冬季风的快速变化;Rb/Sr比值和磁化率均能很好记录轨道尺度上的东亚夏季风波动,但在亚轨道尺度上Rb/Sr的敏感性明显高于磁化率。粒度、Zr/Rb和Rb/Sr所指示的东亚季风快速变化表现出较强的岁差信号,与石笋和北纬65°夏季太阳辐射有较好的对应关系,表明东亚季风变化也受到岁差直接驱动的夏季太阳辐射变的控制。在最后两个冰期-间冰期旋回中(即末期冰期旋回和倒数第二次冰期旋回)Rb/Sr及Zr/Rb比值和粒度记录分别可以辨别出与石笋相同数量级的变暖事件,但粒度记录的暖事件明显要多于Rb/Sr及Zr/Rb比值,且这些暖事件并不能一一对应。粒度及元素比值记录显著变冷的千年尺度的Heinrich(H)事件与石笋记录的夏季风明显减弱的事件有很好的对应关系,但其发生频率明显高于海洋记录。这些指标记录的千年尺度上波动信号的不一致性主要归因指标对不同气候要素敏感性的差异。未来需要进一步开展高分辨率多代用指标敏感性分析,选取对季风快速变化的敏感指标,有助于我们理解季风快速变化的特征(如周期和幅度等)和分析季风快速变化的时空差异性。     

桂林地区水南洞14～25万年石笋的碳氧同位素记录和古气候重建

通过对桂林水南洞石笋进行高精度的热电离质谱(TIMS－U)测年和碳氧同位素分析,建立了桂林地区245.20 ka BP至147.90 ka BP间的古气候变化时间序列,确定了石笋记录的时段B与时段C分界的年龄为242.5±6.4 ka BP(相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段7与时段8分界的年龄)、时段A与时段B分界的年龄为 192.6±3.9 ka BP(相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段6与时段7分界的年龄)。桂林地区245.20～147.90 ka BP石笋记录的冷暖事件所反映出的古气候变化,大致可分为3个气候变化阶段:(1) 245.2～242.6 ka BP, 相当于深海岩芯氧同位素标准曲线阶段8的末期;(2) 242.5～192.6 ka BP,相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段7;(3)192.6～147.9 ka BP间的倒数第2次冰期, 相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段6的早中期。石笋的TIMS－U测年和碳氧同位素记录揭示,桂林地区245.2～147.9 ka BP的古气候演变历史与深海岩芯时段8末期、时段7和时段6的氧同位素,深海岩芯中记录的孢子花粉组合、CaCO3含量、海平面的升降变化以及与中国北方黄土、古土壤中记录的孢子花粉组合、成壤程度、全铁富集程度、磁化率变化、原生碎屑CaCO3含量和淋溶强度等所揭示的古气候和古季风变化具有极好的对应关系,表明桂林地区中更新世晚期以来的古气候演变既有全球性特征,又有着强烈的区域性特征。     

深海氧同位素第3阶段时期东亚季风区大气湍流特征

深海氧同位素第3阶段是末次冰期中的一段特殊时期,与全新世存在一定的相似性.为了深入分析深海氧同位素第3阶段时期的大气环境特征,本文利用黄土粒度的多组分特征,根据流体力学原理,指出其动力学原因是粉尘在搬运过程中风力、湍流和颗粒重力共同作用下形成的分选结果;黄土-古土壤粒度分布中的粗、中粒组分中值粒径近似反映了源区起尘时和沉降区降尘时近地表大气湍流强度的变化.对渭南地区黄土剖面的分析发现,末次冰期深海氧同位素第3阶段以来在中国黄土区存在大致以4千年为周期交替出现的强湍流期与弱湍流期,强湍流期对应于降温事件,如Heinrich事件,并存在着3种源区环境控制的不同大气湍流类型;在深海氧同位素第3阶段粉尘源区和沉降区都存在两种不同大气环境类型在时间上的频繁同步交替,具有高度的不稳定性和周期性波动特点,与末次冰盛期的大气环流模式可能相似,而与全新世不同;同时在该时期的强湍流降温期源区进退较明显、沉降区环境稳定,而弱湍流期源区较稳定、沉降区大气环境变化较大.     

