發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 21:38

　　 第四紀(jì)大冰期以來(lái)全球經(jīng)歷了兩次重要的氣候轉(zhuǎn)型。第一次是主要發(fā)生在0.9 Ma BP左右的中更新世轉(zhuǎn)型(MPT)或者中更新世革命(MPR),以全球冰量增加,氣候變化的主導(dǎo)周期由41 ka轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ka為特點(diǎn);第二次是發(fā)生在深海氧同位素階段(MIS)12和MIS-11之間,大約430 ka BP的中布容事件(MBE)。這次事件以全球冰量進(jìn)一步增加,大幅度的冰期-間冰期波動(dòng),全球范圍內(nèi)碳酸鹽加劇溶解為特點(diǎn)。然而,與MBE之后的間冰期相比,有著低幅度冰量變化的MPT和MBE之間的時(shí)段,全球氣候演化狀況還并不清楚。中緯度亞洲內(nèi)陸廣泛分布著第四紀(jì)黃土-古土壤序列,這些序列記錄著豐富的古氣候信息,并使之能與深海氧同位素和極地冰芯記錄相對(duì)比。在中國(guó)黃土高原,S5古土壤層(俗稱紅三條)發(fā)育著三層亞古土壤層(S5-1、S5-2、S5-3),異常高的磁化率顯示S5-1古土壤層(對(duì)應(yīng)著深海氧同位素(MIS)13,大約發(fā)生在500 ka BP左右,是古氣候演化的特殊時(shí)期)經(jīng)歷了過(guò)去800 ka以來(lái)最強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤,有可能指示著異常強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)。這似乎與深海氧同位素和南極冰芯記錄的較冷的間冰期相矛盾。雖然,已有研究者提出異常強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)可以發(fā)生在相對(duì)冷的間冰期的觀點(diǎn),但仍需更多的證據(jù)支持。與此同時(shí),S5-1古土壤發(fā)育強(qiáng)度的區(qū)域差異也可能存在。有研究發(fā)現(xiàn),黃土高原西部S5-1的土壤發(fā)育相對(duì)較弱,而S4(對(duì)應(yīng)MIS-11)則發(fā)育強(qiáng)烈;明顯區(qū)別于黃土高原中部和東部的黃土序列。這種差異是由大氣環(huán)流格局導(dǎo)致還是由土壤長(zhǎng)時(shí)間成壤導(dǎo)致?依然存在爭(zhēng)論。相對(duì)于黃土高原,中亞黃土古氣候的研究相對(duì)較少,該地區(qū)氣候狀況常年受西風(fēng)環(huán)流控制很可能與季風(fēng)區(qū)表現(xiàn)出不一樣的土壤發(fā)育狀況。因此,我們會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn),MIS-13古氣候狀況是否存在空間差異?如果存在,那么產(chǎn)生這種差異的影響機(jī)制又是什么?為了理解這些問(wèn)題,本研究采集受東亞季風(fēng)影響的黃土高原中部西峰剖面和受西風(fēng)影響的中亞塔吉克斯坦Darai Kalon(DK)兩個(gè)剖面,并在全球收集已發(fā)表文獻(xiàn)中涉及MIS-13或S5-1古土壤的多種類的指標(biāo)記錄為研究材料。利用軌道調(diào)諧方法獲取年代序列,以磁學(xué)參數(shù)、粒度和色度等為古氣候代用指標(biāo),并結(jié)合LOVECLIM氣候模型去解釋驅(qū)動(dòng)機(jī)制,獲得的主要結(jié)論如下:(1)通過(guò)調(diào)查黃土高原中部西峰剖面S5-1古土壤含鐵礦物的屬性,結(jié)果展示S5-1古土壤的磁性增強(qiáng)是強(qiáng)于其它古土壤層,這種增強(qiáng)主要由于成壤產(chǎn)生的細(xì)粒亞鐵磁性礦物所導(dǎo)致的。