科學家揭示末次冰期東亞熱帶地區千年尺度季節性乾旱事件

2020-12-16 騰訊網

全球變化背景下，水文循環異常引發的旱澇極端氣候事件帶來了負面影響。然而，現今的全球水文變化格局是緯向和經向海-氣循環在地質時期氣候長期演變背景下形成的，熱帶地區是全球水文循環的「引擎」。揭示熱帶地區在地質時期氣候變化過程中的季節性水文變化特徵和機制，有利於理解全球水文格局演變及其引發的極端氣候事件的發生、發展規律，其也是目前全球古氣候學界研究的焦點之一。

學界對末次冰期熱帶地區不同時間尺度氣候與水文變化的認識，主要有兩種觀點：由於大西洋經向翻轉環流（AMOC）變化引起的熱帶輻合帶（ITCZ）的經向季節性移動，導致熱帶地區幹-溼的變化；由於熱帶海表溫度（SST）變化引起的熱帶大氣-海洋動力學緯向變化，如厄爾尼諾-南方濤動（ENSO），導致的熱帶氣候與水文的變化。但是，支持這兩類觀點的證據主要來自熱帶大西洋和太平洋的海相記錄，由於缺乏來自熱帶陸地的記錄證據，有關熱帶地區末次冰期以來氣候水文變化過程和機制，是長期未理清的科學事實和問題。我國東部熱帶沿海地區是高-低緯、海-陸相互作用的核心區域。該地區氣候水文變化在不同時間尺度上是受北半球高緯度氣候還是受低緯度海洋的影響，或者是高緯度氣候變化通過影響海洋條件變化間接影響低緯陸地氣候水文變化，仍缺乏可靠證據。能否在東亞熱帶陸地沉積記錄中找到末次冰期高緯度廣泛分布的千年尺度氣候信號或/和相應的熱帶太平洋SST變化的信號，對相關研究具有重要意義。

湖光巖瑪珥湖（東經110°17′，北緯21°9′，海拔23 m）位於我國廣東省湛江市，該區域受到大陸Hadley環流及WPSH、熱帶太平洋SST變化影響的Walker環流的影響，是研究上述問題的關鍵地區。1997年，中國科學院地質與地球物理研究所與德國國家地球科學研究中心合作，對湖光巖瑪珥湖進行了鑽探（圖1）。

地質地球所研究員呂厚遠團隊與雲南師範大學合作，基於22個AMS14C測年結果，獲得了湖光巖瑪珥湖B孔6萬年以來的兩組高解析度、彼此獨立的氣候-植被代用指標記錄。其中1組主要來自禾本科植物的植矽體記錄，禾本科主要為1年生草本植物，因此，其可揭示季節性氣候水文變化；植矽體記錄揭示出啞鈴型植矽體在10.1-10.8、14.3-14.9、26.2-26.4、32.1-32.9、44.0-46.7、48.4-48.9和59.2-60.0 ka BP出現了7次千年尺度的百分含量和沉積通量快速增加的事件（圖2）。另外一組是花粉記錄，揭示了6萬年來的區域植被變化經歷了亞熱帶常綠和落葉闊葉混交林至熱帶季雨林的演替過程，但未顯示出明顯的千年尺度的波動（圖2）。

研究人員分析我國不同植被帶240個表層土壤植矽體發現，表土中啞鈴型植矽體含量隨年平均降水量（MAP）增加呈現先上升後下降的趨勢，啞鈴型含量超過15%的表土樣品出現在MAP為500-1250 mm的區域，高於10%的表土樣品均在MAP小於1250 mm的區域（圖3）。啞鈴型植矽體主要產自黍亞科C4植物的莖稈和葉片，春-夏季降水減少，為黍亞科C4植物在熱帶地區的擴張提供了適宜的氣候條件；降水減少，導致湖光巖湖面下降，暴露的湖岸為黍亞科植物的擴張提供了更多生存空間。因此，在目前MAP超過1600 mm的湖光巖地區，若啞鈴型含量快速增加超過15%，這明確指示了季節性乾旱事件的發生。

進一步研究發現，這7次啞鈴型峰值代表的乾旱事件的發生時間與間冰階暖期（Dansgaard-Oeschger事件）1、3、5、12、13和17相對應（圖4A），與過去認為的ITCZ在冷期（Heinrich事件）向南移動造成乾旱的機制相矛盾，因此，ITCZ遷移可能不是東亞熱帶地區水文異常的唯一機制。研究人員對比多個長尺度熱帶太平洋SST的重建結果發現，啞鈴型峰值與熱帶太平洋自西向東的緯向SST梯度增加一致（圖4 C和D）。研究顯示，熱帶西太平洋SST升高，增加了Walker環流強度，減弱了東部太平洋的大氣對流，從而在北太平洋形成反氣旋，有利於WPSH向西延伸；熱帶西太平洋增溫，加強了東亞Hadley環流，進一步加強了WPSH和抑制了東亞夏季風，從而延緩了WPSH的北移，最終減弱了來自海洋的水汽（圖4F）。現代氣候觀測記錄表明，在WPSH向西移動的年份，湖光巖地區春季和夏季的降水顯著低於WPSH向東移動的年份（圖4G）。

該研究揭示了末次冰期東亞熱帶地區水文變化和極端氣候事件的發生同時受緯向環流和經圈環流的影響，7次千年尺度的季節性乾旱事件與熱帶太平洋緯向SST（西/東）梯度增加引起的西太平洋副熱帶高壓（WPSH）西移有關，也和北半球Hadley環流加強聯繫密切。研究結果對理解全球變化背景下熱帶地區高-低緯、海-陸相互作用的規律和機制具有重要意義。相關研究成果以drought events in tropical East Asia over the last 60,000 y為題，發表於PNAS。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、雲南省高端人才項目和中科院青年創新促進會的支持。

圖1.廣東湖光巖瑪珥湖及其巖芯鑽孔位置圖

圖2.湖光巖瑪珥湖6萬年來主要植矽體和花粉類型百分含量

圖3.我國表土植矽體百分含量與年均降水量關係

圖4.湖光巖植矽體和花粉變化與6萬年來區域和全球氣候記錄對比（A-E），環流異常示意圖（F），與環流異常相關的現代湛江地區降雨量（G）

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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