民和黄土粗颗粒组分的气候意义初探

民和黄土各粒径组分含量变化与磁化率曲线对比,并进行相关分析发现：民和黄土〉３０μｍ的粗颗粒组分可以作为较敏感的东亚冬季风代用指标。明确了民和黄土粗颗粒组分与气候变化的良好对应关系。     

Heinrich事件和末次冰期气候的不稳定性

对北大西洋深海沉积物的研究表明：末次冰期北大西洋沉积物记录中有多次洋面温度降低、有孔虫含量减少、盐度降低和粗颗粒的碳酸盐碎屑快速堆积的现象，这些时间跨度上千年或几百年的气候快速波动被称为Heinrich事件^{［１－４］}，很难用古气候的米兰科维奇理论来解释。最近对末次冰期中国马兰黄土堆积的调查发现，在末次冰期之中东亚冬季风也有多次加强，它与北大西洋沉积物中的Heinrich事件对应很好，暗示着东亚季风的变迁更直接受控于北半球冰量的变化，而不是过去人们认为的东亚古季风气候变化与地球轨道变化引起太阳辐射变化直接相关。      

第四纪气候变化机制研究的进展与问题

自从20世纪50年代海洋沉积氧同位素记录被揭示以来,经典的陆地4次冰期理论被新的认识所取代,人们发现第四纪以来冰期—间冰期旋回远远不止4次,并且从深海沉积和陆地黄土获取的古气候变化记录与地球轨道参数变化可以对比,为揭示第四纪古气候变化机制构建了明确的框架。近年来有关末次冰期不稳定气候事件的揭示也为深入认识古气候变化特征提供了新的证据。然而冰期—间冰期旋回机制、南北半球在冰期—间冰期循环过程中的耦合机制以及气候不稳定事件发生机制仍然是困扰古气候研究者的重大问题。     

末次间冰期以来沙漠－黄土边界带的环境演变

沙漠－黄土边界带地处东亚季风边缘，这一地区的风成沉积即古风成砂－黄土－古土壤序列很好地反映了东亚季风环流的演变历史。末次间冰期的沉积(Ｓ１)由三层古土壤和夹于其间的两层黄土组成，可与深海氧同位素阶段５的五个亚阶段(ａ－ｅ)则很好对比。末次冰期的沉积(Ｌ１)由三层古风成砂和夹于其间的两层黄土构成，由此反映了与上述三层古风成砂对应的阶段２、阶段４及阶段３的中期是沙漠－黄土边界带冬季风活动加剧、沙漠扩大的时期。全新世的沉积是由一层草原上(Ｓ０)和其上的流沙组成，但这层流沙是在最近两千年来不合理的人类活动和当地特定风场条件的共同作用下形成，已不具备明显的气候指示意义。     

末次盛冰期北美风成环境变化及其在全球气候突变事件中的意义

本文用末次冰期北美大冰盖南缘的风尘堆积记录来重建末次盛冰期的亚极地环境变化.磁化率、有机碳含量和潜育化程度的资料表明,末次盛冰期的前期(约21000～15000aB P.)植被覆盖较差,而后期(15000～10000aB.P.)植被覆盖较好,15 000aB.P.环境发生了急剧的变化,磁化率曲线显示了大约1000a的氧化-还原周期.这种大约1000a的环境变化周期很可能由低纬地区的海洋和大气的扰动所驱动,这种扰动的能量通过北美大冰盖及时地传递到北大西洋.     

