东亚季风95～56 ka BP期间D/O事件年代的精确测定:以中国神农架山宝洞石笋为例

据中国湖北神农架山宝洞内两根石笋的 23个U/Th年龄和532δ18O测试数据,建立了末次冰期95～56 ka BP时段平均分辨率为80 a的石δ18O时间序列.该记录可与南京葫芦洞δ18O记录作良好拼接,从而完整地揭示95 ka BP以来东亚夏季风环流千年尺度气候变化特征,其变化趋势与65°N太阳辐射曲线类似.与格陵兰冰芯δ18O记录的Dansgaard/Oeschger (D/O)1-22事件对比表明,东亚夏季风千年尺度气候振荡与高北纬地区海-气快速重组存在遥相关效应.石笋记录对D/O 事件的精确标定有可能进一步校正格陵兰冰芯时标.研究时段石笋记录的D/O事件与格陵兰North GRIP和GISP2冰芯时标存在不同程度的差别,其中D/O19-20两个事件的年龄偏差远超出铀系定年误差(±0.6ka).D/O19-20晚于North GRIP时标1～2 ka,而早于GISP2时标3～4 ka.与南半球巴西石笋δ18O记录对比表明,南北半球降水的D/O事件存在反相位关系,支持千年尺度海-气耦合的跷跷板("See-saw")模式.     

倒数第三次冰消期亚洲季风气候可能的类Younger Dryas事件

对湖北省神农架两个高海拔洞穴(天鹅洞: 海拔1600 m; 永兴洞: 海拔1400 m)石笋实测了7个U-Th年龄、560个氧同位素以及年纹层厚度变化序列. 天鹅洞石笋十年际分辨率δ ¹⁸O曲线十分类似于江苏南京和贵州荔波石笋记录的波令暖期和新仙女木事件基本特征, 表明本区石笋δ ¹⁸O反映了区域性亚洲季风经向环流及其降水变化特征. 相距天鹅洞约70 km的永兴洞石笋高分辨率(平均30 a左右) δ ¹⁸O时间序列揭示了倒数第三次冰消期亚洲季风突变过程. 基于3个U-Th年龄和连续5000 a左右生长纹层计数结果, 在245±5 kaBP左右冰消期识别出一个千年级冷事件. 这一事件持续时间为1371±59 a, 并在74±4 a内快速向间冰期(MIS7e)突变, δ ¹⁸O的变幅达2.30‰, 相当于冰期/间冰期振幅的1/2强. 这些事件特征类似于亚洲季风区石笋δ ¹⁸O记录的新仙女木事件, 说明新仙女木事件不是末次冰消期的一次偶然事件, 很可能是第四纪冰盖、大尺度海洋/大气环流耦合作用的产物.     

葫芦洞石笋记录的19．9-17．1ka BP东亚夏季风增强事件

南京葫芦洞石笋（No．H82）高分辨率δ^18 O序列已表明16．5～10．3ka BP时段东亚季风与极地气候在千年尺度事件上存在耦合关系．现根据7个高精度^230Th年龄和573个δ^18 O数据,将这一石笋的高分辨率δ^18 O时间序列延伸至22．1ka BP,从而提供了末次盛冰期10a分辨率的连续东亚季风气候记录．石笋δ^18 O记录表明H1事件内部的次级季风减弱事件与格陵兰寒冷事件在世纪尺度上具有同步性．该记录显示在19．9～17．1ka BP存在显著的东亚夏季风增强事件,其平均夏季风强度相当于BФlling暖期的1／2,夏季风最强时甚至接近于BФlling暖期．这一季风增强事件在北半球海洋和陆地记录中均有不同程度的体现,可能是热带太平洋Super-ENSO响应于岁差周期太阳辐射的结果．     

珠穆朗玛峰东绒布80.36 m冰芯δ18O记录的气候意义

珠穆朗玛峰东绒布80.36 m冰芯δ18O记录与喜马拉雅山南、北坡气象资料和北半球气温变化之间的关系表明, 该冰芯δ18O基本上不反映年际温度的变化, 但冰芯δ18O与净积累量具有负相关关系, 这是该地区夏季降水(占全年降水量的80%以上)中δ18O"降水量效应"的一种具体表现. 东绒布冰芯δ18O的变化可作为印度季风活动强弱变化的替代指标. 在季风活动强盛阶段, 冰芯中δ18O平均值较低; 在季风活动衰弱阶段, 冰芯中δ18O平均值较高.     

