黄土10Be定量重建亚洲季风降水变化研究取得突破

水循环的变化对于干旱地区的生态环境有巨大的影响,因而定量预测未来降水可能的变化是全球变化研究的重点。由于缺乏成因明确的古降水指标,过去几个百万年以来黄土高原降水量变化的驱动因子还存在争论。地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室李高军和李涛等人在前期工作的基础上(
volume)和夏季太阳辐射(summer
insolation)的变化主导了轨道时间尺度上东亚夏季风降水的强弱更替,地球轨道斜度(tilt
of
Earth)的变化显得更加重要。结合气候模式结果,研究者认为这是由于东亚地区特殊的海陆分布格局所导致的:与其他季风区相比,东亚季风区的陆地主要分布在中高纬地区,而作为水汽源区的海洋则处于低纬,地球轨道斜度变化通过控制北半球夏季中高纬和低纬之间的太阳辐射差异(boreal
summer insolation
gradient),进而主导了东亚地区海陆热力差异和夏季降水量的变化。由于目前地球轨道斜度正处于持续降低的中间阶段,未来东亚地区夏季降水量有可能会进一步减少,黄土高原的生态环境可能进一步恶化。
该研究近期以Continued obliquity pacing of East Asian summer
precipitation after the mid-Pleistocene transition为题在《Earth and
Planetary Science
Letters》2017年第一期中正式出版。(亚洲城官网,)

5月25日,美国《科学》(Science)杂志以研究论文形式(Research
Article)刊登了美国亚利桑那大学教授Warren
Beck和中国科学院地球环境研究所研究员、中国科学院院士周卫健共同领导的团队在利用中国黄土10Be重建古降水研究中取得的最新成果:《黄土10Be记录的55万年以来东亚季风降水变化历史》(A
550,000-year record of East Asian monsoon rainfall from 10Be in
loess
)。这是中美伙伴团队经过长达十多年的合作,在黄土10Be环境示踪领域取得的一项原创性科学成果。

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据该论文的共同通讯作者周卫健介绍,中美合作团队对采集自中国黄土高原南部的中更新世以来黄土样品,利用超高灵敏度加速器质谱,开展宇宙成因核素10Be测试分析与示踪研究,首次定量重建了黄土高原所代表的亚洲季风区,最近55万年以来的降水变化历史,突破了以往在多数研究中主要应用一些气候代用指标定性描述干湿气候变化历史的局限。通过综合对比三宝洞石笋氧同位素、底栖有孔虫δ18O所代表的全球冰量、红海古海平面、北纬65°N夏季太阳辐射以及南北半球夏季30°N-30°S太阳辐射梯度记录,研究人员论证了南北半球低纬夏季太阳辐射梯度是驱动亚洲季风气候的首要因素。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

周卫健等在2007年和2014年利用黄土10Be开展末次间冰期以来亚洲季风降水重建的论文中,曾提出南北半球低纬夏季太阳辐射梯度对亚洲季风产生重大影响的思想(Zhou
et al., 2007, Radiocarbon;Zhou et al., 2014,
JGR)。本文则详细揭示了低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度影响亚洲夏季风强度变化的动力学联系:低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度影响季风气团在对流层上部辐散外流的模式,当有更多的气团辐散外流到南印度洋高压,印度夏季风增强,而西北太平洋夏季风减弱;反之,当有更多的气团辐散外流西北太平洋副热带高压时,西北太平洋夏季风加强,而印度夏季风减弱。这两个季风子系统相对强度的变化,改变着从这两个高压区域,输送到东亚季风区水汽的比例。低纬南北半球间的夏季太阳辐射梯度可通过影响印度洋输送到南大西洋的洋流系统,从而影响北大西洋经向翻转环流,进而控制着北半球高纬地区的冰量,表明季风环流也是驱动冰期/间冰期全球气候变化的重要因素。

经典的米兰科维奇理论认为北半球高纬太阳辐射是驱动全球气候变化的动力,包括低纬度的季风气候变化也受高纬太阳辐射变化调制,而该研究在一定程度上挑战了经典的米氏气候理论、尤其是高纬气候驱动假说。这一结果使研究人员重新审视热带亚热带地区所代表的低纬气候过程对全球气候变化的作用。在地球轨道参数调制下,夏季南北半球低纬接收太阳辐射的梯度,也是驱动亚洲季风气候变迁的重要机制。这一结果也为数值模拟研究提供了可靠的边界条件,为理解全球气候变化机制提供了新的认识。

论文链接

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图1周卫健向Warren Beck介绍黄土地层

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图255万年以来黄土10Be示踪的降雨量与三宝洞石笋氧同位素、北纬65°N夏季太阳辐射、红海古海平面和底栖有孔虫δ18O比较

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图3不同夏季太阳辐射梯度下亚洲季风环流模式

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