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

白令海北部陆坡100ka来的古海洋学记录及海冰的扩张历史

白令海北部陆坡B2-9柱状样中生源组分的研究显示, 自MIS5.3期以来表层生产力指标的粗组分和蛋白石含量呈阶梯状增加, 反映表层生产力阶段式的增长.全新世表层生产力达到最高, 并且MIS3.2~2期高, 比MIS5.3~3.3期最低.高有机碳含量对应于高C/N比值, 显示有机碳混合来源, 不能作为表层生产力的指标.MIS5.1, 3.3~3.2期和全新世高的有机碳含量和C/N比值反映间冰期陆源有机物质输入量的增加.MIS5.3期至中全新世, 不断增加的陆源砂级和粉砂级颗粒组分说明随着气候的逐渐变冷, 陆架海冰在不断扩张.伐冰碎屑和碳屑颗粒冰期、间冰段和末次冰消期升高, 而间冰期降低, 反映冰期白令海陆架海冰扩张和间冰期海冰消融的过程.冰期海冰扩张与北美大陆气候的相互关联, 揭示了晚第四纪冰期旋回中白令海海冰扩张及其对全球气候变化的响应.      

最近130ka来黄土物质化学风化的空间观察

选取黄土高原48个末次间冰期以来沉积剖面中的248个黄土、古土壤和弱发育土壤层的代表性样品,对它们的酸不溶物进行了主量元素的分析。结果表明,在已有的几个不受粒度影响的化学风化指标中,(CaO MgO Na2O)/TiO2比值对气候条件变化具有相对较高的敏感性,且受沉积速率的影响较小。在源区风化状况相对稳定的前提下,它是一个反映夏季风变化较为有效的指标。根据该指标在黄土高原上的空间等值线图,发现其从北到南间冰期的变幅大于冰期,这可能表明间冰期时夏季风降水在黄土高原的变化梯度要大于冰期。     

黄土高原第四纪粉尘沉积速率的时空变化及其意义

本文系统地计算了黄土高原洛川、西峰、宝鸡、西安刘家坡、兰州九洲台、西宁大墩岭黄土剖面的粉尘沉积速率,发现粉尘沉积速率除随冰期、间冰期具有明显波动外,还呈现时间上由老向新的阶段性升高,空间上由西北向东南降低的总体趋势。第四纪以来,黄土高原粉尘沉积速率出现了几次异常增高的时期,它们与青藏高原隆起时段相吻合。距今约70万年,该区冬季风出现重大调整,冬季风风力明显的逐步增强,风向偏转到NW方向。粉尘沉积速率可作为我国冬季风强弱变化的较好指标。     

Zr/Rb ratio in the Chinese loess sequences and its implication for changes in the East Asian winter monsoon strength

The long-term dust accumulation sequences on the Chinese Loess Plateau (CLP) provide a valuable opportunity to study the evolution of East Asian winter monsoon strength. Grain size of bulk samples of loess deposits, though widely used, is a modified measure of the strength of winter monsoon wind due to modification by post-depositional weathering and pedogenesis. This study proposes a new and reliable geochemical climate proxy that records the variability of the East Asian winter monsoon on the CLP. Six loess-paleosol sections on the Plateau were selected for measuring concentrations of the trace elements Zr and Rb as well as grain size. Variations of the Zr/Rb ratio in all the sections encompassing the last 130 ka display a generally similar pattern to that of mean grain size of bulk samples (MGSB). Though a positive correlation exists between the Zr/Rb ratio and MGSB, the correlation coefficient decreases in southern and eastern sections where intense pedogenesis occurred in the relatively warm and humid climates. Long-term Zr/Rb variation in the Lingtai section exhibits amplitudes and frequencies similar to those in MGSB and the mean grain size of quartz particles (MGSQ, accepted as a more reliable proxy than MGSB) in the upper loess-paleosol sequence over the past 2.6 Ma. However, for the underlying Red Clay formation, in the interval from about 7-2.6 Ma B.P., the MGSB record is relatively stable, whereas both the Zr/Rb ratio and MGSQ show distinct variability and display amplitudes similar to those observed in the overlying loess-paleosol sequence. These results demonstrate that the Zr/Rb ratio reflects original eolian grain size and may serve as a reliable index of the strength of East Asian winter monsoon winds.     

