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.     

湖北永兴洞降水对2015年厄尔尼诺的响应

通过对湖北永兴洞为期3年（2013年6月至2016年7月）的地表降水δ¹⁸O观测,发现该地点降水δ¹⁸O在2015夏季显著偏正。利用HYSPLIT后向轨迹方法对永兴洞降水水汽来源进行分析,结果表明在厄尔尼诺事件的影响下2015年夏季来自远源印度洋的水汽显著减少,而近源太平洋水汽相对增多,即降水δ¹⁸O因"环流效应"而偏正。本研究提供的观测证据表明永兴洞石笋δ¹⁸O记录在重建ENSO主导下的亚洲季风大气环流方面具有重要潜力。

     

末次冰期亚洲季风千年尺度事件的频谱特征分析

基于神农架永兴洞3支石笋氧同位素记录,拼接重建了末次冰期88~22 ka B.P.平均分辨率达70 a的东亚季风演变序列。本文以小波诊断技术为基础,对去除65°N夏季太阳辐射和72 ka异常事件影响的石笋δ¹⁸O进行了多时间尺度分析。小波频谱分析结果表明,末次冰期亚洲季风具有明显的近8 ka、4 ka、2 ka左右的周期。其中近8 ka周期是唯一一个贯穿整个末次冰期的显著周期。小波方差分析结果也显示该时段仅有1个突出的峰值,对应时间约为7.7 ka。进一步分析发现这个周期组分其实也出现在格陵兰冰芯δ¹⁸O和南极温度变化中,可能被年龄误差和异常事件所掩盖。已有的千年尺度机制难以有力地解释该周期组分,我们利用外差法对轨道参数的周期进行分解,获得16 ka周期,这个周期的一半刚好与发现的8 ka周期相匹配。因此,地球轨道参数单独或共同作用,引起海表温、大冰盖、海洋/大陆生态系统的变化,通过大气、大洋等环流作用,从而产生地球气候系统轨道和千年尺度的振荡。

     

亚洲夏季风9.2 ka事件的湖北落水洞高分辨率石笋记录

基于湖北省落水洞一支长550 mm石笋的23个²³⁰Th年龄、1099个氧同位素数据,重建了12.96~1.53 ka B.P.时段的平均分辨率为11 a的亚洲夏季风演化序列。该序列记录了在9.2 ka B.P.时存在一个显著的弱季风事件（称为"9.2 ka"事件）,"RAMPFIT"法分析显示："9.2 ka"事件的持续时间在9.8~9.2 ka B.P.之间,亚洲夏季风在"9.2 ka"事件中表现出开始时缓慢减弱（219 a）、结束时迅速增强（78 a）的特征,事件内部存在两个次一级的振荡,曲线呈"两谷夹一峰"的不对称"W"型结构特征。"9.2 ka"事件受太阳活动和北大西洋淡水注入的共同影响,此时太阳活动减弱,且发生淡水注入事件,导致温盐环流减弱,赤道辐合带南移,促使亚洲夏季风减弱。

     

近2000年来东亚夏季风突变的落水洞高分辨率石笋记录

基于湖北落水洞石笋（LS45）7个²³⁰Th年代结果和260个氧同位素测试数据,重建了近2000年来平均分辨率为6 a的东亚夏季风变化序列,该序列在280~800 A.D.、800~1400 A.D.和1400~1850 A.D.季风强度呈弱-强-弱的演变特征,分别对应于黑暗时代冷期（DACP）、中世纪暖期（MWP）和小冰期（LIA）3个典型气候期。LS45记录显示近2000年来东亚夏季风强度总体呈减弱趋势,并叠加数次百年尺度的振荡旋回。其中DACP和LIA并非持续几个世纪的连续弱季风时期,且内部还存在明显的数十年尺度强弱波动,δ¹⁸O振幅范围约为0.6 ‰。在DACP向MWP转变期间,δ¹⁸O值快速负偏,持续时间约40~50 a,变化幅度约0.7 ‰,指示夏季风突然增强。和尚洞、万象洞、Dandak洞的石笋记录以及Laguna Pallcacocha沉积物红度记录均显示了这一快速转变过程,暗示大尺度大气环流可能发生快速转型。进一步将中国石笋记录与太阳活动、厄尔尼诺、大西洋海表温度和北半球温度指标记录进行对比,发现这些记录之间存在良好对应关系和相似特征,表明百年-十年际尺度季风变化可能与太阳活动、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和大西洋多年代际震荡（AMO）变化密切相关。因此,本文推测ENSO和AMO可能是太阳活动影响亚洲季风变化的关键因子。

     

湖北玉龙洞石笋多指标记录的4.2 ka事件

利用湖北神农架利川市玉龙洞一支长约400 mm的石笋（TCL）,结合稳定同位素、微量元素以及灰度等多指标重建了14.4 ka B.P.~2012 A.D.时段十年际分辨率的东亚地区气候与环境变化。该时段内,δ¹⁸O变化范围为-9.5 ‰~-6.6 ‰,平均值为-8.48 ‰。该记录与亚洲季风区同时段其他石笋记录重现性良好,说明石笋δ¹⁸O可以较好地反映轨道至千年尺度的亚洲夏季风强度变化。结合其δ¹³C、微量元素以及灰度重建了多指标气候变化。石笋δ¹³C变化范围是-8.2 ‰~-3.8 ‰,围绕均值-5.4 ‰上下波动,主要存在千年尺度振荡,反映了洞穴上覆植被覆盖率和土壤CO₂产率的变化。石笋TCL的灰度值、Sr/Ca和Ba/Ca比值与δ¹³C值在千年尺度波动上对应关系良好,间接指示了与当地水热条件相关的洞穴水文状况变化。石笋灰度与δ¹³C值对应关系良好,间接指示了干湿度或降雨量的变化。石笋中Sr/Ca和Ba/Ca变化的总体趋势基本一致,主要受当地降水量控制下土壤淋滤作用变化的影响。TCL δ¹⁸O序列显示"4.2 ka事件"的起止时间段为4.4~4.1 ka B.P.,整体呈现"缓慢开始,快速结束"的结构特征。此时段其δ¹³C值偏正,灰度以及微量元素代用指标趋势均呈现低值,这种不同指标间出现的协同变化,说明当时利川地区降水量减少,局域环境明显偏向干冷。文章推测此次干旱事件的发生是由于大量淡水注入北大西洋,海表温降低,使得赤道辐合带（ITCZ）南移,进而引起北半球中低纬度季风减弱并得以在石笋多指标记录中反映。

     

MIS3阶段千年尺度突变事件在中国石笋δ13C记录中的印迹

基于山西阳泉市莲花洞石笋8个230Th年代和109个δ13C数据,获取了末次冰期54.5~41.1 ka BP期间平均分辨率为120年的δ13C记录。综合对比亚洲季风区29°~41°N之间5条独立定年的、高分辨率石笋δ13C记录表明:不同洞穴石笋δ13C记录在相同生长时段具有较好的重现性,δ13C指标能够有效指示洞穴上覆地区土壤CO₂产率,从而反映洞穴外部环境与季风气候的变化。δ13C记录的5个千年尺度亚洲夏季风增强事件在定年误差范围内响应于格陵兰冰芯记录的Dansgaard-Oeschger（DO）10~14事件,而2个弱季风过程与北大西洋钻孔记录Heinrich 5和Heinrich 5a事件密切联系。这种石笋δ13C记录的空间一致性表明亚洲夏季风及其控制下的区域生态环境波动在千年尺度上通过海－气耦合响应于北高纬气候变化。