山西公海记录的末次冰消期以来东亚夏季风演化历史及其机制探讨

摘要

作为亚洲季风系统的最主要组成成分，东亚夏季风的变化深刻影响着东亚地区的经济活动和社会发展。因此，为增强对未来区域气候长期变化趋势的预测能力，深入研究不同时间尺度东亚夏季风变化及其可能的动力学机制具有重要意义。在过去几十年间，人们已经利用不同地质载体中的多种古气候代用指标对不同时间尺度上东亚夏季风的演化历史进行了较深入的探索，使用的材料包括来自风成沉积、湖泊沉积、洞穴堆积等多种代用记录。在这些物理、化学和生物代用记录中，石笋氧同位素（δ18O）记录因具有高精度年代学和高分辨率等特点，被认为是能够精确和可靠地反映不同时间尺度东亚夏季风变化信息的代用记录。然而，随着相关研究的深入，对于中国南方石笋氧同位素的确切指示意义分歧日益加剧，越来越多的学者认为其变化难以真实反映东亚夏季风演变过程，如提出“环流效应”，“冬季温度效应”等不同观点。另一方面，中国东部降水变化的空间差异很大，东亚夏季风强时，是整个中国东部平均降水多，还是某一区域降水多？现代气候学研究显示，东亚夏季风增强时，南风向北异常推进，来自太平洋和印度洋的水汽输送增加，导致华北降水偏多——可见，华北地区是重建夏季风变化历史的关键区域。因此，亟需在中国北方（特别是华北）寻求年代可靠、分辨率高的直接指示降水变化的代用记录，解决目前有关末次冰消期以来（包括近2000年）东亚夏季风研究遇到的瓶颈。所以，本论文拟选择华北地区不多见的高山湖泊山西宁武公海（38°54′N,112°14′E，海拔1860 m）为研究对象（地处吕梁山北段，西临我国中部沙漠和沙地，属于典型季风边缘区），以高分辨率化石孢粉分析结合环境磁学参数为降水量指标，在详细的湖泊流域现代环境过程研究基础上，利用公海沉积速率高与准确的年代控制的优势，（1）重建末次冰消期以来东亚夏季风降水的变化历史并探讨其演化机制；（2）重建过去2000年达到5～10年分辨率东亚夏季风降水变化序列，在年代际～百年尺度上探讨研究区过去2000年主要气候事件的起讫、变幅特征，并特别关注中世纪暖期内部的次级波动、降水量指示的东亚夏季风变化框架过程。最后，再将该高分辨率东亚夏季风降水变化重建结果结合其它的中国北方全新世夏季风降水代用记录进行与中国南方石笋δ18O记录对比与讨论，并在综合分析中国东部季风区降水变化在全新世不同时间尺度上的空间格局的基础上，进一步确认东亚夏季风区石笋氧同位素变化是否能确切记录东亚夏季风降水变化，从而进一步探索中国石笋δ18O变化的古环境指示意义。主要结论如下：
　　1、定量重建了平均分辨率达到20年的冰消期和全新世东亚夏季风降水变化历史，结果发现（1）末次冰消期以来的东亚夏季风经过下列几个演化阶段：距今14.7-7 ka间持续增强，距今7.8-5.3 ka间夏季风最强盛，距今5 ka以来东亚夏季风持续减弱，尤其3 ka以来快速减弱；（2）除东亚夏季整体变化趋势外，东亚夏季风还存在一系列气候事件，如，波令-阿勒罗德（B/A）和期间新仙女木（YD）事件，距今9.5-8.5 ka间夏季风减弱，中世纪暖期（MWP）强夏季风事件和小冰期（LIA）弱夏季风阶段。（3）末次冰消期和全新世东亚夏季风受太阳辐射和高纬变化的双重驱动：总体上受太阳辐射驱动，但高纬冰盖以及冰川融水注入大西洋引起的北大西洋径向环流（AMOC）的减弱对东亚夏季风有重要调控作用，导致出现 YD和9.5-8.5 ka间的东亚夏季风明显减弱。晚全新世受到厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的影响致使东亚夏季风快速衰退。
　　2、通过公海湖泊花粉记录重建的季风降水序列与其它区域东亚夏季风记录的对比结果发现：（1）近2000年东亚夏季风演化总体上表现出逐步减弱的趋势，受到北半球夏季太阳辐射驱动，而不仅是历史文献或者树轮显示的百年尺度周期性变化，暗示后两者可能难于保存低频信号；（2）近2000年来清晰显示有中世纪暖期强夏季风事件和小冰期弱夏季风事件，体现了太阳活动的作用，然而这种作用表现为叠加在整体趋势变化上的次级波动，长期趋势上太阳辐射的驱动仍然占主导地位。
　　3、在对定量重建的公海降水记录的研究基础上，通过综合分析能够记录一千年以上亚洲季风降水（湿度）的石笋、湖泊、历史文献等代用资料发现，在中世纪暖期东亚夏季风整体强盛的背景下，其内部具有更短尺度的气候波动，大约在1000-1100AD期间存在季风衰弱事件。通过与印-太暖池表层海温（SST）和太阳活动的对比发现，这一季风衰弱事件可能与太阳活动导致的印-太暖池 SST在中世纪暖期内短期大幅的气候波动有关。同时，结合全球海-气耦合模式（OA-GCM）ECHO-G模式对过去千年东亚季风的模拟，也发现1000-1100AD东亚季风强度是中世纪暖期期间的偏弱时段，且表现出与印-太暖池SST的显著正相关关系，因此进一步支持印-太暖池SST很可能是该事件的主要驱动因子。背后的物理机制可能涉及：太阳活动的减弱导致印-太暖池SST出现负异常，诱发西太平洋形成冷位相的Kelvin波，导致西北太平洋出现气旋异常活动，阻止季风水汽往中国北方输送，从而导致东亚季风减弱。
