最近千年来山东半岛西部气候环境变化的石笋δ^(18)O、δ^(13)C记录(Ⅰ)

Ky1石笋采自山东半岛西部的开元洞,沿生长轴方向长度75mm。在高精度U-230 Th测年基础上,通过年纹层连续计数和平均沉积速率内插/外推相结合的定年方法,确定Ky1石笋生长于892—1894AD的1 000年间。在沿石笋生长轴采集的583个样品中,选择303个进行了δ18 O、δ13 C测试,平均分辨率约为3年。结果显示,最近1000年来Ky1石笋的δ18 O比值变化呈现明显阶段性,显示与小冰期(LIA)和中世纪暖期(MWP)对应的数百年尺度波动。根据δ18 O记录,山东半岛在1482AD前后发生与MWP/LIA转换对应的气候突变,1 482AD前相当于夏季风强烈、降水较多的中世纪暖期,1482AD后则为夏季风微弱、降水较少的小冰期,以1609AD夏季风最弱。Ky1石笋的δ13 C比值变化,也由与MWP、LIA相当的两个阶段构成,其间也存在突变关系。比较而言,δ13 C变化要比δ18 O显著平缓,而且LIA后期以来二者变化明显不同步。最近1 000年来,与MWP/LIA对应的气候突变相当于明朝中期;就各个朝代内部的气候变化趋势而言,不同朝代之间不尽相同;不同朝代之间的更替期均大致与MWP、LIA内部的次级气候突变时期对应。因此,中世纪暖期和小冰期内部的次级气候波动对中国社会发展的影响,可能比千年尺度上最剧烈的MWP/LIA突变本身更显著。另一方面,洞穴所在山地的土地利用程度不断提高,其与气候变化共同影响着洞穴所在山地的植被的C3/C4植物构成及土壤性质,从而影响到石笋δ13 C比值。从892—1318AD,土地利用对山地植被构成、土壤特征的影响程度尚不及气候变化;1318—1479AD,已达到或超过小幅度的气候变化;1483—1779AD,达到或超过大幅度的气候变化;1779—1894AD,土地利用程度趋于稳定,气候变化对环境的影响程度则又相对凸显。

信风驱动的中国季风区石笋δ^(18)O与大尺度温度场负耦合——从年代际变率到岁差周期的环流效应(纪念GNIP建网50周年暨葫芦洞石笋末次冰期记录发表10周年)

中国季风区很多单点石笋氧同位素记录与集成的大区域温度场在长时间尺度上呈负耦合变化模式。通过理论计算和观测记录校准分析,温度效应和雨量效应均不能加以解释。从环流效应角度分析,发现信风张弛既控制了中国季风区石笋δ^(18)O的主要变化趋势,也决定了西太平洋暖池的温度高低和面积大小,而后者在很大程度上影响着全球温度的走向,因此可确认,二者的负耦合是信风决定的"一因二果"。进而分析了中国季风区石笋δ^(18)O短尺度环流效应响应于ENSO循环的机理,并在此基础上,借助模式结果,将环流效应概念推广到轨道尺度,由此获得中国季风区石笋δ^(18)O序列缺失偏心率周期等问题的初步解答。

MIS 5a/5b时期亚洲夏季风变化的高分辨率石笋记录

由于深海氧同位素阶段5时期(Marine Isotope Stage 5,MIS 5)高分辨率的亚洲夏季风记录较少,限制了对该时期亚洲夏季风变化的认识。本文利用重庆金佛山羊口洞石笋的δ^(18)O记录,重建了MIS 5a/5b时期平均分辨率为38年的亚洲夏季风演变历史。发现该时段亚洲夏季风在千年—百年尺度上与北大西洋地区气候变化存在紧密联系。得益于误差小于0.4%的^(230)Th测年结果,本文标定了中国间冰阶(Chinese Interstadial,CIS)21的开始时间为84.6±0.3ka BP,CIS 22的起止时间分别为91.2±0.3ka BP和88.9±0.3ka BP。此外,羊口洞石笋记录的CIS 21和CIS 22的变化模式与格陵兰记录不同,而与南极冰芯记录呈反相对应,可能表示在此阶段亚洲夏季风受到了南半球气候变化的影响。

北方季风边缘区洞穴石笋δ^18O序列预测初步研究

基于时域组合模型建立了中国北方季风边缘区万象洞及黄爷洞石笋δ18O时间序列的动态模型,并对未来20年的降水变化趋势进行了预测.研究结果表明,时域组合模型较好地提取了时间序列的周期信息,用其拟合实测数据精度较高;用其预测时间序列的变化情况,和现代气象观测记录相吻合,具有一定的可信度.同时通过中国北方季风边缘区树轮的预测结果对比显示,该地区在2012~2013年前后降水最少,随后20年里将呈现先升后降的变化趋势.

