中纬度亚洲黄土记录的MIS-13古气候空间差异及其影响机制研究

发布时间：2020-11-11 21:38

　　 第四纪大冰期以来全球经历了两次重要的气候转型。第一次是主要发生在0.9 Ma BP左右的中更新世转型(MPT)或者中更新世革命(MPR),以全球冰量增加,气候变化的主导周期由41 ka转变为100 ka为特点;第二次是发生在深海氧同位素阶段(MIS)12和MIS-11之间,大约430 ka BP的中布容事件(MBE)。这次事件以全球冰量进一步增加,大幅度的冰期-间冰期波动,全球范围内碳酸盐加剧溶解为特点。然而,与MBE之后的间冰期相比,有着低幅度冰量变化的MPT和MBE之间的时段,全球气候演化状况还并不清楚。中纬度亚洲内陆广泛分布着第四纪黄土-古土壤序列,这些序列记录着丰富的古气候信息,并使之能与深海氧同位素和极地冰芯记录相对比。在中国黄土高原,S5古土壤层(俗称红三条)发育着三层亚古土壤层(S5-1、S5-2、S5-3),异常高的磁化率显示S5-1古土壤层(对应着深海氧同位素(MIS)13,大约发生在500 ka BP左右,是古气候演化的特殊时期)经历了过去800 ka以来最强烈的风化成壤,有可能指示着异常强盛的东亚夏季风。这似乎与深海氧同位素和南极冰芯记录的较冷的间冰期相矛盾。虽然,已有研究者提出异常强盛的东亚夏季风可以发生在相对冷的间冰期的观点,但仍需更多的证据支持。与此同时,S5-1古土壤发育强度的区域差异也可能存在。有研究发现,黄土高原西部S5-1的土壤发育相对较弱,而S4(对应MIS-11)则发育强烈;明显区别于黄土高原中部和东部的黄土序列。这种差异是由大气环流格局导致还是由土壤长时间成壤导致?依然存在争论。相对于黄土高原,中亚黄土古气候的研究相对较少,该地区气候状况常年受西风环流控制很可能与季风区表现出不一样的土壤发育状况。因此,我们会产生疑问,MIS-13古气候状况是否存在空间差异?如果存在,那么产生这种差异的影响机制又是什么?为了理解这些问题,本研究采集受东亚季风影响的黄土高原中部西峰剖面和受西风影响的中亚塔吉克斯坦Darai Kalon(DK)两个剖面,并在全球收集已发表文献中涉及MIS-13或S5-1古土壤的多种类的指标记录为研究材料。利用轨道调谐方法获取年代序列,以磁学参数、粒度和色度等为古气候代用指标,并结合LOVECLIM气候模型去解释驱动机制,获得的主要结论如下:(1)通过调查黄土高原中部西峰剖面S5-1古土壤含铁矿物的属性,结果展示S5-1古土壤的磁性增强是强于其它古土壤层,这种增强主要由于成壤产生的细粒亚铁磁性矿物所导致的。长时间的成壤并不是导致S5-1古土壤磁化率增加或者MIS-13土壤强烈发育的主要因素。成壤赤铁矿和针铁矿变化以及随磁性增强的比例,指示着S5-1古土壤发育在异常湿润的环境。(2)黄土高原收集的指标记录显示在黄土高原中东部和西部S5-1古土壤的发育强度是不同的。在黄土高原中部,与以前的研究结果一致,S5-1发育为最强的古土壤层。然而在黄土高原西部,S5-1发育较弱,而古土壤S4却发育最强。黄土记录的这种局地空间差异主要受控当时的大气环流控制。与MIS-11相比较,MIS-13期的东亚夏季风雨带并没有向黄土高原西部深入,而是更加偏北靠东。基于热带太平洋海表面温度(SST)记录,我们认为MIS-13东亚夏季风时间和空间的异常变化可能与一个强烈的拉尼娜(La Ni?a)或者类拉尼娜(La Ni?a-like)气候态有关。在如此的气候状况下,西太平洋副热带高压(WPSH)变弱并向东北撤退,导致了中国北方中东部获得更多的降水,而西北内陆获得较少的降水量。(3)本研究使用了磁学指标、粒度和亮度等多个代用指标,研究中亚塔吉克斯坦黄土-古土壤序列中的土壤发育状况,并探讨MIS-13古气候状况及其影响机制。磁学结果支持了气候是引起土壤磁化率增强的主要因素,粗粒径(25?m)含量可以被用来指示低空大气环流强度。磁学参数、亮度和粒度记录了弱发育的S5-1古土壤,指示当时气候以相对温暖、干旱的环境和弱的表面风状态为特征;以及强烈发育的S3(对应着MIS-9)古土壤,指示当时气候以相对温暖、湿润的环境和不稳定的表面风状态为特征。通过对比印度夏季指数,我们认为MIS-13较低大气温室气体浓度也许造成了较低的南半球高纬度温度,并最终通过大气循环过程导致印度夏季风增强、扩展,相应的副热带高压和西风环流也向北扩展,而中亚塔吉克斯坦地区正好受到靠北的副热带高压的控制,气候长期炎热、干燥,才使得古土壤S5-1发育较弱。(4)结合模拟结果对比MIS-13与MIS-9中纬度中东亚的古环境状况发现,在太阳辐射和温室气体的联合影响下,黄土高原与中亚塔吉克斯坦湿度状况与我们指标记录较为一致。进一步对比全球其它区域陆地的地质记录发现,MIS-13相比其以后的间冰期:在北半球,除了亚洲季风区以外,以40?N为界限,40?N到20?N之间的亚热带和暖温带地区大部分指标记录指示着干旱的环境,而40?N以北的区域几乎所有的地质记录指示着温暖、湿润的环境,20?N以南的热带地区又显示出温暖、湿润的环境。而南半球从中纬度副热带(40?S-20?S)和低纬度热带地区(20?S-0?)均显示MIS-13与以后的间冰期相比是相对干的时期。通过对比MIS-13和MIS-9两个时期不同海洋钻孔记录的SST最大值,却发现MIS-13相比MIS-9在不同区域SST状况也存在着差异。本文将气候模拟结果与全球地质记录相联系去解释产生MIS-13古气候空间差异可能的驱动与反馈机制。MIS-13古气候空间差异是由外部驱动因素和气候系统内部反馈共同造成的。具体来说:一方面,由于MIS-13北半球高纬度夏季能够获得比南半球高纬度夏季更多的太阳辐射,再加上较低的温室气体浓度容易造成冷的南半球和相对偏暖的北半球,即南北半球气候的不对称,这种不对称可能会造成不同气候带的向北移动。由此而造成南半球陆地不同的地质记录指示了MIS-13较为干旱的环境。而在北半球由于赤道热带辐合带(ITCZ)的北移使得热带季风区普遍发育着强盛的夏季风。这种北移也会增强北大西洋经向翻转流(AMOC),使得南半球更多的热量输送到北半球高纬度,进一步加剧了半球间的气候不对称。与此同时,也会引起热带东西太平洋海表温度(SST)产生异常,并产生一个强盛的类拉尼娜(La-Ni?a-like)气候态。这种强盛的La-Ni?a-like气候态会造成西太平洋副高(WPSH)位置和强度的异常。另一方面,这种外部驱动因素的配置,会引起北半球高低纬之间的径向温度梯度增大,由此造成中纬度西风环流增强、偏北,在北大西洋形成类似于正相位北大西洋涛动(NAO)的气候态。与此同时,正向相位的NAO可能会促进大西洋表层海水流的向北输送,从而进一步增强AMOC,增强的AMOC会进一步增强热带太平洋La-Ni?a-like的气候态。反过来,这种La-Ni?a-like的气候态通过大气遥相关又进一步促进正相位的NAO。正是这样一种正反馈机制造成了MIS-13中纬度亚洲古气候的空间差异。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P532
【部分图文】：