　　4、为进一步通过独立的气候代用指标对比检验重建的可靠性，本文还利用岩芯典型样品和现代沉积环境代表性样品的对比分析来开展现代过程研究，发现季风区吕梁山公海沉积物的磁性矿物以磁铁矿为主，主要来源于陆源输入，沉积后受到的还原成岩作用和生物自生的影响较弱，可以忠实记录原生的磁性信息，进而反映湖泊周边流域的气候环境变化。其中，近千年来其磁学特征主要取决于周边地表的土壤发育程度，进而可作为夏季风降水的指标。因此，我们据此利用磁学指标高分辨率地重建了过去千年夏季风降水变化，发现900～1300 AD的中世纪暖期时降水较多，但在1050 AD前后存在百年尺度干旱事件；小冰期时降水整体处于低值阶段。而在早中全新世，磁化率低，磁性颗粒以粗粒为主，主要反映风成输入，此阶段流域植被覆盖好，土壤侵蚀弱，夏季风较强盛。因此，这进一步支持了基于公海湖泊花粉记录的转换函数分析重建的东亚夏季风降水变化的结果。
　　5、通过综合分析全新世以来不同时间尺度气候资料发现，中国东部夏季风降水“南北差异”这一气候模式在过去全新世的不同时间尺度上都存在。在动力学机制上，东亚夏季风通常是指东亚对流层低层的盛行西南气流，而我国东部夏季风降水出现在最强西南气流中心前端，其处于西北太平洋副热带高压的西北侧。因而，当东亚夏季风环流偏强（弱）时,盛行在我国东部的西南气流或副热带高压偏强（弱），并推进到更偏北位置（滞留在南方），伴随着异常南（北）风盛行在东部，常常造成东部季风雨带位置偏北（南），最终导致在北方降水更多（少）而在南方降水更少（多）。例如，在中国东部北方的大部分地区，过去50年的夏季降水的减少趋势和减弱的夏季风风场强度呈现正相关关系；而在中国南方，特别是在长江中下游地区，其夏季降水变化在过去50年间呈现逐渐增加趋势，这与过去50年总体逐渐减弱的夏季风风场强度表现为负相关关系。因此，在古季风研究中，中国东部季风区的北方夏季降水变化是东亚夏季风强度变化的可靠代用指标，其传统上一般都被当作为东亚夏季风强度变化的代用指标，而中国南方的降水变化并不能代表东亚夏季风强度变化。
　　6、通过综合分析来自中国北方能够指示夏季风降水变化的大量不同古气候代用记录发现，中国北方全新世东亚夏季风降水记录所揭示的东亚夏季风变化显著不同于中国南方石笋δ18O记录所反映的东亚夏季风变化。其最主要差别在于东亚夏季风最强盛时段的时间差异。而中国北方的夏季风降水历来被用作传统的东亚夏季风强度变化指标，有着明确的动力学意义；可见，中国南方石笋δ18O记录可能并不能作为东亚夏季风变化的最适宜代用指标。另外，所有来自广大不同区域的全新世石笋δ18O记录都表现出相同的变化趋势并在全新世以来的不同时间尺度上表现出显著相关。这表明它们的变化受控于同一个共同信号，即在整个东亚地区的一致性变化的δ18O信号。然而，与在不同区域所有石笋中的δ18O值变化的一致性相反，不论器测资料还是历史文献气候资料都显示整个中国东部季风降水在年代际到百年尺度上存在显著的空间差异。不仅如此，古气候代用记录和模拟资料结果也都显示在我国不同区域全新世最大降水期出现的时间并不同步。因此，石笋氧同位素的一致性变化本身就说明其不是东亚夏季风的指标，其可能的原因在于我国南方石笋氧同位素主要记录降水同位素变化，而降水氧同位素的变化并不能直接等同于季风降水量和夏季风强度的变化。

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第一章 绪论

第一节 全球季风和东亚季风简介

第二节 末次冰消期和全新世东亚夏季风研究进展

第三节 近千年东亚夏季风研究进展

第四节 选题依据和意义

第二章 区域概况、样品采集、年代序列

第一节 区域概况

第二节 样品采集与岩芯描述

第二节 年代序列

第三章 实验和数值分析方法

第一节 环境磁学实验方法

第二节 硅藻分析方法

第三节 孢粉分析方法

第四节 基于孢粉指标的降水定量重建方法

第四章 结果分析与夏季风变化重建

第一节 公海环境磁学特征及其指示的夏季风变化结果

第二节 基于公海孢粉指标的夏季风降水定量重建结果

第五章 区域记录对比与讨论

第一节 末次冰消期和全新世东亚夏季风记录的对比与讨论

第二节 近千年来东亚夏季风记录的对比与讨论

第六章 结论与展望

第一节 主要结论

第二节 问题与展望

参考文献

附录I 图表目录

附录II List of Figure and Tables

在学期间的研究成果

致谢