不同外强迫对20世纪全球季风降水变化趋势的影响——NCAR CCSM3.0模式结果分析

利用NACR CCSM3.0气候系统模式的20世纪气候模拟试验(20C3M)结果,在检验模式对全球季风区、季风降水模态以及1979-1999年全球季风降水趋势的模拟性能基础上,研究了全强迫、自然强迫以及人类活动强迫等因子对20世纪全球季风降水变化趋势的可能影响。结果表明:全球季风降水在全强迫的作用下在20世纪呈线性增长趋势,且这个增长趋势主要是由于人类活动强迫影响造成的,进一步分析得到主要是由于人类活动强迫中的温室气体因子影响所导致的.在温室气体强迫作用下会产生"东太平洋冷—西太平洋暖"这一形势,有利于水汽传输合并进入东半球季风区,加上其引起的全球海陆热力差和半球热力差的增大会加大季风低压,使得相应的水汽辐合和越赤道气流的增大从而引起全球季风降水的增长.自然强迫作用下也会引起20世纪全球季风降水的增加,但增长趋势并不明显.而硫酸盐和黑碳气溶胶会减弱全球季风降水在20世纪的增长趋势,硫酸盐气溶胶主要引起北半球季风降水的减少,而黑碳气溶胶主要引起南半球季风降水的减少.     

东亚季风95~56 ka BP期间D/O事件年代的精确

据中国湖北神农架山宝洞内两根石笋的 23个U/Th年龄和532个δ ¹⁸O测试数据, 建立了末次冰期95~56 ka BP时段平均分辨率为80 a的石笋δ ¹⁸时间序列. 该记录可与南京葫芦洞δ ¹⁸O记录作良好拼接, 从而完整地揭示95 ka BP以来东亚夏季风环流千年尺度气候变化特征, 其变化趋势与65°N太阳辐射曲线类似. 与格陵兰冰芯δ ¹⁸O记录的Dansgaard/Oeschger (D/O)1-22事件对比表明, 东亚夏季风千年尺度气候振荡与高北纬地区海-气快速重组存在遥相关效应. 石笋记录对D/O 事件的精确标定有可能进一步校正格陵兰冰芯时标. 研究时段石笋记录的D/O事件与格陵兰North GRIP和GISP2冰芯时标存在不同程度的差别, 其中D/O19-20两个事件的年龄偏差远超出铀系定年误差(±0.6ka). D/O19-20晚于North GRIP时标1~2 ka, 而早于GISP2时标3~4 ka. 与南半球巴西石笋δ ¹⁸O记录对比表明, 南北半球降水的D/O事件存在反相位关系, 支持千年尺度海-气耦合的跷跷板(“See-saw”)模式.     

重庆新崖洞XY2石笋δ18O记录的57~70 ka BP古气候变化及其对D-O和H事件的反映

重庆新崖洞XY2石笋57~70 ka BP之间的高分辨率δ¹⁸O记录在相当于冰芯记录中的D-O 18暖事件时期, 复现了冰芯记录中的“缓慢变冷, 快速变暖”的气候转换特征. δ¹⁸O在59和64 ka BP分别有极小值, 反映气候相对暖湿, 夏季风较强; 而在60 ka BP有极大值, 夏季风较弱. 它们分别对应于北半球高纬度记录中的Dansgaard-Oeschger(D-O)17至18暖事件以及Heinrich 6(H6)冷事件. 这与葫芦洞(Hulu)MSL石笋的记录相当一致, 但是两者与董歌洞(Dongge)D4石笋的记录差异较大. 这说明石笋δ¹⁸O记录在反映夏季风变化时, 空间上既有相似之处, 又有明显差别. 要取得中国东部夏季风变化的整个格局, 多地点多记录的研究工作是十分必要的. 此外与深海氧同位素记录不同的是, 高分辨率石笋δ¹⁸O记录均显示在MOIS4的最冷时期(64~65 ka BP)中国东部地区的气候对应于D-O18暖事件, 说明海陆相的气候变化是有差异的.     

