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亚洲季风环流在全球水汽与能量循环中扮演着重要的角色,联系着岩石圈、水圈、大气圈以及生物圈,是全球气候系统中重要的组成部分之一。全新世,开始于过去11500年,是人类文明发展的重要时期。然而,全新世气候变化并不稳定,期间发生了数次气候突变事件,如众所周知的“8200年冷事件”。中全新世气候温暖湿润,与当前全球升温下的环境特征相类似,但中全新世气候的不稳定性预示着未来全球气候系统有可能发生突变,这将对全世界各国应对未来气候突变提出了新的挑战。中国是人口大国、农业大国,绝大部分耕地位于东亚季风区,强烈地受到季风降水的影响。季风降水变化对农业生产的影响关系到今后我国社会长期稳定与发展,因此深入研究亚洲季风在不同时间尺度(轨道、千年、百年、十年、甚至年际尺度)的变化特征与其背后的驱动机制显得尤为重要。
本论文选取中国季风区东北暖水洞、长江中游湖北三宝洞、西南贵州程家春洞和道观洞14根石笋样品进行高精度ICP-MS230Th和高分辨率碳、氧同位素分析,共获得了108个230Th年龄和4923个碳氧同位素,首次重建了中国南、北不同区域全新世以来具有独立定年的、高分辨率的亚洲季风演化序列。通过与其它高分辨率洞穴石笋(湖北和尚洞、贵州董歌洞以及阿曼Qunf洞)记录对比,探讨了全新世中国季风降水的区域变化模式及其响应机制。同时,与高纬冰芯、低纬海洋、陆地记录对比,深入分析了亚洲季风与全球气候变化的内在联系。更重要的是东北暖水洞、西南程家春洞具有年纹层时标的高分辨率记录允许我们对气候突变事件的结构、时间、过程进行解剖,论文就其驱动机制也做了初步讨论。获得的主要结论如下:
(1)东北暖水洞、湖北三宝洞、贵州程家春洞和道观洞石笋δ18O记录较好的重现性结果表明中国石笋δ18O反映了大区域性夏季风环流特征。石笋δ18O偏负指示夏季风环流较强,降水偏多,反之亦然。大量的230Th年龄和石笋氧同位素结合年纹层计数结果重建了中国季风区全新世高分辨率、高精度季风环流演化序列,其长期趋势伴随着北半球太阳辐射的变化而变化。一系列千年、百年、十年尺度δ18O变化明显叠加于这一长期演变趋势之上,间断性干扰着亚洲季风环流的变化。
(2)南、北洞穴石笋δ18O记录对比结果表明:(1)中国全新世适宜期开始于距今9500年,结束于6500年左右,持续时间约3000多年,主要响应于早中全新世北半球夏季太阳辐射的高值期;(2)全新世东亚季风与印度季风在轨道.百年尺度上同相位变化。6500年以后,亚洲季风区内所有洞穴石笋δ18O值逐渐增加,表明季风强度逐渐减弱。相反,南半球洞穴石笋δ18O值逐渐减少,表明南美季风逐渐增强。这种南北半球“See-Saw”的联系表明了太阳辐射诱导下的低纬热带辐合带平均位置的南北移动控制着季风降水的变化模式。
(3)具有铀.钍年龄和年纹层时标控制的东北暖水洞石笋δ18O记录结合湖北青天洞石笋δ18O记录精确的标定了“8200年弱季风事件”。该事件呈不对称性“W”型结构,开始于8260±10年,结束于8070±8年。整个过程持续了200多年,由两个次级强弱季风事件夹着一个次级强季风事件组成,持续时间(由老到新)分别为60年、80年、53年。“8200年弱季风事件”开始过程变化快速,而结束过程相对缓慢。与树轮△14C和北大西洋深海沉积记录对比结果表明“8200年弱季风事件”的发生可能受太阳活动与北大西洋温盐环流共同作用。
(4)在早全新世,神农架三宝洞石笋与格陵兰冰芯δ18O记录,无论在相对振幅上还是在长期趋势上,都呈现较好的一致性,其相关系数高达r=0.95。这表明除了太阳辐射影响之外,早全新世北大西洋气候变化也控制着低纬季风强度的变化。