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青藏高原东部末次冰消期万象洞石笋记录的气候突变事件

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青藏高原东部末次冰消期万象洞石笋记录的气候突变事件

作者：李新虎兰州大学

学位级别：硕士

全球气候变化越来越受国际社会的关注,对古气候演变规律的研究有助于我们正确认识现在的气候变化,并对未来气候演变做出科学预测。季风系统是联系半球间海气环流系统的纽带,也是地球气候系统中很重要的组成部分。同时,亚洲季风又是全球... 详细信息

全球气候变化越来越受国际社会的关注,对古气候演变规律的研究有助于我们正确认识现在的气候变化,并对未来气候演变做出科学预测。季风系统是联系半球间海气环流系统的纽带,也是地球气候系统中很重要的组成部分。同时,亚洲季风又是全球季风系统中最为重要和活跃的部分,对全球气候变化响应非常敏感,其引起的区域水文变化会直接影响到人类的生存。因此,研究亚洲季风系统无论在科学上还是现实中都具有重要意义。末次冰消期是第四纪中与现代气候最接近且冰盖发生大规模消融的时期,对这一时期的古气候记录进行研究和相互对比有助于我们了解千年及亚千年尺度气候变化特征以及不同气候系统之间相位关系及其驱动机制,也能为未来预测气候变化提供借鉴。甘肃武都万象洞位于现代亚洲季风影响区域的边缘地带,受季风进退影响更严重,且区域气候环境对季风变化更为敏感。因此,万象洞石笋材料在亚洲季风系统的研究中具有非比寻常的意义,可以为西部季风边缘区气候变化的研究建立起准确可靠的年代学框架和季风降水的气候信息。为此,本研究基于万象洞石笋WX40C的8个230Th年龄和100个氧同位素数据,建立了21.08～12.42 ka B.P.时段亚洲夏季风演化历史。分别讨论了亚洲夏季风在末次冰盛期回暖（LGM warming）、Heinrich 1（H1）以及B?lling–Aller?d（B/A）事件中的变化特征。此外,将万象洞石笋记录与其它高分辨率气候记录对比,阐述了亚洲夏季风响应的区域差异和原因,探讨了千年尺度气候事件的驱动机制。本文得到的主要结论如下:（1）万象洞石笋δO记录在19.5～17.9 ka B.P.、17.3～14.1 ka B.P.和14.1～12.7ka B.P.各发生了一次显著偏移,分别对应于格陵兰冰芯（Greenland Ice Core Project,GRIP）δO记录和亚洲季风区其它石笋δO记录中的LGM warming（～19ka B.P.强季风事件）、H1冷事件以及B/A暖事件。WX40CδO记录与亚洲季风区其它石笋δO记录在千年尺度的气候变化上表现出了良好的一致性,可以反映亚洲季风环流在大尺度上的演变特征;与南半球Flores石笋记录在千年尺度上的反相关关系表明了南北半球的“See-saw”模式。（2）19.5～17.9 ka B.P.期间,石笋WX40CδO记录捕获了一个千年尺度强季风事件。该时期格陵兰GRIP冰芯记录显示温度上升（LGM warming）,亚洲季风区石笋记录均表明此时季风强度明显增强。各石笋记录存在发生时间和δO振幅的差异,我们将其归因于定年误差和分辨率的影响,以及万象洞石笋受季节性降水影响较大且距水汽源较远。（3）亚洲季风强度与北高纬气候在千年尺度上存在遥相关关系。但在H1结束阶段WX40CδO记录却表现出与北高纬气候突变特征不同的缓变特征,这可能是亚洲夏季风对此时南半球缓慢升温的响应;万象洞石笋记录中“V”字形的内部结构特征和季风强度分段式减弱和增强的变化模式也存在于其它洞穴石笋记录中,表明了季风区石笋记录变化的一致性。（4）我们在万象洞石笋记录中识别出了三个与B/A暖期GRIP冰芯记录中亚千年尺度气候突变事件相似的气候波动事件,分别为CI-1a、CI-1b和CI-1c。CI-1d和CI-1e可能由于此时段分辨率较低未能表现出来或者该时期亚洲夏季风对万象洞石笋记录的影响不大。整个B/A暖期,亚洲夏季风持续缓慢增强,气候波动较为缓和;GRIP冰芯δO记录持续下降,北高纬气候振荡比较剧烈,显示出季风系统在长时间尺度上并不完全响应于北高纬气候变化。（5）通过古气候记录的对比分析,我们将19.5～17.9 ka B.P.亚洲夏季风的增强归因于太阳辐射强度的增加、北大西洋经向翻转流（Atlantic Meridional Overturning Current,AMOC）的增强导致的赤道辐合带（Intertropical Convergence Zone,ITCZ）北移以及热带太平洋Super-ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的共同作用。H1冷旋回中,北高纬太阳辐射的增强起到了“触发器”的作用,北大西洋冰漂碎屑事件（南极冰山排放事件）使AMOC减弱（增强）,从而导致北半球变冷（变暖）,ITCZ南移（北移）,亚洲夏季风减弱（增强）。AMOC的彻底恢复以及温室气体浓度的增加最终导致了B/A事件的发生。B/A暖期亚洲夏季风的持续增强则由太阳辐射的增强和南极冷逆转（Antarctic Cold Reversal,ACR）事件共同造成。

