末次冰消期(约19.0-11.7ka BP)是全球气候转变的关键时期,地球经历了从典型冰期至间冰期的升温过程,可作为未来气候环境演变的理想相似型。这一过程中全球平均温度回升5~6℃,CO2浓度从180增至260 ppmv,海平面上升约134 m,显示出整体回暖增温的基本模态。与此同时,末次冰消期期间北半球依次发生海因里希1冷期(HS1)、博林-阿勒罗德暖期(B-A)和新仙女木冷期(YD)等重要千年尺度事件,表明冰消期气候系统呈现显著的不稳定性。人类社会在此期间得到长足发展,开始了对动植物的驯化,为全新世农业革命的来临奠定了基础。因此,理解这一地质增暖期期间千年尺度突变事件的空间特征及驱动机制,是古气候及全球变化领域长期关注的重点研究课题。
中国不同地理环境的末次冰消期气候变化在不同大气环流系统的控制下表现出时空差异性。其中,中国东北是亚洲季风和西风相互作用的重要区域,研究显示区域生态植被系统对气候振荡具有较高的敏感性。然而,长期以来,末次冰消期中国东北的水文气候变化历史及驱动因素仍然存在争议。主要集中于:(1)不同时段季风与西风对区域气候的主导作用未达统一;(2)区域内不同单元气候演变模式存在差异;(3)气候变化对不同植被群落演替的影响时间和方式不尽相同。破解这一问题的核心不仅在于更多高分辨率记录的获取,更需集成广泛植被-气候数据从更大时空视角理解各区域间的可能联动及其背后的动力学过程。
图1.研究区气候背景、地理位置及钻孔采样点。(a) 中国主要大气环流系统,东亚夏季风和印度夏季风将大量水分从热带地区输送到中国南方,梅雨是指中国江淮流域初夏(6-7月)由冷暖气团汇聚形成的准静止锋所引起的雨季。(b) 研究区域地形水系以及研究点的地理位置。(c) 布日敦湖及钻探点位(王建 供图)
图2.布日敦湖~16.0 ka以来主要植被类群的花粉百分图谱(王建 供图)
针对上述关键科学问题,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所古环境演化室李小强研究员科研团队选取东北南部内蒙赤峰地区布日敦湖的高分辨率湖相沉积(图1),利用AMS14C年代数据建立稳健的时间框架,借助花粉、XRF元素、总有机碳、总氮等多指标构建过去约16.0 ka以来的植被与气候历史(图2)。在此基础上聚焦末次冰消期数次千年尺度事件的变化特征,通过对比中国东北北部-东北南部-北方-中部数十条高分辨率记录的干湿相位关系,揭示了末次冰消期东北南部植被-气候演变的调控机制。
图3. 东北南部植被-气候数据与 16-10 ka 区间内的区域和全球记录的对比。 (a)布日敦湖 Rb/Sr 比值代表夏季降水强度; (b) 布日敦湖落叶森林花粉百分比指示有效降水; (c) 华北公海湖年降水量重建; (d)豪猪洞Sr/Ca比值表明中东部水文气候变化; (e) 北半球(30°–90°N)综合温度记录; (f) 格陵兰冰芯NGRIP δ18O反映的温度记录; (g) GGC-5钻孔231Pa/ 230Th比率指示的北大西洋经向环流(AMOC) 强度; (h) 青海湖西风气候指数; (i) 葫芦洞石笋 δ18O 记录表明的东亚季风环流强度; (j) 印度-太平洋暖池的热含量变化; (k)北纬 65° 夏季太阳辐射。 其中浅紫色、绿色和蓝色背景分别表示HS1、BA 和 YD。
图4.末次冰消期HS1 (a)、B-A (b) 和 YD (c) 期间季风-西风跷跷板变化对中国水文气候影响的概念示意图。其中西风急流与季风的交汇带基于古气候记录的相位关系,并参考现代地形和气象资料,西风急流与鄂霍茨克高压之间的潜在关系是基于现有记录的初步猜想(王建 供图)
该项研究获得如下新认识:(1)多指标重建显示该区域的植被和气候变化对不同千年尺度事件表现出较为敏感的响应特征,区域降水在HS1结束前已略有增加,而森林增长始于博林中期,这种滞后表明水热条件调控了区域植被(图3);(2)B-A暖期呈现持续的湿润趋势并伴随数次百年尺度振荡,与东亚夏季风强度及印太暖池的热含量的变化相吻合,但与格陵兰冰芯氧同位素数据表示的持续降温呈相反态势,表明低纬季风对暖期的主导;(3)HS1和YD两段冷期东北南部呈现冷干模态,与中国中东部由于梅雨季节延长造成的冷湿模式形成对比,后者对应于季风降水带的退却和西风急流的增强,指示中高纬西风对冷期的深入调控。(4)集成更广泛的高分辨率记录,并对比末次冰消期不同冷暖事件中各区域水文变化的相位关系,支持中国东北南部的水文气候主要受低纬季风(暖期)和高纬西风(冷期)的关键调节,两者总体呈现一种“跷跷板”式的此消彼长变化(图 4)。
这项工作确定了冰消期间高纬和低纬驱动因素对中纬地区植被和气候的共同调节,并强调了变暖期间低纬水文过程的显著持续影响。这一发现与变暖事件的高纬起源性质并不矛盾,支持高纬和低纬强迫在变暖过程中充当全球水热变化的开关和引擎。这种差异凸显了低纬水文过程对主导的两极温度不对称性的响应和调控,符合冰盖的缓慢融化滞后于温度的快速上升的基本事实。由于低纬驱动因素对外部辐射强迫和高纬气候过程的敏感性,两极之间温度的跷跷板变化可通过海-气相互作用转变为陆地某些环流辐合区水文气候的跷跷板变化。总之,季风-西风跷跷板变化假说和及其影响的梅雨季节调控可有效解释末次冰消期中国东北-北方-中部干湿相位的时空差异。这些新认识增强了对冰消过程中温带区域植被和气候对高-低纬过程响应差异的理解,为了解气候变暖对生态植被影响及未来气候变化预测提供了重要依据。
相关成果近日以“Seesaw between the westerlies and Asian monsoon regulates vegetation and climate during the last deglaciation in southern Northeast China”为题发表于地球科学领域一流期刊《《第四纪科学评论》(Quaternary Science Reviews)。论文第一作者为中国科学院古脊椎所博士毕业生王建(现为中国科学院大学博士后),通讯作者为赵克良青年研究员。此项工作参与者包括中国地质大学(北京)、中国科学院大学、中国科学院地质与地球物理研究所、重庆师范大学、成都信息工程大学等多位研究学者。上述成果受国家重点基础研究计划项目 (2022YFF0801502)、国家自然科学基金 (T2192952,42303017)、中国科学院青年创新促进会项目(2023080)和中央高校基本科研业务费专项项目(E3E40905)联合资助。
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0277379124005109
