中国北方达里湖沉积记录的末次冰消期以来东亚夏季风变化研究

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作为全球气候系统的重要组成部分,东亚夏季风及其变化是学术界普遍关注的焦点。东亚夏季风降水的时空格局显著影响着我国及周边地区的社会经济、生态环境、水资源等,与数十亿人的生产生活密切相关。准确认识东亚夏季风变化历史、生态环境效应及其影响机制,有助于揭示人-地相互作用与适应机制的演变规律,并可为现代气候变化的解译和未来气候变化的预估提供科学参照。过去几十年间,人们已经利用观测数据、历史文献资料、地质记录并结合古气候模拟实验等多种方式,对现代及过去不同时间尺度上东亚夏季风的变化开展了较为广泛的研究。然而,(1)以中国北方达里湖为代表的东亚夏季风边缘区湖泊古水位变化能否表征东亚夏季风强度?(2)末次冰消期千年时间尺度上,新仙女木冷期(Younger Dryas,YD,~12.9-11.7 ka)东亚夏季风究竟是增强还是减弱?全新世期间,东亚夏季风最强盛时期究竟出现在早全新世还是中全新世?(3)广泛使用的东亚石笋氧同位素记录与湖泊沉积代用指标的矛盾如何解决?东亚石笋氧同位素记录能否准确反映东亚夏季风降水量变化?(4)东亚是否存在统一的全新世适宜期?若存在,适宜期出现在何时?现代气象学及长时间尺度的东亚夏季风研究显示,当东亚夏季风增强时,中国北方降水量增多;反之,中国北方降水量减少。同时,中国北方作为中华文明发展的核心区域,关注中国北方降水量的变化对于区域文化演进的理解也具有重要意义。由此可见,中国北方是开展东亚夏季风变化研究的关键区域,以中国北方降水量多寡来定义东亚夏季风强度变化不仅具有明确的动力学意义,还具有环境考古学上的意义。综上,本论文选择对东亚夏季风变化响应敏感的中国北方封闭型湖泊达里湖(43.3°N,116.6°E,海拔1223 m)作为研究对象。(1)一方面,在达里湖湖泊中心开展湖泊沉积物钻探及达里湖流域古湖岸堤考察与采样,获取了完整覆盖过去~15,500年的连续钻孔沉积物及11道古湖岸堤剖面的47个OSL测年样品。通过对达里湖湖芯多种沉积指标进行测试分析以及对达里湖古湖岸堤进行OSL定年,重建了末次冰消期以来达里湖区域水文变化历史;(2)另一方面,在开发并验证现代条件下达里湖流域“气候-植被-水文”耦合水量平衡模型可靠性基础上,将古湖岸堤重建的达里湖湖泊面积变化耦合至湖泊水量平衡模型中,模拟了达里湖流域末次冰消期以来的降水量变化。通过将达里湖沉积记录与模拟的降水量进行对比,并结合东亚地区高分辨的古气候记录,探索了末次冰消期以来东亚夏季风变化以及全新世适宜期的发生时间;(3)最后,基于对东亚季风区不同位置5个湖泊(内蒙古达里湖,黄土高原公海和马营海,六盘山西海子,长江下游南漪湖)连续5年的湖泊水体和大气降水氧同位素现代过程持续观测及变化分析基础上,通过将达里湖沉积物碳酸盐氧同位素记录、东亚石笋氧同位素记录、以及湖泊水量平衡模型模拟的达里湖流域降水量记录等进行对比,结合对末次冰消期以来东亚夏季风演化历史的准确认识,探讨了东亚石笋氧同位素记录是否能够准确反映东亚夏季风降水量变化。基于以上多方面工作(现代过程观测、古气候与古水文重建、记录-模型融合等)的开展,本论文主要结果总结如下:(1)达里湖水位变化历史:基于新获取的达里湖11道古湖岸堤OSL测年数据,并结合前人已发表的能够明确指示达里湖水位变化的古湖岸堤数据,本文首次建立了末次冰消期以来达里湖完整的水位变化历史。结果显示,末次冰消期达里湖水位整体逐步上升并在YD冷期出现了湖泊水位的显著下降;早全新世湖泊水位进一步升高,在~11.7-10.0 ka期间出现高湖面,在~10.0-8.0 ka期间,湖泊水位波动频繁;中全新世达里湖水位达到整个全新世以来的最高值,随后逐步下降,并在~4.2 ka出现了水位快速下降事件,现今处于末次冰消期以来湖泊水位的最低阶段。(2)记录-模型融合印证达里湖沉积记录准确反映东亚夏季风变化历史:本研究在验证了现代条件下新开发的湖泊水量平衡模型可靠性基础上,将利用古湖岸堤重建的达里湖水位(面积)变化耦合至湖泊水量平衡模型中,模拟了达里湖流域末次冰消期以来的降水量变化历史。