近千年气候格局的环流背景:ENSO态的不确定性分析与再重建

全球增温在最近10余年是否停滞这个问题,引起了包括IPCC的广大气候研究科学共同体的关注.一些作者将停滞归因于气候系统内部变动即海气环流的重组,由此对近千年气候变化的环流背景重建提出了更高要求.然而,综观对近千年海洋-大气环流变化的分析及其与区域气候格局关系的结论,各家众说纷纭,以致矛盾重重,给区域乃至全球气候变化认识带来很大的不确定性.另一方面,近10年来高精度U-Th定年的石笋氧同位素比值(δ~(18)O)序列为中晚更新世古气候研究提供了较为精确的年代框架,其间中国作者无一例外将中国石笋δ~(18)O作夏季风指标解释,这种解释反映在气候学家的应用和模型中就成了降水要素.但事实是,所有这些记录在低频趋势变化上具有很大的共同性,而多数序列不能被器测降水记录所校准,这样就更增加了中国区域乃至全球气候研究架构的不确定性.因此,尽早厘清矛盾的由来,并降低研究中的不确定性,是当今气候科学必须做的一件事情.本文在分析证明中国季风区石笋δ~(18)O意义的基础上,尝试提出一个新的环流代用指标:集成中国石笋δ~(18)O序列重建近千年热带太平洋纬向海温梯度即大尺度ENSO态,进而推测现代与中世纪虽然同为暖期,却出现了不同的环流重组,这个推论可以得到更长的末次盛冰期以来记录的支持.换言之,中国石笋δ~(18)O低频趋势大区域一致的归因分析表明,ENSO态从不同时间尺度(从年际到百年以至更长尺度)控制了中国季风区气候变化,而其中重要的环流桥梁是西太副高,即西太副高本身除了年际、年代际变化以外,还具有更长时间尺度的环流模态.比如,我们可以讨论西太副高在整个全新世即半个岁差的变化.这些讨论也许不仅仅对于古气候,而且对于现代气候研究也不无意义.     

过去640ka亚洲季风变化的多尺度分析

高分辨率、高精度定年的石笋δ~(18)O记录现已扩展到640ka,这为研究亚洲季风多尺度特征与驱动机制提供了新的契机.基于经验模态分解法(EMD),文章分析了该序列的轨道和千年尺度的特征、贡献及其控制因素.在轨道尺度上,四个主要周期(11.6、23.3、42.4和95.5ka)对石笋δ~(18)O记录的贡献率为76.3%,其中岁差和半岁差周期的贡献率分别为31.1%和30.7%.交叉谱分析显示,显著的半岁差周期信号与南北半球30°太阳辐射极大值变化(BHI)的半岁差周期基本吻合,由此认为低纬降雨和温度变率对半球间低纬太阳辐射放大响应,进而影响亚洲季风的强度变化.在千年尺度上,分别有5ka和1～2ka的显著周期,大致对应于经典的Bond和Dansgaard-Oeschger旋回.海洋沉积和石笋记录交叉谱分析显示,二者在千年尺度上的变化呈现出强烈的相关性,特别是5ka周期稳定贯穿两个记录始终且信号明显,说明5ka周期是中晚更新世以来冰期-间冰期旋回的特征周期,可能是全球冰盖和太阳辐射共同作用的结果.     

