中国科学家基于海陆地质记录发表研究综述:第四纪轨道尺度东亚季风变率及动力学研究进展

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所属分类:研究成果

近日,中国科学院地球环境研究所孙有斌研究员联合国内外科学家,基于东亚季风区黄土、湖泊、石笋和多个大洋钻探钻孔(ODP 117、121、 184,IODP 346和IODP 349、353、355航次)等记录,结合数值模拟结果,综述了第四纪东亚季风轨道尺度变率特征及动力学的研究进展,发表在地学国际期刊Quaternary Science Reviews上。以下文章来源于中国科学院地球环境研究所。

来自东亚大陆和周边海洋不同地质载体,揭示出第四纪东亚季风气候显著的万年尺度波动,然而,这些载体中代用指标变化的周期和幅度却差异甚大。例如,黄土的粒度和磁化率等指标显示出东亚季风具有显著的10万年冰期旋回,而石笋氧同位素记录反映的季风强度变化为2万年岁差周期主导。这种差异导致了对季风变化动力学认知的困惑,即太阳辐射和高纬冰量如何影响轨道尺度东亚季风变率。

近期,地球环境研究所团队受QSR编辑邀请,联合了比利时、美国等多位科学家,通过梳理东亚季风区黄土、湖泊、石笋和海洋记录(图1),结合数值模拟结果,综述了第四纪东亚季风轨道尺度变率特征及动力学的研究进展,认为东亚气候变化(如温度和降水)具有明显的区域性和季节性特征,建议未来需加强定量重建的气候变量与数值模拟结果的直接对比,深化第四纪轨道尺度气候变化动力学的认知。

中国科学家基于海陆地质记录发表研究综述:第四纪轨道尺度东亚季风变率及动力学研究进展

图1 东亚及周边海域典型黄土、湖泊、石笋、海洋沉积记录分布图

该研究收集了东亚大陆及周边海域超过50个地质记录,讨论了黄土、湖泊和海洋沉积指标揭示的东亚季风和印度夏季风变化的异同,认为第四纪轨道尺度气候周期演化大致存在四种表现:(1) 4万年变为10万年,(2) 2/4万年转变为混合的2/4/10万年,(3) 2万年转变为混合的2/4/10万年,(4) 持续的2/4/10万年且无周期转型(图2)。

中国科学家基于海陆地质记录发表研究综述:第四纪轨道尺度东亚季风变率及动力学研究进展

中国科学家基于海陆地质记录发表研究综述:第四纪轨道尺度东亚季风变率及动力学研究进展图2 黄土(a, b)、湖泊(c, d)和海洋(e, f)记录中代用指标的周期演化

基于HadCM3模拟结果,发现降水、温度对轨道参数、CO2、冰量等强迫的响应存在季节性和区域性差异(图3)。北方地区(30-60°N)夏季温度和降水变化主要受岁差影响,南方地区(0-30°N)温度和降水除了受岁差影响外,还分别受到CO2和冰量变化的影响;年均温和年降水变化对三种强迫因子相应同样表现出南北差异。

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图3 夏季温度(a)、降水(b)及年均温(c)和年降水(d)对地球轨道参数、CO2和冰量变化的响应

基于HadCM3模拟估算了最近260万年夏季降水和年降水变化,其演化周期表现出显著的区域差别(图4)。中国北方夏季降水以岁差周期为主,而年降水变化在早更新世以岁差周期主导,到中晚更新世则为岁差和冰期旋回共存。中国南方夏季降水在早更新世为2/4万年周期共存,到中晚更新世则为4/10万年周期共存,年均降水则表现出早更新世4万年向中晚更新世10万年的周期转型。

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图4 中国北方(a和c, 30-40°N)和南方(b和d, 20-30°N)的夏季和年降水变化

中国北方黄土、湖泊和石笋指标变化与模拟结果对比表明(图5),不同指标显示的周期差异可能是指标对温度和降水的响应差异所致。湖泊孢粉和黄土碳酸盐碳同位素主要响应于年均温和年降水变化,具有中晚更新世的10万年周期旋回,而石笋氧同位素可能主要反映夏季降水变化,因而为2万年周期主导。

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图5 湖沼、石笋和黄土代用指标变化与数值模拟结果对比

综合地质记录与数值模拟结果,认为太阳辐射、冰量和CO2变化会共同影响东亚第四纪气候变化,但它们对不同气候要素的影响表现出区域性和季节性差异。因此,不同载体和指标对温度和降水等要素存在不同敏感性,叠加上温度和降水对不同强迫因子的响应差异性,造就了第四纪轨道尺度气候变化呈现出多样的周期演化特征。

该研究成果受到中国科学院B类先导专项(XDB40000000)资助,以特邀论文(Invited Article)于6月10日在线发表于Quaternary Science Reviews

 

论文信息

Sun Y, Wang T, Yin Q, Lyu A, Mrucifix M, Cai Y, Ai L, Clemens SC, An Z. 2022. A review of orbital-scale monsoon variability and dynamics in East Asia during the Quaternary. Quaternary Science Reviews.  

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379122002244

 

编者按:

       大洋钻探50余年来获得岩芯总长度逾40万米,均完好保存在大洋钻探岩芯库中,所有岩芯样品及船上实验数据均免费向全球科学家开放。科学家们可以根据研究兴趣申请合适的样品开展研究,只需发表成果时注明“样品由大洋钻探提供”即可。如需申请样品或数据,请登录中国大洋发现计划官网(www.iodp-china.org)了解更多信息。

 

撰稿 | 王婷、孙有斌

编辑 | 李阳阳