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青藏高原东部近1200年来高分辨率洞穴石笋δ~(18)O记录

杨勋林  
【摘要】: 过去2000年(a)气候环境的变化是“过去全球变化”(Past Global Changes,PAGES)和“气候变率与可预测性”(Climate Variability and Predictability,CLIVAR)两大国际研究计划的重要研究内容之一,其中近1000a来的气候变化更是现代器测资料与过去代用指标序列衔接的关键时段,在这一时期存在着一些重要的气候事件,例如中世纪暖期(MWP,900~1300AD)、小冰期(LIA,1300~1850AD)和二十世纪变暖(1900AD至今),同时也是人类活动影响不断加剧的时期,因此成为各国科学家关注的热点。洞穴石笋生长时间跨度大、储存信息完整并适合于精确定年和具有独立的绝对年代标尺,是大陆气候代用指标一个独特数据源,成为当前国际研究领域的重要发展方向之一。黄龙洞和万象洞处于典型季风系统相互作用的青藏高原东部边缘地带,洞穴内部现代碳酸盐沉积物非常发育,石笋氧同位素组成变化对季风的变化十分敏感,是研究石笋沉积和季风变化关系的理想位置。本文基于~(210)pb和~(230)Th两种定年方法,并结合黄龙洞和万象洞石笋δ~(18)O测试数据建立了青藏高原东部近1200a以来平均分辨率达到1年的亚洲季风变化序列,分析了近1200a来亚洲季风演变的规律,探讨了在短时间尺度上亚洲季风的驱动机制,主要得出以下结论: 1.通过对黄龙洞和万象洞石笋碳酸盐氧同位素—水体系的研究,显示现代洞穴滴水与洞穴周围大气降水的氧同位素具有一致性,洞穴滴水主要来自于周围大气降水;石笋方解石与洞穴滴水是在同位素平衡分馏状态下沉积的,表明洞穴上覆岩层或土壤表面的蒸发过程没有对洞穴滴水产生重要的影响,洞穴滴水的同位素组成反映了洞穴上部大气降水的同位素组成特征,这两个洞穴的石笋氧同位素记录可以作为反映气候和环境变化的指标,指示当时降水的同位素组成和洞穴温度的变化。 2.精确定年的石笋δ~(18)O记录与现代器测气候数据、季风指数和同时期的石笋记录进行对比分析,结果显示黄龙洞和万象洞石笋δ~(18)O的轻重主要受季风带来的降水量效应降水量越多,反之亦然。 3.黄龙洞石笋HL021和万象洞石笋WX42δ~(18)O记录在距今1200a内显示出相似的变化趋势,反映了高海拔的黄龙洞地区和低海拔的万象洞地区西南季风具有相似的变化规律:900~1550AD,西南季风由强盛阶段开始逐渐减弱,降水呈现出逐渐减少的趋势;1550~1800AD,季风由衰弱时期开始逐渐加强,降水也逐渐增多;1800~2002AD,这个时期石笋HL021的δ~(18)O值整体上由负的峰值逐渐偏正,显示出西南季风再次由强盛时期开始逐渐减弱。两个洞穴的石笋记录都显示了在1200a内气候变化和季风强度都不稳定,存在一系列10a~100a等短时间尺度的季风突变事件。石笋记录都显示了中世纪暖期间季风强盛,降水充沛;小冰期期间季风处于相对弱的时期。 4.亚洲季风区的洞穴石笋δ~(18)O值随着纬度的升高而逐渐降低(变轻),反映了亚洲季风降水δ~(18)O值变化的纬度效应特征,也间接说明亚洲季风区石笋同位素组成变化继承了大气降水的主要特征,季风区石笋同位素组成具有广泛的气候意义。在最近1200a里,亚洲季风区的石笋δ~(18)O记录显示了相似的变化趋势,都经历了石笋δ~(18)O值由轻加重—由重变轻—再次由轻加重三个阶段,而且在中世纪暖期石笋δ~(18)O值比较轻,小冰期石笋δ~(18)O值相对重,表明亚洲季风在最近1200a里具有一致的变化趋势。 5.石笋记录显示的亚洲季风变化与重建的气温序列指示的温度变化存在着密切的关系,在800~1900AD期间,季风强度变化与温度变化呈正相关,季风增强(减弱),温度升高(降低),是一种暖湿(干冷)的气候特征;尤其是在中世纪暖期,石笋记录显示季风比较强盛,表明当时为暖湿的气候;在小冰期,黄龙洞和万象洞石笋记录显示季风减弱,显示在此期间是干冷的气候,气候寒冷、干燥。在1900~2000AD,温度升高,季风减弱,则为暖干的气候类型,说明在二十世纪升温的背景下,亚洲季风变化与温度变化之间的关系发生了根本性的变化,都显示出温度和降水之间具有反相关关系. 6.石笋HL021δ~(18)O值的变化与利用历史时期气候资料重建的近1000a来长江中下游旱涝灾害等级之间存在着密切的联系,石笋HL021δ~(18)O值加重时,季风减弱,降水减少,旱涝等级降低,表明洪涝减少,干旱在逐渐加重;反之亦然。同时,黄龙洞石笋HL021δ~(18)O记录与利用历史文献资料重建的中国东部季风区江南地区最近1200a内旱涝指数变化也有类似的关系,石笋HL021δ~(18)O值指示的季风加强时期与旱涝指数显示的气候湿润、洪涝灾害加重、降水增多时段相一致;季风减弱阶段与气候干燥、旱灾加重和降水减少相对应,更进一步的表明黄龙洞石笋HL021δ~(18)O记录准确的反映了我国季风区最近1200a季风强度变化和降水变化历史。 7.黄龙洞和万象洞石笋δ~(18)O变化曲线的功率谱分析结果显示,西南季风的变化具有明显的太阳活动周期和ENSO振荡周期,石笋记录与大气△~(14)C和宇宙核素产率变化序列具有相似的变化趋势,显示出西南季风变化与太阳活动和能量输出密切相关,说明太阳活动和输出能量的变化是10~100a短时间尺度上驱动亚洲季风变化的主要因素,同时也显示西南季风演变与ENSO之间具有密切联系,说明西南季风可能还受到低纬热带海洋—大气耦合系统自山振荡的ENSO影响。石笋记录与北半球温度变化基本一致,与格陵兰冰芯显示的温度变化遥相关,并且季风强度的变化与ITCZ位置的南北摆动密切联系,支持了高纬地区是激发亚洲季风变化主要区域的观点。


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