关键词：万象洞石笋 δ18O记录亚洲夏季风气候突变事件驱动机制

黄土高原西缘在AD1875～2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

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科学通报 2008年第22期53卷 2801-2808页

作者：刘敬华张平中程海陈发虎杨勋林张德忠周静贾继红安春雷桑文翠 Kathleen R. Johnson 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室兰州730000 Department of Geology and Geophysics University of Minnesota 西南大学地理科学学院重庆400715 Department of Earth System Science University of California

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0～16mm之间的5个高精度230Th年代和103个δ18O数据,重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史.通过与武都器测降水数据对比发现,最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量... 详细信息

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0～16mm之间的5个高精度230Th年代和103个δ18O数据,重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史.通过与武都器测降水数据对比发现,最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响,指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息.近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD1875～1900)、季风降水减弱期(AD1901～1946)和季风降水再次增强期(AD1947～2003)3个气候段,而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似.近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关,年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应;但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系,很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映.说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关.这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测,而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力。

关键词：万象洞石笋氧同位素季风强度与降水黄土高原西部亚洲季风

青藏高原东部MIS5e早期亚洲夏季风气候不稳定性的年纹层石笋印迹

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中国科学：地球科学 2023年第5期53卷 1143-1162页

作者：高涛张平中程海张磊磊李新虎石宏宇贾伟宁有丰李瀚瑛 R.Lawrence EDWARDS 兰州大学地质科学与矿产资源学院甘肃省西部矿产资源重点实验室兰州730000 西安交通大学全球环境变化研究院西安710054 Department of Earth Sciences University of MinnesotaMinneapolisMN 55455USA

深海同位素5e阶段(Marine Isotope Stage,MIS5e)是比工业化前更温暖的气候时期,这一阶段的气候可为当代暖期(Current Warm Period,CWP)气候提供“气候变化的过去相似型”,但MIS5e时期气候内部稳定状况仍然不清楚.我们从青藏高原东部万... 详细信息

