我国北方半湿润区从甘肃东部一直延伸至黄河中下游及海河流域,是中华文明的重要发祥地,也是历代中央王朝的统治核心区。自秦以来,几乎所有的中央王朝都将首都定于该区。因此研究该区气候变化对于深入理解中华文明发展和气候环境变化的关系有重要意义。

黄土高原位于亚洲季风的边缘区,是黄河中游的重要水、沙来源,其降雨变化不仅对当地工农业生产有重要影响,还对保障黄河流域的水安全有重要作用。

中亚气候干旱,生态系统脆弱。中亚地区的大气环流不仅是联系亚洲季风气候和北大西洋气候的纽带,同时也在东亚粉尘传输中起重要作用。深入理解中亚地区气候变化历史,对该区水资源评估具有重要意义。然而,对于中亚干旱区过去气候变化的认识尚存在较大争议,这极大的阻碍对中亚气候变化机制的理解。

地球环境所谭亮成博士及其合作者通过分析甘肃东部黄爷洞三颗石笋的氧同位素重建了研究区最近1860年以来分辨率为2-7年的季风降雨变化序列。黄爷洞石笋氧同位素记录和该区已发表的万象洞石笋记录在年代误差范围内非常一致,和利用历史文献重建的陇西地区降雨变化也有很好的可对比性,不但支持了石笋记录的可靠性,还进一步支持该区石笋氧同位素和降雨变化的负相关关系。

中国科学院地球环境研究所谭亮成副研究员联合国内外同行,通过甘肃乌鸦洞的两支可重复的年纹层石笋的氧同位素记录重建了黄土高原西部地区最近370年以来的高分辨率降雨变化。空间相关分析显示,该记录也能代表整个黄土高原地区的降雨变化。他们的石笋重建记录和同一地区的树轮降雨重建结果有很好的一致性,揭示黄土高原地区降雨变化呈现明显的准50年周期。历史时期的几次大饥荒如19世纪70年代中后期的“丁戊奇荒”,20世纪20年代后期的饥荒都对应于年代际的严重干旱事件。而历史时期黄土高原地区的两次大规模的农业开发——清康雍时期以及20世纪30到40年代陕甘宁边区开发——都对应于湿润的气候阶段。他们进一步研究发现,黄河中游三门峡的径流量和黄土高原地区的降雨量变化有很好的一致性,最近200年黄河最大的四次决口事件也都对应于黄土高原地区降雨最丰富的时期,揭示黄土高原降雨变化对于黄河水安全的重要影响。与亚洲季风相联系的热带大洋水汽传输是控制黄土高原地区年代际降雨的重要因素。太平洋年代际涛动能通过影响西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度,进而也影响研究区降雨变化。

皇家88平台注册,中科院地球环境所蔡演军研究员联合国内外同行,以我国新疆科桑洞石笋为研究对象,建立了中亚东部地区全新世石笋碳、氧同位素变化序列。结果显示,石笋氧同位素在早中全新世(10000-3000
a BP)明显偏负,3000-2000 a
BP逐渐向偏正发展,2000年以来维持偏正的状态。通过和其他地质记录的对比,结合最新模型的数值模拟结果,他们认为科桑洞石笋早中全新世氧同位素的变化主要反映了水汽源区的氧同位素值以及区域降水变化,而非降水的季节性变化:早中全新世增强的西风急流导致中亚西部地区冬季降水增加,气候湿润,并使得降水中的O-18贫化;这使得一系列水域和湖泊,包括咸海、里海、地中海等再蒸发水汽中的O-18贫化;这些水汽向东传输,经过天山山脉的抬升作用,形成降雨,最终导致中亚东部地区包括我国新疆降水中的O-18的贫化;同时,增加的湿度一方面能够使得水汽在传输过程中仍保持O-18的贫化,另一方面还能通过减弱云下和地表的再蒸发作用,进而造成降水/石笋氧同位素值在早中全新世的偏负;另外,早中全新世强盛的印度季风也可能使得氧同位素值偏负的水汽传输到中亚东部地区,尽管占比较小,也可在一定程度上导致科桑洞石笋氧同位素值的偏负。总之,科桑洞石笋氧同位素的偏负揭示以夏季降雨为主的中亚东部地区在早中全新世气候较湿润,与以冬春降雨为主的中亚西部地区变化基本一致,西风急流、中亚西部降水的再传输和地形影响是造成这一现象的主要原因。

指标记录对比结果显示,甘肃东部地区和黄河中下游地区以及海河流域降雨在百-十年尺度上变化一致,这和现代观测结果相似,说明中国北方半湿润区晚全新世百-十年尺度降雨的同步变化。对比黄爷洞石笋记录的季风降雨变化和北方地区战争频率,发现我国北方地区改朝换代之际的战争高峰期几乎都对应于降雨的急剧减少和/或温度降低时期。指示这一历代中央王朝统治核心区的气候变化对我国农业社会发展有重要影响。同时指出,北方半湿润区气候恶化和战乱不已导致的人口南迁所带来的先进技术也在一定程度上促进了当时南方地区的开发。

该项研究凸显出,如果未来我国北方地区气候转湿,需要特别注意黄河的防洪问题。研究成果目前已发表在国际知名SCI期刊Scientific
Reports
上 (Liangcheng Tan, Zhisheng An, Chih-An Huh, Yanjun Cai,
Chuan-Chou Shen, Liang-Jian Shiau, Libin Yan, Hai Cheng, R. Lawrence
Edwards. Cyclic precipitation variation on the western Loess Plateau of
China during the past four centuries. Scientific Reports, 2014, 4,
6381; DOI:10.1038/srep06381)。

蔡演军研究员等进一步提出,随着晚全新世周边地区降雨的减少,输送到中亚东部地区的水汽减少,气候变干,石笋以及其指示的降水氧同位素在2000年之后开始主要受控于温度变化。楼兰、米兰等在汉代兴盛一时的古城的废弃,则可能和该区500
AD左右的高温干旱气候有关。

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