長(zhǎng)時(shí)間的成壤并不是導(dǎo)致S5-1古土壤磁化率增加或者M(jìn)IS-13土壤強(qiáng)烈發(fā)育的主要因素。成壤赤鐵礦和針鐵礦變化以及隨磁性增強(qiáng)的比例,指示著S5-1古土壤發(fā)育在異常濕潤(rùn)的環(huán)境。(2)黃土高原收集的指標(biāo)記錄顯示在黃土高原中東部和西部S5-1古土壤的發(fā)育強(qiáng)度是不同的。在黃土高原中部,與以前的研究結(jié)果一致,S5-1發(fā)育為最強(qiáng)的古土壤層。然而在黃土高原西部,S5-1發(fā)育較弱,而古土壤S4卻發(fā)育最強(qiáng)。黃土記錄的這種局地空間差異主要受控當(dāng)時(shí)的大氣環(huán)流控制。與MIS-11相比較,MIS-13期的東亞夏季風(fēng)雨帶并沒(méi)有向黃土高原西部深入,而是更加偏北靠東�；�于熱帶太平洋海表面溫度(SST)記錄,我們認(rèn)為MIS-13東亞夏季風(fēng)時(shí)間和空間的異常變化可能與一個(gè)強(qiáng)烈的拉尼娜(La Ni?a)或者類拉尼娜(La Ni?a-like)氣候態(tài)有關(guān)。在如此的氣候狀況下,西太平洋副熱帶高壓(WPSH)變?nèi)醪⑾驏|北撤退,導(dǎo)致了中國(guó)北方中東部獲得更多的降水,而西北內(nèi)陸獲得較少的降水量。(3)本研究使用了磁學(xué)指標(biāo)、粒度和亮度等多個(gè)代用指標(biāo),研究中亞塔吉克斯坦黃土-古土壤序列中的土壤發(fā)育狀況,并探討MIS-13古氣候狀況及其影響機(jī)制。磁學(xué)結(jié)果支持了氣候是引起土壤磁化率增強(qiáng)的主要因素,粗粒徑(25?m)含量可以被用來(lái)指示低空大氣環(huán)流強(qiáng)度。磁學(xué)參數(shù)、亮度和粒度記錄了弱發(fā)育的S5-1古土壤,指示當(dāng)時(shí)氣候以相對(duì)溫暖、干旱的環(huán)境和弱的表面風(fēng)狀態(tài)為特征;以及強(qiáng)烈發(fā)育的S3(對(duì)應(yīng)著MIS-9)古土壤,指示當(dāng)時(shí)氣候以相對(duì)溫暖、濕潤(rùn)的環(huán)境和不穩(wěn)定的表面風(fēng)狀態(tài)為特征。通過(guò)對(duì)比印度夏季指數(shù),我們認(rèn)為MIS-13較低大氣溫室氣體濃度也許造成了較低的南半球高緯度溫度,并最終通過(guò)大氣循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致印度夏季風(fēng)增強(qiáng)、擴(kuò)展,相應(yīng)的副熱帶高壓和西風(fēng)環(huán)流也向北擴(kuò)展,而中亞塔吉克斯坦地區(qū)正好受到靠北的副熱帶高壓的控制,氣候長(zhǎng)期炎熱、干燥,才使得古土壤S5-1發(fā)育較弱。(4)結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)比MIS-13與MIS-9中緯度中東亞的古環(huán)境狀況發(fā)現(xiàn),在太陽(yáng)輻射和溫室氣體的聯(lián)合影響下,黃土高原與中亞塔吉克斯坦?jié)穸葼顩r與我們指標(biāo)記錄較為一致。進(jìn)一步對(duì)比全球其它區(qū)域陸地的地質(zhì)記錄發(fā)現(xiàn),MIS-13相比其以后的間冰期:在北半球,除了亞洲季風(fēng)區(qū)以外,以40?N為界限,40?N到20?N之間的亞熱帶和暖溫帶地區(qū)大部分指標(biāo)記錄指示著干旱的環(huán)境,而40?N以北的區(qū)域幾乎所有的地質(zhì)記錄指示著溫暖、濕潤(rùn)的環(huán)境,20?N以南的熱帶地區(qū)又顯示出溫暖、濕潤(rùn)的環(huán)境。