作为亚洲季风气候系统的关键组成部分,东亚季风对东亚地区环境演变有着重要的驱动作用。已有海洋、黄土、石笋等古气候记录表明,东亚季风具有百年-构造的多时间尺度变化特征,并且主要受到全球冰量、太阳辐射以及北半球高纬气候的综合影响。然而,目前古气候代用指标中冰期-间冰期、轨道以及千年时间尺度分量的相对贡献率并不清楚。

印度季风是全球最强盛的热带季风气候系统,其降水变化对南亚地区世界四分之一人口的农业生产和社会经济发展产生着重要的影响。过去印度季风气候变化的认识大多数来自于海洋沉积物的研究,主要是根据印度洋上涌流强度变化所指示的夏季风风场强度来反演和重建。然而,对区域社会生存和发展至关重要的大陆季风降水变率的研究却较为薄弱,一直是公众和科学家关注的问题。

地球环境研究所的李颖博士与其合作者对最近260kyr中国黄土高原古浪黄土粒度以及葫芦洞、三宝洞石笋氧同位素记录进行了频谱分析以及经验模态分解,计算了东亚季风不同时间尺度分量的相对贡献率,并评估了东亚冬、夏季风变化在千年尺度上的相似性。

美国国家科学院院刊(PNAS)近日在线刊登了中国科学院地球环境研究所蔡演军研究员和安芷生院士等学者,联合加州大学伯克利分校Inez
Fung教授和明尼苏达大学Larry
Edwards教授等多个国家和地区的研究人员,对我国西南洞穴石笋记录以及集成降水同位素的全球气候模式模拟进行研究的最新成果。在题为《洞穴石笋重建过去252000年印度季风降水变率》(Variability
of stalagmite-inferred Indian monsoon precipitation over the past
252,000
y)的论文中,研究团队重建了过去252000年印度季风降水的历史和变率,并结合集成降水同位素的全球气候模式模拟的结果,探讨了印度季风降水在冰期-间冰期、岁差周期和千年尺度的变化及其与东亚季风区石笋记录的异同和动力机制。

对黄土粒度以及石笋氧同位素数据序列进行频谱分析,发现黄土粒度存在明显的~100、~41以及~23kyr周期,证实了东亚冬季风与冰量、轨道驱动的动力联系。此外,频谱结果中还存在一系列7-5和3-1kyr的千年周期信号,这与高纬海洋、冰芯等记录的Heinrich
以及DO旋回事件尺度一致。石笋氧同位素的岁差周期显著,缺失明显的~100和~41kyr周期信号,揭示了太阳辐射对东亚夏季风变化的主导作用。在千年尺度上石笋表现出与黄土相似的周期信号。

已有海洋和黄土、湖泊等陆地记录表明,包括印度季风和东亚季风在内的亚洲季风气候变化不仅具有显著的岁差周期,而且具有冰期-间冰期旋回的波动。这与东亚季风区石笋δ18O记录由岁差周期主导,缺少冰期-间冰期旋回波动存在显著差异。如何解释东亚季风区石笋记录及其与其他沉积记录之间的差异就成为当前亚洲季风气候变化研究的焦点和热点问题。位于我国西南的云南,其降水主要受季风气候影响且与印度北部和中印半岛北部降水密切联系,现今降水的水汽源主要来源于孟加拉湾,且模拟结果表明,该地区水汽来源在末次盛冰期时也变化不大,因此该地区降水同位素组成的变化就较好的指示了印度季风降水强度的变化。

通过对两指标序列进行EMD分解以及方差贡献率计算,发现东亚冬季风冰期-间冰期和轨道尺度分量贡献率分别为32%和40%,千年尺度分量贡献率为13%。而东亚夏季风岁差分量贡献率高达59%,千年尺度信号贡献率为17%。分别将两指标的千年尺度分量相加重建东亚冬、夏季风在过去两个冰期旋回的快速波动变化,发现黄土和石笋指示的快速气候事件发生时间及持续时段均高度一致。同时,新仙女木事件以及Heinrich事件发生时期出现了明显的粒度变粗以及同位素变重信号,且粒度、石笋的千年尺度波动在冰期、间冰期表现出明显的持续时间和幅值差异。由此作者认为,东亚冬、夏季风的千年尺度快速波动受到相似因子的驱动,该因子与北半球高纬冰量调控有关。该研究成果发表在Climate
of the Past (Ying Li, Ninghu Su, Lianji Liang, Long Ma, Yan Yan, and
Youbin Sun, 2015, Multiscale monsoon variability during the last two
climatic cycles revealed by spectral signals in Chinese loess and
speleothem records, Climate of the Past, 11, 1067-1075. Doi:
10.5194/cp-11-1067-2015)。

通过对云南洞穴石笋进行高精度铀系测年和氧同位素组成分析,研究团队建立了过去252000年以来印度季风降水的变化历史,发现石笋δ18O记录的印度季风降水的变化不仅存在主导的岁差周期,而且具有显著的冰期-间冰期旋回,揭示了印度季风对冰量变化的显著响应;与集成降水氧同位素组成变化的全球大气环流模式数值模拟的结果进行对比分析,研究团队提出云南石笋δ18O记录与东亚季风区石笋δ18O记录在冰期-间冰期尺度上的差异,主要是因为冰期-间冰期海平面变化及其引起的西太平洋大陆架的出露,引起中国东部降水不同水汽源贡献及其同位素组成发生显著变化,而在印度季风影响区水汽源变化不大的差异所致。这一研究结果对于深刻认识和理解东亚季风区石笋δ18O记录,调和石笋δ18O记录和海洋和黄土等亚洲季风记录的矛盾具有重要意义。

图片 1

此项研究得到国家自然科学基金委,国家“973”计划,中国科学院知识创新项目和美国国家科学基金等的资助。

相关文章