深海同位素5e阶段(Marine Isotope Stage,MIS5e)是比工业化前更温暖的气候时期,这一阶段的气候可为当代暖期(Current Warm Period,CWP)气候提供“气候变化的过去相似型”,但MIS5e时期气候内部稳定状况仍然不清楚.我们从青藏高原东部万象洞内采集到一根石笋WXB075,通过U-Th和纹层计数年代数据建立了该石笋生长的高精度年代模型,并利用多替代指标重建了MIS5e早期亚洲夏季风变迁与环境演化历史.结果显示,年纹层石笋WXB075生长于MIS5e早期的北大西洋C27(Cooling Event 27,C27)降温时期.受北大西洋降温的显著影响,该石笋生长被打断(沉积间断;~125.58ka BP),并可能与北半球气候不稳定状况有关.此外,由于北高纬冰融水排放的强烈作用,石笋WXB075δ^(18)O记录的MIS5e早期亚洲夏季风可定义为两个阶段:较弱阶段和逐步增强阶段(间断除外).总体上,亚洲夏季风气候不稳定性以准60a为循环周期,调控洞穴上覆植被状况、生物生产力变化和喀斯特动态水循环.然而,当北高纬冰融水排放加剧和温度降低时,亚洲夏季风强度减弱和降雨量大幅度减少并导致洞穴上覆植被退化和岩溶动态水循环减缓.而当亚洲夏季风高频气候事件发生时,洞穴上覆植被状况、有机质含量和喀斯特动态水循环干湿变化不仅受大尺度季风环流状况的显著影响,也深受局域环境的强烈作用.将MIS5e早期δ^(18)O记录与过去2000年以来δ^(18)O记录对比发现,MIS5e早期与CWP、中世纪暖期(Medieval Warm Period,MWP)和黑暗冷期(Dark Age Cold Period,DACP)亚洲夏季风存在镜像关系,而与小冰期(Little Ice Age,LIA)具有一定的相似性.通过与北半球其他地质记录对比,发现MIS5e时期气候不稳定性具有普遍性.功率谱结果显示,石笋WXB075MIS5e早期δ^(18)O记录具有显著的准60a和35a周期信号,与北大西洋多年代际涛动(Atlantic Multi-decadal Oscillation,AMO)周期一致.综合结果表明,MIS5e早期亚洲夏季风与太阳活动变化密切相关,并对热带复合带位置(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)和大西洋径向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,AMOC)响应敏感.

关键词：青藏高原东部气候不稳定性万象洞石笋亚洲夏季风环境响应沉积间断

近2000年来亚洲夏季风的变迁模式、全球联系及影响因素

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近2000年来亚洲夏季风的变迁模式、全球联系及影响因素

作者：余仁哲兰州大学

学位级别：硕士

过去2000年覆盖了黑暗冷期、中世纪气候异常期、小冰期、当代暖期等气候波动时期,包含了工业革命前由自然变率主导的气候变化和工业革命后因人类活动加强而强烈干扰自然变率造成的气候波动。季风变迁是区域性乃至全球性气候变化的重要... 详细信息