而南半球從中緯度副熱帶(40?S-20?S)和低緯度熱帶地區(qū)(20?S-0?)均顯示MIS-13與以后的間冰期相比是相對(duì)干的時(shí)期。通過(guò)對(duì)比MIS-13和MIS-9兩個(gè)時(shí)期不同海洋鉆孔記錄的SST最大值,卻發(fā)現(xiàn)MIS-13相比MIS-9在不同區(qū)域SST狀況也存在著差異。本文將氣候模擬結(jié)果與全球地質(zhì)記錄相聯(lián)系去解釋產(chǎn)生MIS-13古氣候空間差異可能的驅(qū)動(dòng)與反饋機(jī)制。MIS-13古氣候空間差異是由外部驅(qū)動(dòng)因素和氣候系統(tǒng)內(nèi)部反饋共同造成的。具體來(lái)說(shuō):一方面,由于MIS-13北半球高緯度夏季能夠獲得比南半球高緯度夏季更多的太陽(yáng)輻射,再加上較低的溫室氣體濃度容易造成冷的南半球和相對(duì)偏暖的北半球,即南北半球氣候的不對(duì)稱,這種不對(duì)稱可能會(huì)造成不同氣候帶的向北移動(dòng)。由此而造成南半球陸地不同的地質(zhì)記錄指示了MIS-13較為干旱的環(huán)境。而在北半球由于赤道熱帶輻合帶(ITCZ)的北移使得熱帶季風(fēng)區(qū)普遍發(fā)育著強(qiáng)盛的夏季風(fēng)。這種北移也會(huì)增強(qiáng)北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流(AMOC),使得南半球更多的熱量輸送到北半球高緯度,進(jìn)一步加劇了半球間的氣候不對(duì)稱。與此同時(shí),也會(huì)引起熱帶東西太平洋海表溫度(SST)產(chǎn)生異常,并產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)盛的類拉尼娜(La-Ni?a-like)氣候態(tài)。這種強(qiáng)盛的La-Ni?a-like氣候態(tài)會(huì)造成西太平洋副高(WPSH)位置和強(qiáng)度的異常。另一方面,這種外部驅(qū)動(dòng)因素的配置,會(huì)引起北半球高低緯之間的徑向溫度梯度增大,由此造成中緯度西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)、偏北,在北大西洋形成類似于正相位北大西洋濤動(dòng)(NAO)的氣候態(tài)。與此同時(shí),正向相位的NAO可能會(huì)促進(jìn)大西洋表層海水流的向北輸送,從而進(jìn)一步增強(qiáng)AMOC,增強(qiáng)的AMOC會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)熱帶太平洋La-Ni?a-like的氣候態(tài)。反過(guò)來(lái),這種La-Ni?a-like的氣候態(tài)通過(guò)大氣遙相關(guān)又進(jìn)一步促進(jìn)正相位的NAO。正是這樣一種正反饋機(jī)制造成了MIS-13中緯度亞洲古氣候的空間差異。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P532
【部分圖文】：

地球氣候進(jìn)入第四紀(jì)大冰期以來(lái)經(jīng)歷了兩次氣候轉(zhuǎn)型。第一次是中更新世轉(zhuǎn)型(mid-Pleistocene transition,MPT)或者中更新世革命,主要發(fā)生在0.9 Ma BP左右,以全球冰量增加,氣候變化的主導(dǎo)周期由41 ka轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ka為特點(diǎn)(Imbrie et al.,1993;Raymo et al.,1997)。第二次是發(fā)生在深海氧同位素階段(MIS)12和MIS-11之間,大約發(fā)生在430 ka BP的中布容事件(mid-Brunhes event,MBE)(Jansen et al.,1986)(圖1-3),這次事件以全球冰量進(jìn)一步增加,氧同位素出現(xiàn)了大幅度逆轉(zhuǎn),全球范圍內(nèi)碳酸鹽加劇溶解為特點(diǎn)。然而,在MPT和MBE之間的時(shí)段,全球氣候演化狀況還并不清楚。1.2.1 MIS-13軌道參數(shù)配置及溫室氣體濃度

