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最近半个世纪,千年尺度气候突变事件自发现并被证实广泛存在以来一直是国际古气候的研究热点。随着高分辨率地质记录的涌现,此类事件的区域差异性日益突出,导致驱动假说众说纷纭。气候转换阶段区域气候差异极为显著,是探求不同气候系统相位关系及相关驱动的重要目标时段。通过对精细时标控制下的典型气候突变事件细节剖析,有助于消除气候噪声,检出真实气候信号,以认识其转型方式、内部振荡特征,实现区域间短尺度气候事件精确对比,揭示其驱动-响应关系。
亚洲季风是快速而敏感物理系统,降雨和地面风向季节性反差显著,同时又是联系海-气-冰和南北半球气候的重要载体,可通过西风带、低纬越赤道气流快速响应高低纬、南北半球突变气候信号。亚洲季风区洞穴石笋作为重要的陆相材料,可反映季风环流强度及其同位素组成变化,在环境突变研究中具有独特的学术地位。本文选择黔西南东、西南季风交替区和湖北神农架典型东亚季风区10余支洞穴石笋材料,依托100多个高精度U/Th年龄和12,650条年层统计结果,4,380个氧同位素数据,建立了90~10 kyr B.E期间亚洲夏季风演化时间序列。该记录与葫芦洞、三宝洞记录相比优势明显:分辨率较高(平均为25年,在典型转换时段约3年)、每个时段均有多支石笋重复检验、MIS4阶段CIS A.18事件振幅显著、MIS3中期(CIS A.12~CIS A.9期间)石笋δ18O振幅比早期记录较弱,与太阳辐射岁差周期的谷值信号较好吻合。新建立的记录在末次冰期捕捉到21次千年尺度季风突变事件,但事件模式显著区别于南北两极气温,主要表现为CIS的开始和结束期间季风增强和衰减极为迅速,但季风强度在CIS极盛期可长期维持。在MIS3早期,千年尺度CIS事件双峰结构异常突出,内部次级振荡幅度显著,类似于格陵兰气温,且与冰芯大气粉尘浓度指标呈较好对应关系。这种数十年~百年尺度的高低纬耦合关系反映大气快速重组对突变气候信号传输具有重要作用。
在万年尺度季风转型上,尽管MIS4/3和MIS3/2转换初期季风强度增强/衰减迅速(在数十年~百年内完成),但其长期演化趋势缓慢,阶梯状变化明显。在MIS4/3时段,季风强度直至CIS A.16a期间才达到极盛水平,滞后于北极气温极大值实现时间约1600年;在MIS3/2时段,季风强度在H2期间达到极低值,其间经历约3200年缓慢过渡期(CIS A.3~H2)。而格陵兰气温在MIS3开始的140年内达到其极大值;同样,在GIS3结束时北极气温即达到了其极低值。季风这种缓慢特征可能和太阳辐射总体水平及南北半球梯度,以及低纬水文活动有关。相似的季风缓变特征,也发现于CIS A.8开始时段。细节分析及年层统计结果显示,该转换过程历时约218年。石笋δ18O存在一显著突变过程,在35年内变化达1.14‰,相当于CIS A.8总体振幅(2.68‰)的43%,但季风强度初始抬升早于格陵兰气温变化约130年。同期冰芯水汽源(过剩氘)变化极为迅速,在3年内完成转换,冰芯δ18O转换历时约23年。对比结果进一步证实亚洲夏季风相关的低纬水热重组对突变气候信号触发和传输具有重要意义。
建立于年层时标的青天洞三支石笋记录揭示,季风强度在YD事件内部总体呈上升趋势,其间叠加四次百年尺度气候反转,和北极气温一一对应。但在YD开始,Aller(o)d/YD转换时间约596±14年,比极地气温变化约长350年;在YD结束,YD/Holocene转换历时约108±7年,比极地气温长约60年,且在IACP和YD结束时段,季风相对于极地气温变化存在着显著的“先兆”事件。这些特征说明,在北半球普遍干/冷气候背景下高低纬气候紧密耦合,但在转换时段区域差异性突出,进一步支持了亚洲季风与高北纬气候具有不同响应模式。
MIS4/3转换期的季风事件序列与葫芦洞揭示的中止点1季风变化(H1-B(o)lling-Older Dryas-Aller(o)d-Younger Dryas),在长期趋势、事件内部结构上具有一一对应关系,相同特征也发现于两极气候记录。证实了轨道尺度和千年尺度气候转换具有相似的演化规律,气候系统自我维持机制可在不同时间尺度上耦合,呈现出“自相似”特征。同时说明,在相似边界条件下,万年尺度气候转型与千年尺度气候转换可能具有相同的驱动力。
上述特征事件/转换说明,低纬季风变化既具有全球性烙印,又有鲜明的区域性特色,其差异性反映亚洲季风可能受北大西洋气候系统之外因素影响,传统的北大西洋温盐环流驱动学说难以解释本文观测到的季风缓变趋势及高低纬气候相位差(季风提前)。或许,季风的驱动力在大气而非高纬大洋,低纬水、热重组的积极作用应引起模拟工作者重视。