过去2000年覆盖了黑暗冷期、中世纪气候异常期、小冰期、当代暖期等气候波动时期,包含了工业革命前由自然变率主导的气候变化和工业革命后因人类活动加强而强烈干扰自然变率造成的气候波动。季风变迁是区域性乃至全球性气候变化的重要组成部分,其中亚洲夏季风携带印度洋和热带太平洋的热量和水汽,影响着亚洲季风区约占全球一半人口的生存和发展,而且亚洲夏季风通过西风带和越赤道气流联系着北半球中、高纬地区和南半球的气候变化。因此,研究过去2000年来的亚洲夏季风变迁模式、全球联系及影响因素,对于认识工业革命以前人类活动较弱时期的气候环境背景,揭示十年至百年尺度上各气候系统的驱动、响应、反馈和耦合机制,确认十年至百年尺度上地球内、外力作用对气候变化的影响,探究当代气候变化并预测未来气候变化等至关重要。本文基于平均定年误差仅为2年、时间分辨率为2.5年的甘肃万象洞WX42B石笋氧同位素序列,重新理解了亚洲夏季风过去2000年来的区域变迁模式和亚洲冬、夏季风之间的演化关系,再次评估了北半球高、中、低纬地区气候变化系统间的耦合关系及其动力学机制,以及南北半球之间的气候联系,并推断过去2000年影响亚洲夏季风变化的主要因素。得到以下几点主要结论:1、将万象洞记录与亚洲季风区董哥洞、和尚洞和Sahiya洞石笋δO记录进行对比,发现过去2000年亚洲夏季风在定年误差范围内变迁模式基本一致,即近2000年来亚洲夏季风整体都呈现减弱趋势,黑暗冷期期间持续减弱,中世纪气候异常期达到最(次)强盛,小冰期期间先变弱后增强,但整体维持较弱状态,当代暖期大幅度减弱。通过与渭南黄土和湖光岩玛珥沉积物等亚洲冬季风记录与对比发现,过去2000年来亚洲夏季风与冬季风呈现反相演化。太阳活动强弱变化造成的ITCZ半球间移动可能是导致亚洲冬、夏季风反相演化的原因。2、通过与格陵兰冰芯δO记录对比发现,过去2000年亚洲夏季风变迁在气候突变事件和长期演化趋势上均与北极极地气温变化基本相一致,表明亚洲夏季风变化与北半球高纬度地区气候存在快速连接关系。根据北极海冰数量变化记录和大气△C、总太阳辐射记录,这种连接关系可能与两个地区的气候均响应太阳活动变化且/或北半球海洋-大气环流有关。万象洞石笋记录的亚洲夏季风变迁与苏格兰石笋年生长速率反演和模型重建的NAO相位变化对比发现,过去2000年较强(弱)的亚洲夏季风连接着NAO正(负)相。对比太阳活动变化和亚洲冬季风变迁,结合年际尺度上NAO相位变化与亚洲地区气候变化之间的遥相关关系,推断出在数十年-百年尺度上NAO相位变化和亚洲夏季风的强度变化都与太阳活动有关,而且NAO相位改变通过西风带连接着亚洲冬季风的强弱,进而影响亚洲夏季风的变化。3、将万象洞石笋记录与澳大利亚KNI-51洞、秘鲁Huagapo洞石笋记录进行对比,发现过去2000年来亚洲夏季风与南美夏季风、印度尼西亚-澳大利亚夏季风维持着反相位的“see-saw”关系。通过与Cariaco海盆沉积物的Ti记录进行对比和相关性分析,推断南、北半球季风强度“see-saw”关系的维系可能与ITCZ的南北摆动有关。通过对比万象洞石笋记录与南极RICE冰芯堆积速率记录、δD记录发现,万象石笋记录中的极端气候变化事件几乎在南极冰芯记录中都有对应,亚洲夏季风增强(减弱)事件对应着南极洲西部降(升)温、南大洋海冰增多(减少),可能与南极和南大洋气候变化造成温盐环流运移速度变化和西风带移动,进而导致ITCZ移动有关。4、通过分析太阳活动强度、大型火山喷发、北半球温度等因素对近2000年来的亚洲夏季风强度变化的影响,推测过去2000年来的亚洲夏季风变化在数十年-百年尺度上主要受控于太阳活动强度,而年际-十年尺度上大型火山喷发造成北半球温度突变,影响亚洲夏季风强度变化。另外,近2000年来的亚洲夏季风变化也与北极海冰数量、北大西洋冰筏碎屑数量、AMOC运移速率、ITCZ南北摆动有很好的对应关系。

关键词：亚洲夏季风近2000年万象洞石笋气候变化

近2000年来亚洲季风边缘区季风降水与生态演变的关系研究

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近2000年来亚洲季风边缘区季风降水与生态演变的关系研究

作者：尹皓兰州大学

学位级别：硕士

过去2000年的气候变化研究是探寻全球气候变化规律的核心内容之一,对其研究不仅能深入挖掘百年-年际尺度近2000年气候变化规律,评估人类活动和自然变率对气候变化的影响,还能预测未来气候的变化趋势。亚洲夏季风(ASM)对全球气候变化的... 详细信息