洛川黄土记录的最近2500ka东亚冬夏季风变化周期

对厚约１４０ｍ的陕西洛川坡头村黄土剖面进行间距３～１０ｃｍ的系统采样,测量了全部样品的磁化率和粒度,选择〉３０μｍ颗粒百分含量和磁化率分别作东亚冬,夏季风强度变化的替代性指标,以新建立的时间标尺为基础,分析了最近２５００ｋａ以来东亚季风变化的周期特征。结果表明,第四纪东亚冬,夏季风变化时间序列包括含有１００ｋａ,４１ｋａ和２３ｋａ地球运动轨道要素变化的周期,同时包含有约８０ｋａ,５６ｋａ和３０ｋａ     

Sub-millennial scale variations in East Asian monsoon systems recorded by dust deposits from the north-western Chinese Loess Plateau

Previous work has demonstrated that magnetic properties and sediment particle size of Chinese loess deposits provide information on past behaviour of Chinese summer and winter monsoons, respectively (Heller and Evans, 1995; Derbyshire et al, 1997). It has been suggested that the East Asian winter monsoon system in particular is teleconnected on earth orbital and sub-orbital timescales to climatic states and events in high northern latitudes, especially northern hemisphere ice volume and Heinrich events, (Porter and An, 1995; Chen et al., 1997). However, the majority of this research has been performed around the central part of the Chinese Loess Plateau where the rate of dust accumulation is relatively low, thus limiting the potential resolution of palaeoclimatic records. Here we present a high resolution (5mm / ~20 yr interval) magnetic susceptibility record from an thick loess deposit located at Caoxian in the north-western part of the Loess Plateau. The record spans the “Lateglacial” (last glacial / interglacial transition) and when placed on a palaeomagnetic chronology shows a relationship with the GISP2 proxy air temperature record from Greenland (Grootes et al., 1993; Meese et al., 1994; Stuiver et al 1995). The results demonstrate that several Lateglacial climatic fluctuations previously reported in the North Atlantic region and in Europe are also recorded in China. In addition, the apparent absence of a signal corresponding to the Bølling Interstadial in China during the early deglaciation suggests that, at certain times, the apparent North Atlantic — Asian monsoon teleconnection may have collapsed. The demonstrated ability of the loess deposits to resolve sub-millennial scale climate variations points to their potential as a previously unexplored archive for very high-resolution studies of terrestrial climate.     

The precession phase of hydrological variability in the Western Pacific Warm Pool during the past 400 ka

The low-latitude hydrological cycle is a key climate parameter on different timescales, as it contributes to various feedback processes. Modelling studies suggest that the interhemispheric insolation contrast is the major factor controlling the cycle, although the influence of glacial conditions and the phase relationships relative to insolation forcing remain undetermined. In this work, we studied precipitation variability over Papua New Guinea (PNG, 3°S) for the past 400 ka using terrigenous fractions transported by the Sepik River to the Western Pacific Warm Pool (WPWP). A multi-decadal to centennial resolution of the elemental content was obtained using X-ray fluorescence scanning of a marine sediment core using an age model based on ¹⁴C dates and benthic foraminiferal δ¹⁸O. Indicators of the coarse river particulate fraction (bulk and CaCO₃-free basis Ti concentrations, the log intensity ratios of Ti/K and Ti/Ca) displayed a dominant 23 ka periodicity without a clear glacial–interglacial trend. Our precipitation records showed a tight relationship with local summer insolation (3°S, January) with time-dependent lag of 0 to 4 ka. They were generally in anti-phase for U–Th dated Chinese speleothem δ¹⁸O records. Based on an analogy to modern climate, we propose that precipitation over PNG was primarily determined by interhemispheric insolation contrast, and the contribution of austral fall/winter precipitation added second-order variability that formed the lags. For the last four climate cycles, the WPWP hydrological cycle was closely associated with the eastern Asian monsoon, and the influence of glacial conditions on the low-latitude hydrological cycle was estimated to be limited.