末次冰期千年尺度季风气候事件的时间、模式以及控制背景

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千年尺度突变事件旋回作为末次冰期气候鲜明特征之一,成为近半个世纪以来古气候研究的热点。尽管此类气候事件在全球范围内均有记录,但不同区域地质记录呈现出在变化模式以及事件内部特征上的差异性。随着更多高分辨率、高定年精度地质记录的不断涌现,作为“标杆”的格陵兰冰芯记录在千年气候事件变化模式以及相关的气候周期问题上面临挑战;另一方面,关于南北两极气候相位关系问题的争论持续不断,归其原因,主要是不同区域的气候响应差异以及冰芯自身年龄模式导致的偏差。低纬水文过程在联系南北两极气候以及调节全球水热配置方面充当了重要角色,尤其是高质量的低纬季风记录有助于揭示全球千年气候信号的传播机制以及对南北半球信号的响应方式,为进一步理解Seesaw模式下气候突变的驱动机制提供新的窗口。本文基于中国湖北落水洞三支石笋122件U/Th年代、5761组氧碳同位素以及部分微量元素(LS11)记录,重建了末次冰期(95.8~10.8ka)千年至轨道尺度亚洲夏季风高分辨率时间演化序列;平均样点分辨率为20a,最高时段达到2~5a,相对于葫芦洞、三宝洞和永兴洞而言(Wang et al.,2001,2008;Chenet al.,2016;Cheng et al.,2016a),其目前属最高分辨率记录。三支石笋δ18O记录在相同时段无论在变化模式、特征以及同位素值方面均显示出良好的一致性;与其它洞穴记录的对比结果进一步证实了落水洞石笋记录的真实可靠性,为研究该区域千年尺度气候事件的发生时间、转型模式以及内部结构特征奠定了地质数据基础。与其它洞穴石笋及极地冰芯记录的突变事件时间对比发现,落水洞与土耳其北部 Sofular Cave(Fleitmann et al.,2009)在DO事件(Dansgaard-Oeschgerevents)起始阶段的年龄差总体上显示出良好的一致性,其中7个DO事件的时间差控制在100a以内。相对于葫芦洞、永兴洞和Sofular Cave,落水洞与印度北部Bittoo Cave(Kathayat et al.,2016)的年代差最明显,高达达到500-2200a,表明Bittoo Cave记录在上述时段的年龄模式需要进一步修正。落水洞与永兴洞和葫芦洞记录分别在300a和500a范围内保持高度一致,进一步证实了三支石笋记录年龄模式的可靠性。然而,葫芦洞记录在DO22和18事件上的年龄可能分别偏轻和偏老(>1ka),需要进一步校正。另一方面,多支高测年精度石笋记录与最新的格陵兰冰芯时标比较表明,后者年代系统偏年轻,但其偏差并不随时间的前推而扩大,因此支持以往的研究结果(Fleitmann et al.,2009)。AICC2012 时标控制下的NGRIP 冰芯记录(North Greenland Ice Core Project members,2004;Veres et al.,2013)与落水洞和永兴洞的年代差在400a范围内保持一致,在一定程度上支持最新冰芯时标的可靠性。落水洞记录的CIS事件(Chinese interstadials)的起始转换时间从数百年至千年不等,其总体呈现出“缓慢开始、缓慢结束”的鲜明特征,与永兴洞石笋记录相似。更重要的是,落水洞石笋δ18O亚轨道尺度信号与南极温度变化存在显著的线性关系,反映了南大洋潜热释放对北半球低纬季风的影响,其水汽输送量与北大西洋径向翻转环流的强度紧密相关。以亚洲季风和大气CH4为桥梁和纽带,发现南极温度极大值(Antarctic isotope maximum,AIM)的发生早于格陵兰气候突变约0.1~0.2 ka。另一方面,与CIS事件的转换过程相似,H事件(Heinrichevents,Hs)开始过程同样呈缓变模式,可能与南极温度变化过程存在遥相关(镜像)关系;H1~H6发生的时间分别为:16.69±0.04,24.48±0.04,30.41±0.03,39.61±0.04,48.31±0.02 和 61.91 ka。在事件内部结构上,呈现出“V”字形(H1,H2和H4)和“U”字形(H3,H5和H6)两种类型,表明低纬季风在响应全球气候变化方面具有南北两极的双重属性征。在“神秘期”后半段,冰融水和“超级弱季风”事件在加速南大洋温室气体释放方面起着不可忽视的作用,从而引起海-气强烈耦合,最终驱动气候系统状态向间冰期转换。利用不同的频谱分析方法研究发现,落水洞石笋δ18O记录了除岁差周期外的2-3 ka,4ka,6-8 ka等千年周期,与北大西洋冰漂碎屑事件以及近期对格林兰冰芯记录分析的周期相吻合(Bond et al.,1992;Bond et al.,1993;Bond andLotti,1995;LongandStoy,2013),但并未显示出明显的1470a准周期信号。其中以4 ka和8 ka为主周期的变化特征与湖北永兴洞的研究结果一致。有趣的是,残差信号功率谱仍然显示出岁差周期,表明轨道太阳辐射在塑造和影响千年尺度气候事件方面的重要作用。尽管落水洞在轨道和千年尺度上与其它洞穴石笋记录显示出良好的协同性和一致性,然而,在72~64 ka时段,其δ18O记录指示夏季风持续增强的势,并叠加了数次千年一百年尺度的高频振荡。这与早期包括洞穴石笋在内的地质记录产生明显差异,同时与MIS4时段气候边界条件不符;但与邻近的永兴洞和南美季风Santiago Cave(Mosblech et al.,2012)记录的变化趋势相似。这种“异常”特征究竟是洞穴记录本身的原因还是真实地反映了独特的低纬季风变化过程有待于更多高分辨率地质记录的验证。另一方面,石笋δ13C、微量元素238U以及δ234Uinitial等综合指标变化表明,其既受到长期气候变化趋势的影响,又具有局域环境依赖性,在解译过程中需谨慎;但其在指示重大气候突变事件或灾难性环境事件方面具有放大效应。其中δ234Uinitial值在落水洞记录的显著弱季风事件中普遍升高,表明其在指示夏季风强度变化、陆地表层风化作用强度以及土壤或岩溶通道的化学环境方面表现出较强的指示作用。因此,今后应加强这方面的机理研究,以期在石笋气候代用指标方面寻找新的突破口。
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