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道尔效应与全球季风

星期一, 11月 30th, 2020

2020年10月7日,《Science Advances》在线发表我院黄恩清副教授与合作者的研究论文:“Dole effect as a measurement of the low-latitude hydrological cycle over the past 800 ka”。明确提出道尔效应可以作为地质时间尺度上全球季风强度变化的度量指标,这是“气候低纬驱动”学说的一个重要进展。

古气候研究始于近代欧洲,基于当地的地质现象,学术界发现了第四纪“冰期旋回”现象,即过去数十万年以来,地球气候在温暖的间冰期和寒冷的冰期时代之间来回振荡,振荡的周期约为10万年。随后发现北半球高纬地区的“冰期旋回”现象具有全球效应,世界各处的古气候记录里都发现了类似的10万年周期。因此把高纬冰盖体积涨缩引起的地球气候变化称为“高纬驱动”学说。

然而这个学说受到越来越多证据的挑战。首先,低纬是获得太阳辐射能量最多的地区,理论上低纬才是全球气候变化的能量发动机。其次,低纬最显著的气候特征是季风和水文循环。季风记录中最显著的是2万年岁差周期,而不是10万年周期。基于这些研究进展,近年来我院科研团队提出了气候变化的“低纬驱动”学说以及“全球季风地质演变” 的新概念。其中一个前沿问题就要回答是否存在一个度量指标,可以描述全球季风的演变历史?

本次发表的成果,论证了道尔效应就是全球季风的指标。大气氧气同位素与大洋海水氧同位素的差值,称为道尔效应。利用极地冰芯气泡中封存的古大气,以及表层海水地质记录,本文提出了一个计算道尔效应的新方法。发现过去80万年以来,道尔效应波动只有显著的岁差周期,而没有10万年周期。进一步分析认为,低纬水文循环强度变化引起的降水同位素变化、土壤呼吸作用和蒸腾作用过程中的同位素分馏变化,是轨道尺度上道尔效应波动的主控因素;而其他因子对道尔效应的影响,可以忽略不计。简单说来,道尔效应波动主要反映低纬水文循环过程,而与高纬气候变化关系不大。这个分析得到气候数值模拟结果的支持,过去30万年以来,低纬降水量的变化与道尔效应存在良好的相关性。

在岁差周期上,南北半球的季风和道尔效应变化是反相的。但由于南北半球大陆分布的不对称性,导致北半球季风强度和水循环过程的同位素分馏比南半球更强。因此综合之下,全球尺度上的低纬降水量和道尔效应变化,跟随的是北半球夏季太阳辐射量的步调,发生岁差周期上的振荡。

值得指出的是,低纬季风和水文循环研究具有重要的社会和经济价值。季风区生活着全球三分之二的人口,我国东部经济发达区也主要受到季风气候的影响。本文研究成果指出,由于目前处在岁差振幅波动的极弱期,全球季风强度降低。因此从地质历史看,现今低纬地区整体上处于降水较弱的阶段。这个地质大背景叠加上全球变暖引发的水文循环时空变化,未来水资源供应将成为人类社会的巨大挑战。

图1 计算全球表层海水氧同位素综合曲线所利用的数据站位(蓝点和红点)以及现代全球季风区分布(绿色区域)。

图2道尔效应与中国石笋记录以及模拟的低纬(30°N-30°S)降水量的对比。三者吻合良好,都只包含强烈的岁差周期。

本文第一作者及通讯作者为黄恩清副教授,合作者包括我院汪品先院士、王跃副研究员、田军教授和已毕业本科生李诗涵,以及南京师范大学严蜜博士和自然资源部第二海洋研究所马文涛博士。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

中国南方海相和陆相古植被记录差异的原因:陆架地貌演化和陆架植被

星期三, 4月 15th, 2020

在第四纪冰期旋回过程中,华南湿润程度及其植被类型变化一直存在争议。陆地湖泊记录显示冰期时华南地区的地带性植被为亚热带落叶-阔叶混交林,气候依然比较湿润;然而南海海洋记录却显示冰期时周边陆地草本植物大量扩张,气候干旱程度似乎明显加重。目前文献还未对这种记录和解读的差异给出合理解释。推测:海洋记录倾向反映南海北部宽阔陆架上的植被信息,因此与华南陆相古植被记录不一致。陆架植被类型演化与海平面波动引起的陆架地貌变化有关,而与气候干湿变化的相关程度较低。

冰期:中国南方湿润程度可能只有小幅度下降,并不足以引起植被类型在森林和开阔性草地之间的巨大转换。陆架上草本植物扩张,主要是由于陆架前端滨岸地区适合草本植物生存。

冰消期:海平面上涨导致河道地形梯度变缓和淤塞,在陆架上形成很多积水环境(例如沼泽、湿地等)。C4类型中的莎草科和禾本科植被在这种环境中形成竞争优势,因此丰度增加。在很多热带季风区,C4植被扩张往往指示气候干旱程度加深。然而在东亚亚热带地区,莎草科和禾本科里的C4植物却在潮湿的积水环境大量出现。现代植被调查也证实这个解释。因此,植被的气候指示意义因地区而异,需要具体分析。

间冰期:草本植物只在滨岸平原地区较多出现。此时钻孔离海岸线距离比较远,因此沉积记录里草本植物丰度大幅下降。

中国陆架发育历史:与新构造运动相关,陆架面积是在第四纪逐渐扩张的。文章的确发现在距今43万年前的冰消期(Termination-V),当时并没有出现草本植物扩张现象,暗示当时陆架面积还十分有限。在距今34万年之后(Termination-IV),各个冰消期才出现C4类型草本植被扩张现象,并且扩张程度越来越明显,指示南海北部陆架面积变得越来越大。