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越赤道的冬、夏亚洲季风环流将赤道海洋与高北纬极地气候变化密切相联。获取长时段连续的高分辨率亚洲季风气候变化信息有可能评估全球变化可能存在的遥相关及其快速气候变化的驱动机制。比邻西太平洋海岸的南京汤山葫芦洞由于受东亚夏季风环流的强烈影响,从末次盛冰期至冰消期均发育年际尺度连续生长的洞穴石笋材料。作者主要依据4支具有持续数千年年纹层石笋的高精度定年和高分辨率气候代用指标研究结果,重建了晚冰期(24~10kaBP)东亚季风年至十年际分辨率的气候序列,并通过不同气候指标的相位比较及与北半球高低纬高分辨率不同气候记录的对比,获得了关于东亚季风气候快速变化特征和驱动机制的新认识。
高精度年代序列是研究高分辨率古气候的前提,本文依据6支石笋45个230Th年龄数据初步确定了石笋生长序列的基本连续性和重叠时段气候变化信息交叉检验的可能性。其中4支石笋在显微镜下显示持续千年以上的年纹层构造。据计层年代学、230Th年龄-深度关系,作者建立了葫芦洞24~10kaBP时段的高精度石笋时标,其中19~14kaBP至少有2支以上石笋的时标得到交叉检验。除21~19kaBP外,其余时段均有计层年代结果控制。因此,本文重建的石笋时标绝对年龄误差在±100年,相对年龄误差精度在大部分时段内达到年际。
在高精度年代序列基础上,通过6支石笋3464个氧碳同位素和4支石笋万余条年层厚度数据以及灰度相对值变化序列,本文探讨了以大气降水为主要标志的东亚夏季风环流强度十年际高频振荡特征及其与全球气候变化的关系。研究发现,东亚夏季风强度时间序列与北半球高纬地区大气温度变化不仅在百年-千年气候事件上(如新仙女木事件和冰漂碎屑事件)有良好的对应关系,而且在事件内部结构上也表现出大体一致的振荡方式,由此证实至少在十年至百年时间尺度上中低纬度大陆季风降水变化与全球气候变化有着动力学上的联系,很可能具有相同的驱动源和触发机制。上述三种指标的功率谱分析表明季风降水存在太阳活动和海-气耦合系统中某些特征周期,如80年的G1eissberg太阳活动周期、30~40年的大气降水周期等,说明地球外部因素和气候内部系统动力学是东亚季风降水变化的主要驱动力。
从平均分辨率为十年的24~10kaBPδ18O时间序列,识别出19~17kaBP存在的东亚夏季风降水突增事件,其最大变幅甚至接近Bolling暖期,本文称之为F型事件。该类事件由两峰一谷组成:两峰间持续时间基本相等,变化形式与则极地冰芯中DO旋回快速变暖、缓慢转冷的特征相反。由于这类事件持续时间较短,目前尚未在其他己发表的气候记录中发现,因此还不能证实其是否具有全球性特征。作者初步认为,F型事件与太平洋海表温度、盐度异常有关。首先,19~17kaBP期间海平面具有突然回升现象;其次,末次冰期确实存在千年尺度Super-ENSO与亚洲季风驱动变化的动力学联系。因此,F型事件实质上可视为中尺度ENSO循环在季风气候记录中的表现形式。其湿事件相当于LaNina相位,干事件则对应于E1Nino相位。
分辨率在70年左右的Mg/Sr曲线指示了东亚季风区洞穴年均温的变化,研究表明从盛冰期至冰消期最大温度变幅可达15℃。末次冰消期时石笋Mg/Sr比值指示的年均温滞后于δ18O指示的季风降水变化,反映了东亚夏季风和冬季风这两种系统对气候变化的不同响应。δ18O记录的提前充分说明了热带太平洋变化在驱动东亚夏季风降水事件中的作用。相反,Mg/Sr记录的东亚季风降温事件则通过冬季风的快速传递与高北纬气候变化一致。然而石笋δ18O与Mg/Sr记录在末次冰消期的相位差仅为100~200年,有可能说明在某一特定时期不同系统可以通过全球大气水热的迅速传输实现海洋-陆地-冰盖-大气系统的快速耦合。
通过不同石笋间年纹层厚度的对比以及年纹层厚度与δ18O记录的基本一致性证实,纹层厚度可以作为降水的有效代用指标。达到年际分辨率的纹层厚度序列功率谱分析表明7~2年的降水周期普遍存在于冰期气候条件,该周期应是ENSO大气环流在东亚夏季风锋面区域的遥相关表现。研究结果显示,ENSO周期在24~2lkaBP较18~15kaBP更为显著,其演变趋势符合岁差日辐射驱动理论:即日辐射增强时会削弱E1Nino事件的发育。同时百年-千年尺度平均气候态与ENSO循环之间的关系也得到分段功率谱记录的证实:冷态气候条件ENSO振幅小,暖态气候条件ENSO振幅大。值得注意的是H1冷事件时ENSO分量加强,因此除太阳辐射量、赤道太平洋海-气相互作用等驱动因素外,海洋之外的气候边界条件、大气CO2浓度变化等也可能对ENSO周期产生影响。ENSO分量在H1事件时加强很有可能说明强劲的行星尺度的西风环流导致东亚冬季风加强,从而诱发ENSO周期。