过去2000年的气候变化研究是探寻全球气候变化规律的核心内容之一,对其研究不仅能深入挖掘百年-年际尺度近2000年气候变化规律,评估人类活动和自然变率对气候变化的影响,还能预测未来气候的变化趋势。亚洲夏季风(ASM)对全球气候变化的响应极其敏锐,是季风领域最活跃的组成部分,已成为研究全球气候变化不可或缺的一部分。它通过改变水资源的可利用性对其影响范围内的区域产生了重大的经济和社会效应,进而影响到社会的生活和福祉。因此,ASM的研究在揭示古环境、古气候变化和探讨人类社会生活等方面发挥着重要作用。石笋作为一种独特的地质研究载体,在古气候变化重建中得到了广泛的应用。但对以往的石笋研究中,多数集中于氧同位素组成(δO)与水文气候态变化之间的联系,而忽略了碳同位素组成(δC)及其他地球化学指标在气候变化研究中的重要作用。万象洞位于现代亚洲季风与西风急流相互作用的青藏高原和黄土高原气候区过渡地带,对亚洲夏季风的变化响应非常敏感,处于古气候研究的理想位置。文中选用陇南万象洞WX42B石笋作为研究对象,基于石笋721组碳氧同位素和微量元素数据重建了近2000年来亚洲季风边缘区季风降水及生态环境演变。对比分析石笋δO和δC的变化特征,探讨了近2000年来夏季风降水和生态演变的关系;再结合微量元素比值的时间序列,揭示出WX42B石笋微量元素比值的气候环境含义;探究了近2000年来亚洲夏季风变迁、区域生态环境演变与太阳活动记录、北半球温度、ENSO、NAO、PDO以及ITCZ之间的关系,阐述了他们之间的耦合关系。得出以下主要结论:(1)万象洞WX42B石笋δC响应当地水文气候变化,指示洞穴上覆植被密度的变化。在百年-年代际尺度上,石笋δO与δC协同变化,石笋δC响应着由δO所指征的季风降水的变化。WX42B石笋记录显示了4个气候和植被条件不同的时期:黑暗冷期(DACP,公元192-892年)气候相对寒冷湿润,植被稀少;中世纪气候异常期(MCA,公元892-1300年)气候温暖湿润,植被覆盖良好;小冰期(LIA,公元1300-1870年)研究区气候寒冷干燥,植被覆盖度较差;当代暖期(CWP,公元1870-2003年)区域气候相对温暖潮湿,植被覆盖较好。表明万象洞石笋δC可以作为植被变化的指示器,用于区域生态环境演化和水文状况变化的重建。(2)万象洞WX42B石笋微量元素比值(Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca)指示当地水文气候变化,响应季风降水和上覆植被密度变化。石笋微量元素比值(Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca)越大,表明环境越干燥,植被稀少,生态环境退化;反之环境越湿润,植被茂密,生态环境改良。WX42B石笋微量元素比值受多种因素的耦合作用,既有水-岩相互作用、渗流水滞留时间,也有石笋生长速率,但PCP作用可能不是主要因素。尽管有多重因素影响,但归根结底其受气候影响,响应亚洲夏季风的变化。(3)万象洞WX42B石笋δO与δC记录显示过去2000年出现六次显著季风减弱事件,季风降水显著减少,植被密度小,生态环境退化,这些事件中心分别在公元370年、892年、1050年、1400年、1624年、1930年左右。在误差范围内,与中国北方的降水指数记录的6次主要的降水减弱事件同步。(4)进一步将太阳活动、北半球温度、ENSO、NAO、PDO以及ITCZ与石笋δO、δC对比分析,发现这些记录之间存在良好的对应关系,在百年-年代际尺度上近2000年亚洲夏季风的变化受海气环流ITCZ、ENSO、PDO和NAO的调控,但最终受控于太阳活动强度变化,是多因素耦合作用的结果,间接影响生态环境的变化。

关键词：万象洞石笋 δ13C与微量元素亚洲夏季风季风降水生态环境