重庆小三眼洞3000年以来高分辨率石笋记录的年代—百年尺度季风变率与机制研究

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现代观测资料显示在年代际尺度上我国季风区降水存在较大的空间差异,呈南方-北方/南方-长江中下游-北方不一致的现象。重建降水记录显示在百年尺度上中国南方和北方降水也呈反相位变化关系。然而在典型的气候时段内(如小冰期),则显示出在年际-年代际尺度上较为一致的变化特征。我国南北方不同时间尺度降水空间特征需要高分辨率、高定年精度的代用指标记录进一步研究。另一方面,在年际-年代际尺度上,器测记录、代用指标重建结果和数值模拟研究结果等都显示出不同区域在多个时间尺度上存在强烈的联系。然而,我国季风核心区晚全新世高分辨率、连续的降水记录仍然比较缺乏,限制了对于季风气候核心区年际-年代际尺度降水特点以及驱动机制的认识,因此需要进一步丰富该区域高分辨率、沉积连续、定年精确的降水记录,揭示在年际-年代际尺度上降水的特征和机制。小三眼洞穴(29°43′N,108°23′E)位于重庆市东北方向约150公里。该区域属于中亚热带湿润季风气候区,多年平均气温约17.5℃,夏季最高温度约为27.3℃,冬季最低温度约为7℃。年平均降水量约1200 mm,夏季降水量约为710mm,占全年降水量的60%。基于该洞穴的四支石笋(编号:XSY,XSY13,XSY16和XSY17)的69个230Th年代和3520组氧碳同位素数据,重建了3000 a以来平均时间分辨率优于1 a的夏季风降水记录。四支石笋记录在过去300 a存在重合时段,显示出较好的重现性特征。尽管XSY13石笋存在约700 a的沉积间断,但是XSY13和XSY16石笋记录在过去3000 a仍存在较好的重现性。同时,与季风区其他石笋记录也具有较好的重现性,表明小三眼洞石笋沉积达到了平衡分馏,可以用于古气候研究。洞穴监测结果显示,洞穴滴水同位素与区域大气降水线一致,说明小三眼洞石笋δ18O继承了大气降水δ18O的信号。进一步与区域夏季器测降水资料对比显示出较好的一致性,表明小三眼洞石笋δ18O主要反映了区域夏季降水变化。石笋δ13C记录在最近300 a也呈现出一致性变化特征,但是在3000 a以来(XSY13和XSY16)却显著不同。将石笋δ13C记录与区域器测记录进行对比,结果显示尽管与温度和降水都存在一定的相似性,但是相关关系较低,说明石笋δ13C影响因素复杂,可能反映了受温度和降水综合影响的区域土壤生产力变化。利用集合经验模态方法对小三眼洞穴石笋记录进行分解,分解结果呈现出多时间尺度的变化特征。同时,分解结果显示出存在准2-7 a,11 a,30 a,60 a,110 a,210 a和550 a变化周期,表明ENSO和太阳活动是最近3000 a以来季风区降水的主要影响因素。在千年-百年尺度上,小三眼洞穴石笋记录了典型的气候事件(2.8 ka事件,中世纪暖期,小冰期和现代暖期),这些事件与以往的石笋研究结果一致,表明在亚洲季风区典型的气候时段具有广泛的一致性特征。在百年-年代际尺度上,季风降水受到太阳活动和热带大洋的平均状态影响。2.8 ka事件内部呈现显著的两谷一峰变化特征,与太阳活动指标记录一致,也与ENSO活动指标记录一致。在中世纪暖期和小冰期内部也存在显著的年代际-百年尺度振荡,说明太阳活动通过海气耦合的放大作用影响季风区降水变化。高分辨率小三眼石笋记录正规化结果显示3000 a以来至少存在55次年际-年代际尺度的季风降水增加过程,同时也存在至少40次季风降水显著减少的过程。通过与ENSO和PDO的关系研究,显示在年际-年代际尺度上,季风降水变化与热带太平洋海表温存在显著的耦合关系,即在El Ni?o期间,赤道东太平洋海表温升高,沃克环流减弱,从而导致哈德莱环流减弱,季风降水减少。而在空间上,2000 a以来,亚洲季风石笋记录在百年尺度上存在广泛的一致性特征,并且与北半球温度记录呈现显著的耦合关系,说明温度对亚洲夏季风降水有重要的驱动作用。在年代际尺度上,部分时段存在温度和季风降水解耦的情况,最显著的变化是在最近100 a全球气温显著增高的背景下夏季风降水显著减少,与温度变化呈现相反的趋势,可能是由于人类活动导致的热带大洋海表温升高,导致海陆热力梯度减少所致。同时,利用不同温度背景下的区域风场对比研究显示在温度相对较高时,中国主要的季风区水汽主要来源于热带印度洋;而在相对较冷时,季风区水汽主要来源于中国南海,表明不同的水汽源地也是导致在不同温度背景下石笋δ18O发生不同变化的重要原因。小三眼洞石笋记录与器测ENSO指数具有较好的对应关系,表现为在El Ni?o事件期间,亚洲季风降水减少,石笋δ18O偏正。小三眼石笋信号与树轮重建的ENSO和热带太平洋珊瑚重建的海表温记录都具有较好的对应关系,说明亚洲季风区石笋δ18O具有重建ENSO活动历史的潜力。根据石笋记录显示,在过去3000 a里,存在至少四次ENSO活动比较剧烈的时期,分别是2.8 ka事件期间、中世纪暖期后期、小冰期后期和现代暖期。研究显示在全球气候变化的背景下,ENSO活动有持续增加的变化趋势。亚洲季风区降水显著受到ITCZ的影响,利用长江中下游地区和中国南方石笋记录重建了3000 a以来的ITCZ指数,该指数显示在最近3000 a以来ITCZ呈显著的北移/扩张状态。同时,ITCZ也存在显著的百年尺度变化过程,功率谱分析显示出准百年尺度变化周期,表明在百年尺度上太阳活动变化对ITCZ有显著的控制作用。本研究提供了亚洲季风区过去3000 a以来的连续的高分辨率石笋记录,通过对比研究揭示了亚洲季风区在百年尺度上降水空间上的联系,证实了至少在百年尺度上季风降水存在广泛的一致性演化特征。频谱分析和正规化结果显示出显著的年-年代际尺度上季风降水变化特征,且与ENSO变率一致,说明热带太平洋海表温是导致亚洲季风区短尺度气候变率的主要原因,进一步完善了短尺度季风动力学机制,也为模式模拟研究晚全新世多个时间尺度上的气候变化特征和机制提供了基础数据。
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