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    南京大学地理与海洋科学学院揭示低纬度东亚夏季风降水变化的周期

    发布时间:2024-02-04 点击次数: 作者:地理与海洋科学学院 来源:科学技术处

    南京大学地理与海洋科学学院韩志勇、李徐生课题组利用位于江西九江彭泽黄土记录,重建了过去35万年低纬陆地地区高分辨率的气候变化序列。他们的研究发现,东亚夏季风核心区的降水变化具有显著的2万年周期,为岁差主控的太阳辐射变化所驱动;同时,他们还发现在轨道时间尺度降水和温度的变化周期可能不一致。这一成果对于认识亚洲季风气候的变化规律有重要意义。

    季风的形成与季节性的海陆热力差有关,受太阳辐射和热带辐合带(ITCZ)调控。大量的水汽随东亚夏季风向内陆输送,由此产生丰沛的降水,季风对维持东亚的生态系统起到关键的作用。关于夏季风降水的变化周期及其驱动机制存在很大的争议。基于中国北方黄土沉积重建的夏季风降水存在明显的10万年周期,而中国南方洞穴石笋记录的东亚夏季风变化则呈显著的2万年周期,两者主导周期的差异成为了悬而未决的“Chinese 100-kyr problem”。相对于黄土高原等中纬度地区,来自东亚夏季风核心区的低纬黄土记录对于解决“Chinese 100-kyr problem”无疑有重要的作用。针对这一争议,该研究团队以江西省彭泽县马垱镇的黄土剖面为研究对象,获得了东亚夏季风核心区35万年以来连续的高分辨率黄土古气候变化记录。

    受沉积后强烈湿热风化和局地水文等因素的影响,中国南方黄土的磁化率通常难以准确反映气候的变化,但马垱剖面因所处位置独特,具有良好的通风和排水条件,其磁化率变化曲线与900 km以外的黄土高原经典剖面——洛川剖面呈现出惊人的相似性(图1),暗示该剖面是低纬地区罕见而珍贵的古气候记录载体。研究团队通过气候地层对比辅以光释光测年(OSL),获得了马垱剖面黄土沉积序列的年代标尺。

    图1低纬马垱剖面与中纬洛川剖面磁化率曲线的对比。红色圆点为地层对比获得的年代标尺控制点,黄色菱形点为光释光样品的位置

    小波分析与频谱分析表明,马垱剖面的磁化率年代序列呈现10万年的变化周期,与全球冰量的主导周期一致;而FeD/FeT(游离铁与全铁的比值)年代序列呈现约2万年的变化周期,接近地球轨道参数岁差的周期(图2)。FeD/FeT比值指示土壤化学风化强度,反映了含铁硅酸盐矿物在化学风化过程中释放出来的铁的比例。在年降水量较高的中国南方地区,其在现代表土中的变化具有明显的降水依赖性,显示FeD/FeT可作为反映降水量的代用指标。马垱剖面FeD/FeT记录与三宝洞石笋的氧同位素记录呈负相关,而与南北半球低纬夏季太阳辐射梯度呈显著正相关(图3)。推测岁差变化主导的太阳辐射增强,使得海陆热力差增加,东亚夏季风相应增强,陆地降水增多,促进土壤化学风化作用增强,从而导致土壤中FeD/FeT比值相应增高。

    图2 马垱剖面的磁化率指标(a, b)与FeD/FeT指标(c, d)的小波与频谱分析结果

    磁化率通常指示成壤强度,一般受降水与温度的共同影响。如果马垱剖面的磁化率主要是降水的代用指标,则需要引入起到信号平滑作用的沉积后过程解释,通过其消除2万年的周期。更加可能的解释是,马垱剖面的黄土磁化率主要反映了温度的变化,其与南极温度记录呈明显的正相关(图3)。推测是温度升高有利于蒸散发作用,从而降低了土壤湿度,避免黄土发生还原而导致磁化率降低。

    低纬黄土记录的夏季风降水具有显著的2万年变化周期,这一发现证实岁差主导的低纬度夏季太阳辐射变化是驱动东亚夏季风变化的主要因素之一,为解决“Chinese 100-kyr problem”提供了新的证据,深化了对东亚夏季风变化过程和机制的认识。本次研究还提示,在轨道时间尺度上季风核心区的降水和温度可能并非同频变化,二者可能具有不同的变化周期(即2万年降水周期,10万年温度周期),季风区的古气候在通常所认为的冷干、暖湿两种模式以外,可能还存在冷湿、暖干模式(如MIS 2阶段为冷干模式,MIS 3阶段则为冷湿模式)。按地球轨道参数计算的低纬度太阳辐射梯度变化,显示1万年前东亚夏季风降水开始逐渐减少,这一趋势可能会持续到4千年以后。

    图3 马垱黄土记录与其它记录的对比。(a) 磁化率 vs. 南极温度代用指标δD (EPICA community members, 2004); (b) 磁化率 vs. 深海氧同位素LR04 (Lisiecki & Raymo, 2005); (c) FeD/FeT vs. 三宝洞石笋氧同位素 (Cheng et al., 2016); (d) FeD/FeT vs. 南北半球低纬7月太阳辐射梯度 (Laskar et al., 2004)

    论文以“Loess deposits in the low latitudes of East Asia reveal the ~20-kyr precipitation cycle”为题,2024年2月3日在线发表于Nature Communications期刊,论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45379-9该项研究由南京大学地表过程与环境演变研究团队完成,韩志勇副教授为通讯作者,李徐生副教授为第一作者,鹿化煜教授、弋双文教授级高工等为共同作者。该项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、国际(地区)合作与交流项目和面上项目的联合支持。