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δ^(18)O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δ^(18)O记录的夏季风强度存在负相关关系:南海北部SST升高,石笋δ^(18)O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δ^(18)O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。

MIS 5c向MIS 5b转换期亚洲夏季风的演变特征——万象洞石笋记录

根据亚洲季风边缘区武都万象洞一根长360mm石笋（WX0541A）的6个230Th年代和828个δ18O数据,建立了104107～91858a B.P.期间高分辨率和高精度亚洲夏季风变迁的时间序列.通过与中国东部季风腹地湖北三宝洞和现代西风控制区新疆科桑洞的石笋δ18O记录对比发现,三者的变化模式在研究时段内具有相似性.其中,3个洞穴石笋同位素在MIS 5c中期相当于Greenland D/O 23暖阶段的偏负阶段,从南到北显示出逐渐偏负的趋势,是季风降水大陆效应的真实反映;而在96495～92562a B.P.之间的同位素偏重阶段,万象洞和科桑洞石笋同位素组成相近并偏正于三宝洞石笋的δ18O值,偏离了亚洲夏季风的内陆入侵规律,可能与MIS 5b太阳辐射降低时期万象洞和科桑洞地区可变的季节性降水或加入的西风降水有关.

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.

高分辨率石笋记录的近700年来滇西南夏季风降水变化

基于云南西南部司岗里洞一支长约168 mm石笋(编号SGL1)的7个230Th年龄和325个δ^(18)O数据,建立了1322~1605 A.D.和1700~1927 A.D.时段平均分辨率达2 a的夏季风降水演化序列。该序列显示存在百年尺度的δ^(18)O偏正阶段,即1322~1605 A.D.和1700~1927 A.D.时段,指示当时夏季风降水持续减少,这与印度季风区石笋所记录的结果一致,但区别于东亚季风区石笋记录的小冰期后期(1700~1900 A.D.)季风逐渐增强的特征,表明小冰期后半段亚洲季风区石笋记录的区域干湿变化空间差异显著。显著的多年代际振荡是SGL1石笋序列最为突出的特征,在石笋生长稳定的1322~1540 A.D.时段,高分辨率氧同位素序列记录到9个持续时间约10~20 a、平均振幅达1.4‰的干旱事件,这些年代际尺度干旱事件在东南半岛及南亚地区的高分辨率记录中均有不同程度的体现。SGL1石笋氧同位素序列与太阳总辐照度记录呈显著的正相关关系,说明太阳活动可能是小冰期季风气候百年尺度变化的主要驱动因子,但二者呈负耦合关系,即太阳辐射增强(减弱),对应区域季风降水减少(增多)。小冰期早期(1322~1540 A.D.),SGL1石笋记录的年代际干旱事件与太平洋年代际振荡(PDO)暖相位和大西洋多年代际振荡(AMO)冷相位相对应,其显著的15 a、24 a和56 a周期也类似于PDO的主导周期,说明该区多年代际气候变化主要受PDO调控;功率谱分析结果还显示SGL1序列具有显著的2.6~3.2 a和6 a周期,暗示该时期区域年际尺度气候变化可能受ENSO和(或)印度洋偶极子(IOD)的影响。

近百年来自然和人为因素对亚洲季风降水影响的时间序列分析研究

近百年来,全球地表平均温度呈持续上升的趋势,是人为和自然因素共同作用的结果;而对同时期人类活动在亚洲季风降水变化中所起的作用仍有不同看法.本文基于贵州董歌洞和甘肃万象洞近2000年来的石笋氧同位素(δ18O)记录,用奇异谱方法研究近百年来全球增温和CO2浓度增高背景下石笋δ18O的变化特征,探讨人类活动对东亚和南亚季风降水的可能影响.结果显示,上述两地近百年来的石笋δ18O变化趋势基本可以通过1900AD前自然序列的延伸得到重现.如果目前关于石笋δ18O记录反映季风降水量的解释正确的话,我们的分析结果则说明,虽然近100年来人类活动对温度有明显作用,但似乎没有对东亚和南亚季风降水变化趋势产生显著影响,使之大致保持了原有的自然趋势.这说明,过去全球温度变化对季风的影响是亟待解决的问题.