末次冰消期亚洲季风突变事件的精确定年: 以贵州衙门洞石笋为例

通过贵州衙门洞Y1石笋33个U/Th年龄和1020个氧同位素数据的分析, 重建了西南地区末次冰消期至全新世早期(16.2~7.3 ka BP)平均分辨率达9 a的亚洲夏季风演化特征. 该时段发生的气候突变事件, 在Y1石笋记录中得到明显揭示, 类似格陵兰冰芯记录的GI-1e~GI-1a事件(GIS)可以定义末次冰消期亚洲季风突变事件的中国基准(CIS)为A.1e~A.1a, Y1石笋d ¹⁸O值记录这些事件的开始时限分别为: (14750±50), (14100±60), (13870±80), (13370±80) 和(12990±80) a BP; A.1a结束进入YD事件为(12850±50) a BP, YD结束进入全新世为(11500±40) a BP, 其中BA转换(A.1e开始)和YD转换前后d ¹⁸O值有3‰的变幅. Y1记录区域对比表明亚洲季风在早全新世期间总体增强的趋势在各地区并没有显著的相位差异, 因而不支持东亚和印度季风在轨道尺度上的反相位关系. Y1记录支持近10年来石笋研究的结果, 即亚洲季风气候变化的驱动机制除了主导的太阳辐射、大西洋径向环流(MOC)及热带辐合带 (ITCZ) 运移外, 短尺度上的季风变化和太阳活动密切相关.     

珠穆朗玛峰东绒布80.36 m冰芯δ 18O记录的气候意义

珠穆朗玛峰东绒布80.36 m冰芯δ ¹⁸O记录与喜马拉雅山南、北坡气象资料和北半球气温变化之间的关系表明, 该冰芯δ ¹⁸O基本上不反映年际温度的变化, 但冰芯δ ¹⁸O与净积累量具有负相关关系, 这是该地区夏季降水(占全年降水量的80%以上)中δ ¹⁸O“降水量效应”的一种具体表现. 东绒布冰芯δ ¹⁸O的变化可作为印度季风活动强弱变化的替代指标. 在季风活动强盛阶段, 冰芯中δ ¹⁸O平均值较低; 在季风活动衰弱阶段, 冰芯中δ ¹⁸O平均值较高.     

全新世东亚夏季风最强盛期出现在何时?——兼论中国南方石笋氧同位素的古气候意义

探寻全新世东亚夏季风演变过程,不仅有利于在更长时间尺度上深化对季风动力学的理解,也能够为研究中华文明发展提供环境和气候背景,因此历来受到研究者的重视.然而,对于全新世东亚夏季风最强盛期究竟出现在早全新世、中全新世甚或晚全新世仍然存在争议.虽然目前以中国南方石笋氧同位素记录反映的"早全新世夏季风最强"观点较为流行,但该指标是否能真实可靠地表征东亚夏季风强度变化正受到愈来愈多的挑战.本文根据最新的资料和认识,对上述问题进行了评述性回顾.建议以北方降水量作为衡量东亚夏季风强度的标准,并据此标准探讨了全新世东亚夏季风的演变历史,认为全新世中期为季风最强盛期.区域对比显示出东部季风区北方和南方降水在不同时间尺度均存在明显差异,这种差异与石笋氧同位素记录在空间上的相似性存在矛盾.观测和模拟资料均表明,中国南方石笋氧同位素代表的是降水氧同位素而非降水量的变化,因而不宜作为东亚夏季风强度的代用指标.最后,我们对有待进一步深入研究的问题,包括轨道尺度上东亚夏季风的驱动机理、中国石笋氧同位素的大尺度气候学意义、环流与东亚季风区降水的关系等进行了展望.     

轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

从相位差探讨更新世东亚季风的驱动机制

南海南部ODP1143站和北部ODP1144站的深海有孔虫氧碳同位素、蛋白石和孢粉记录第一次揭示了更新世轨道尺度上东亚季风演变与轨道驱动及全球冰量变化的关系. 1143站和1144站的Globigerinoides. ruber δ¹³C、蛋白石百分含量、松类花粉(Pinus)和草本花粉的百分含量均表现出很强的偏心率、斜率和岁差周期. 1143站的G. ruber δ¹³C与地球轨道参数(ETP = 正交化的偏心率+正交化的斜率-正交化的岁差)在偏心率、斜率和岁差周期上都相关, 然而大部分的相关关系都集中在岁差周期上; 其他的季风替代性指标与ETP只在岁差周期上相关. 这说明更新世热带地区的气候变化主要受地球轨道的岁差控制. 东亚季风替代性指标与有孔虫δ¹⁸O曲线的对比以及它们之间的交叉频谱分析表明, 更新世全球冰量变化对东亚季风至少是东亚冬季风产生了重大的影响, 这与印度季风的驱动机制显然不同. 东亚季风, 至少是东亚冬季风在岁差周期上的演化, 部分地受控于地表的感热对太阳辐射的响应, 也受控于南海表层海水的潜热对太阳辐射的响应.     

南京葫芦洞石笋δ13C对冰期气候的复杂响应与诊断

文中重建了南京葫芦洞内距今75~10 ka期间7支石笋δ¹³C的时间变化序列, δ¹³C曲线在重叠时段均具有一致性波动形式. 在最后一个冰期/间冰期旋回, δ¹³C值变化幅度达6‰, 反映了C3/C4植被类型变化对δ¹³C的主控作用. 然而, 在末次冰期格陵兰冰心记录的DO暖事件时(千年尺度), δ¹³C与指示降水变化的δ¹⁸O呈反相关, 主要反映了快速渗水条件下洞穴岩溶水对土壤CO₂溶解量的降低. 据同期生长石笋δ¹³C和δ¹⁸O对比分析, 石笋碳同位素动力分馏程度与生长速率有关. 进一步研究发现, 本区末次冰消期植被类型变化滞后于降水变化约700年.     

慕士塔格冰川地区降水中δ18O的时空变化特征

根据2002年6~8月和2003年5~8月期间在慕士塔格冰川西坡收集的降水样品, 探讨了该区降水中δ¹⁸O的时空变化特征. 分析结果表明, 观测期间降水中δ¹⁸O具有较大的变幅, 可达20‰左右, 其值随时间的变化趋势和气温的变化趋势基本一致. 该区降水中δ¹⁸O与温度存在正相关关系, 但与降水量无关. 在海拔5500~7450 m的范围内, 稳定同位素比率的高程效应显著. 降水中δ¹⁸O随海拔而垂直变化的梯度值接近-0.40‰/100 m. 综合目前山地高海拔区的降水中δ¹⁸O资料, 初步建立了全球山地高海拔区(>5000 m)降水中δ¹⁸O和海拔的关系.     

基于地磁场相对古强度变化的下蜀黄土年代序列及其古气候意义

分布于宁镇地区的下蜀黄土年代标尺研究薄弱.我们以镇江大港钻孔岩芯的下蜀黄土为例,探讨了下蜀黄土记录地磁场相对古强度的可靠性.岩石磁学的实验显示,下蜀黄土大体上符合估计相对古强度对沉积物的要求.以低频磁化率()作为天然剩磁(NRM300)的归一化因子,我们获得了下蜀黄土记录的地磁场相对古强度变化.通过与邻区和全球的单个及合成曲线的对比,我们发现大港钻孔岩芯的相对古强度记录展现出主要的全球偶极场的变化特征,因而可用于建立下蜀黄土的年代标尺.新的年代标尺表明,大港钻孔的磁化率年代序列与北方黄土无法直接对比,证实了该地点的下蜀黄土磁化率变化机制与北方的不同.大港钻孔下蜀黄土的沉积速率与磁化率相关,低风尘沉积速率对应低磁化率,是降水增加所导致的结果.沉积速率与磁化率年代序列显示,下蜀黄土记录的本区季风变化过程可分为4个阶段.阶段Ⅳ(819～700ka)对应中更新世转型阶段,东亚季风降水较少.阶段Ⅲ(700～412ka)对应中更新世的大间冰期,东亚季风降水最多.阶段Ⅱ(412～197ka)时东亚季风降水减少,较阶段Ⅳ略少.阶段Ⅰ(197～34ka)东亚季风降水最少.因此,中更新世气候转型后,长时间尺度东亚季风降水持续减少,可能受全球温度阶段性降低驱动.     