總之,不論從軌道參數(shù)配置(低的夏季太陽(yáng)輻射量)還是從溫室氣體濃度,以及由全球冰量變化所導(dǎo)致的深海底棲有孔蟲(chóng)的氧同位素變化皆說(shuō)明了MIS-13是全球冰量較大的間冰期,因此也可能是過(guò)去1 Ma BP以來(lái)最冷的間冰期。這樣一個(gè)冷的間冰期,也許會(huì)導(dǎo)致世界不同區(qū)域氣候產(chǎn)生不同的反饋。1.2.2 MIS-13海洋沉積物的研究

如上文所述,深海氧同位素(e.g.,Lisiecki and Raymo,2005)(圖1-5a)、南極冰芯記錄的溫室氣體濃度(Lüthi et al.,2008;Loulergue et al.,2008)和?D(Jouzel et al.,2007)(圖1-5c和d)以及65?N夏季太陽(yáng)輻射(Berger,1978)(圖1-5f),皆說(shuō)明間冰期MIS-13是過(guò)去800 ka以來(lái)相對(duì)冷的間冰期。然而,來(lái)自于中國(guó)黃土高原中部黃土S5-1層古土壤(對(duì)應(yīng)于MIS-13)被認(rèn)為是過(guò)去800 ka以來(lái)最強(qiáng)烈發(fā)育的土壤層,異常高的磁化率指示這一時(shí)期異常強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)(e.g.,An et al.,1987;Kukla et al.,1990;Guo et al.,2009)(圖1-5b)。與此同時(shí),這一事件并不孤立,來(lái)自于赤道印度洋和地中海的海洋沉積物記錄也指示著這一時(shí)期發(fā)生了強(qiáng)盛的非洲和印度季風(fēng)(Bassinot et al.,1994;Rossignol-Strick et al.,1998)。東南歐塞爾維亞黃土對(duì)應(yīng)的同一時(shí)間形成的古土壤也發(fā)育最強(qiáng)的(Bronger,2003;Buggle et al.,2009;Markovi?et al.,2009,2012,2015)。由于溫室氣體的濃度相對(duì)較低,太陽(yáng)輻射相比其他間冰期也并不異常(圖1-5f)。因此,一個(gè)強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)發(fā)生在相對(duì)冷的間冰期似乎是矛盾的(Yin and Guo,2008)。為了理解這一矛盾,不同的建議已經(jīng)被提出。例如,南北半球氣候的不對(duì)稱(Guo et al.,2009)。不同復(fù)雜程度的氣候模型也已經(jīng)被用來(lái)去調(diào)查太陽(yáng)輻射、溫室氣體濃度、冰蓋、青藏高原面積和熱帶海表面溫度狀況對(duì)MIS-13東亞夏季風(fēng)的影響(Yin et al.,2008,2009;Muri et al.,2012;Sundaram et al.,2012;Karami et al.,2015)。然而,這種氣候矛盾仍舊沒(méi)有被解決,一方面可能是由于氣候模擬中存在的不確定性,另一方面可能與地質(zhì)記錄重建中存在的不準(zhǔn)確性有關(guān)。針對(duì)這一矛盾本文擬解決以下科學(xué)問(wèn)題:1)黃土高原中部MIS-13土壤強(qiáng)烈發(fā)育的原因
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2879781