结果显示,达里湖水位变化与湖芯代用指标及湖泊水量平衡模型模拟的降水量变化整体上具有较好地一致性,证明了达里湖沉积记录可以用来准确反映东亚夏季风演化历史。(3)末次冰消期以来东亚夏季风演化历史:在印证了达里湖沉积记录可以准确反映东亚夏季风变化基础上,本文进一步将达里湖水位变化记录与中国北方已发表的降水量变化记录进行对比,揭示了末次冰消期以来的东亚夏季风变化历史。末次冰消期东亚夏季风在不稳定的波动中逐步增强,并在千年时间尺度的YD冷期强度减弱,区域降水减少;全新世伊始,东亚夏季风进一步增强,中国北方降水量增加;至中全新世,达里湖沉积记录及水量平衡模型模拟结果都揭示了达里湖流域降水量在这一时期达到最高,达里湖数据反映的东亚夏季风在中全新世最为强盛的特征也得到中国北方多条定量降水量重建记录的支持;晚全新世,东亚夏季风逐步减弱,区域降水逐渐减少。(4)东亚石笋氧同位素记录不能够作为中国北方降水量变化指示器:通过对东亚季风区湖水氧同位素现代过程观测发现,非季风季节不同位置湖泊的湖水氧同位素由于受多种因素影响,表现形式呈现出不一样的变化趋势;季风季节湖水氧同位素均显著偏负,主要受控于东亚夏季风影响下的大气降水氧同位素的变化。进一步通过对东亚季风区大气降水氧同位素现代过程变化进行分析,发现大气降水氧同位素变化可能主要与水汽源的变化有关。基于现代观测结果的分析,并考虑到达里湖沉积物碳酸盐氧同位素与东亚石笋氧同位素本质上均继承了大气降水氧同位素信号的事实,以及全新世千年时间尺度上东亚石笋氧同位素记录与达里湖沉积物碳酸盐氧同位素记录具有较好地一致性变化而与东亚夏季风降水量演化模式具有显著差异,我们提出东亚石笋氧同位素记录可能主要代表了水汽源变化,指示了大尺度的环流信号,但并不能够作为全新世中国北方降水量变化的指示器。(5)具有稳定而强盛东亚夏季风特征的中全新世适合作为东亚全新世适宜期:基于达里湖沉积记录的早全新世东亚夏季风不稳定的基础上,本文进一步通过搜集东亚季风区23条高分辨率的东亚夏季风记录,系统评估了早中全新世东亚夏季风稳定性差异。结果显示,相较于早全新世,无论是单条古气候记录还是所有记录的集成均表现出东亚地区中全新世气候更为稳定。据此,本文提出具有稳定而强盛气候特征的中全新世更适合作为东亚地区的全新世气候适宜期。(6)东亚夏季风变化对区域文明演化的影响:从气候稳定性角度出发,在气候更为稳定的中全新世气候适宜期,植被更加稳定,史前人口数量及以仰韶文化为代表的史前文化遗址数量也均在中全新世出现显著上升趋势。根据东亚地区早中全新世气候稳定性与植被、史前人口及遗址数量的耦合关系,我们认为具有稳定气候特征的中全新世为农业和畜牧业的发展提供了有利条件,促进了史前人口的快速增长以及全新世中国北方地区最具代表性的新石器文化——仰韶文化的繁荣。这从东亚夏季风变化的生态响应来看,也进一步证明了中全新世更适合作为东亚地区的全新世适宜期。从气候突变的角度出发,~4.2 ka华北与华中的“南涝北旱”气候格局对于中国的古文明演化具有深远影响。以达里湖水位快速下降为代表的~4.2 ka华北干旱迫使史前人群向南方迁徙,而同期豫东地区的洪涝灾害使得当地人群向海拔更高的豫西地区迁徙,两股人群在豫西地区相互交融、碰撞,最终导致在中原地区兴起二里头青铜文明,其影响遍及于中国大部分地区,使得中国进入成熟的“王国”文明阶段。(7)东亚夏季风变化的可能驱动机制:轨道尺度上,东亚夏季风的演化主要受控于北半球夏季太阳辐射变化,但由于高纬冰盖的存在导致的大西洋经向翻转环流(AMOC)变化对末次冰消期以及早全新世的东亚夏季风增强具有显著的抑制作用,造成全新世东亚夏季风的变化最强时期滞后于北半球夏季太阳辐射的最高值时期。在早中全新世东亚夏季风稳定性机制方面,早全新世北半球冰盖对西风急流的扰动作用通过西风-季风相互作用影响了东亚夏季风气候的稳定性;中全新世冰盖的大量萎缩,导致对西风急流的扰动作用减弱,使得东亚夏季风在中全新世相对于早全新世更加稳定。
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