人为气溶胶导致全球陆地季风区降水减少的动力和热力过程

季风区生活着全球约2/3的人口,季风降水变化直接关系到当地的社会经济发展.观测证据表明20世纪后半叶以来全球陆地季风降水显著减少,理解自然和人为强迫影响该变化趋势的物理过程,对于未来水资源规划、旱涝灾害风险管理、减缓与适应策略的制定具有重要意义.文章通过比较观测资料和第五次耦合模式比较计划(CMIP5)5个全球气候模式不同外强迫试验模拟的1948～2005年全球陆地季风降水的变化,发现观测中全球陆地季风降水的变干趋势与气候模式人为外强迫试验结果,特别是人为气溶胶强迫试验的结果高度一致.利用最优指纹法的检测与归因分析表明,人为气溶胶强迫对该变干趋势的贡献为102%(5～95%的不确定性范围为62～144%).基于水汽收支分析比较热力和动力过程的贡献,发现人为气溶胶强迫主要通过减弱垂直水汽平流从而造成全球陆地季风降水减少.本文结果意味着如果未来季风区气溶胶排放不能得以控制,则季风降水可能会继续减少;而中国自2006年以来气溶胶排放的显著下降趋势,则有利于缓解季风区降水的减少趋势.     

大气环流对中东亚干旱半干旱区气候影响研究进展

亚洲干旱半干旱区占据北半球中纬度的大片区域,其主体是中东亚干旱半干旱区,该区域降水稀少、生态环境脆弱,对全球气候变化响应敏感.中东亚干旱半干旱区东部处于东亚季风区的边缘,受西风环流和季风环流的共同影响;中部和西部主要处于西风带气候区,为西风环流所控制.研究大气环流对中东亚干旱半干旱区气候的影响,对于认识和预测该区域的气候具有重要意义.基于近年来国内外学者针对大气环流对亚洲中、东部干旱半干旱区气候影响的研究,文章进行了系统回顾和总结.已有研究表明,大气环流对中东亚干旱半干旱区的气候具有不可忽视的影响.在强夏季风年,中国西北地区东南部受东亚夏季风影响,水汽通量显著增加,降水偏多;而弱夏季风年则相反,随着东亚夏季风的减弱,季风边缘的半干旱区气候呈现变干趋势;南亚季风的加强则使得更多的水汽输送至亚洲干旱半干旱区;高原夏季风与中亚地区夏季降水呈显著的正相关关系,而与中国华北地区、蒙古地区的夏季降水呈负相关.西风指数与中东亚干旱区的气温有显著的正相关关系,西风环流的变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

青藏高原南部季风降水中稳定同位素波动与水汽输送过程

利用NCEP气象数据建立模型来追踪青藏高原南部降水的水汽输送过程, 并与实测降水中氧稳定同位素数据进行对比分析, 讨论了青藏高原南部降水中δ¹⁸O波动与水汽输送过程的关系. 研究发现降水中极低的d18O都与低层洋面蒸发水汽输送有关; 远距离水汽输送时, 水汽输送过程中的降水使得稳定同位素的贫化作用加强, 结果实测降水中δ¹⁸O很低; 降水中低的δ¹⁸O值往往伴随着厚层水汽输送, 而且高层大气水汽的凝结作用强烈, 这一过程也加剧了稳定同位素的贫化, 使得实测降水中δ¹⁸O很低. 而降水中高的δ¹⁸O值无论是在季风降雨期的前后还是在季风活动阶段, 水汽输送都与高原面上蒸发的水汽有关, 而缺乏低海拔洋面蒸发的水汽输送, 并且水汽主要来源于北方或西方. 模型计算结果与稳定同位素的分馏机理相一致.