地球气候进入第四纪大冰期以来经历了两次气候转型。第一次是中更新世转型(mid-Pleistocene transition,MPT)或者中更新世革命,主要发生在0.9 Ma BP左右,以全球冰量增加,气候变化的主导周期由41 ka转变为100 ka为特点(Imbrie et al.,1993;Raymo et al.,1997)。第二次是发生在深海氧同位素阶段(MIS)12和MIS-11之间,大约发生在430 ka BP的中布容事件(mid-Brunhes event,MBE)(Jansen et al.,1986)(图1-3),这次事件以全球冰量进一步增加,氧同位素出现了大幅度逆转,全球范围内碳酸盐加剧溶解为特点。然而,在MPT和MBE之间的时段,全球气候演化状况还并不清楚。1.2.1 MIS-13轨道参数配置及温室气体浓度

总之,不论从轨道参数配置(低的夏季太阳辐射量)还是从温室气体浓度,以及由全球冰量变化所导致的深海底栖有孔虫的氧同位素变化皆说明了MIS-13是全球冰量较大的间冰期,因此也可能是过去1 Ma BP以来最冷的间冰期。这样一个冷的间冰期,也许会导致世界不同区域气候产生不同的反馈。1.2.2 MIS-13海洋沉积物的研究

如上文所述,深海氧同位素(e.g.,Lisiecki and Raymo,2005)(图1-5a)、南极冰芯记录的温室气体浓度(Lüthi et al.,2008;Loulergue et al.,2008)和?D(Jouzel et al.,2007)(图1-5c和d)以及65?N夏季太阳辐射(Berger,1978)(图1-5f),皆说明间冰期MIS-13是过去800 ka以来相对冷的间冰期。然而,来自于中国黄土高原中部黄土S5-1层古土壤(对应于MIS-13)被认为是过去800 ka以来最强烈发育的土壤层,异常高的磁化率指示这一时期异常强盛的东亚夏季风(e.g.,An et al.,1987;Kukla et al.,1990;Guo et al.,2009)(图1-5b)。与此同时,这一事件并不孤立,来自于赤道印度洋和地中海的海洋沉积物记录也指示着这一时期发生了强盛的非洲和印度季风(Bassinot et al.,1994;Rossignol-Strick et al.,1998)。东南欧塞尔维亚黄土对应的同一时间形成的古土壤也发育最强的(Bronger,2003;Buggle et al.,2009;Markovi?et al.,2009,2012,2015)。由于温室气体的浓度相对较低,太阳辐射相比其他间冰期也并不异常(图1-5f)。因此,一个强盛的东亚夏季风发生在相对冷的间冰期似乎是矛盾的(Yin and Guo,2008)。为了理解这一矛盾,不同的建议已经被提出。例如,南北半球气候的不对称(Guo et al.,2009)。不同复杂程度的气候模型也已经被用来去调查太阳辐射、温室气体浓度、冰盖、青藏高原面积和热带海表面温度状况对MIS-13东亚夏季风的影响(Yin et al.,2008,2009;Muri et al.,2012;Sundaram et al.,2012;Karami et al.,2015)。然而,这种气候矛盾仍旧没有被解决,一方面可能是由于气候模拟中存在的不确定性,另一方面可能与地质记录重建中存在的不准确性有关。针对这一矛盾本文拟解决以下科学问题:1)黄土高原中部MIS-13土壤强烈发育的原因
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本文编号：2879781