發(fā)布時間：2020-11-11 21:38

　　 第四紀大冰期以來全球經(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,氣候變化的主導周期由41 ka轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ka為特點;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一步增加,大幅度的冰期-間冰期波動,全球范圍內(nèi)碳酸鹽加劇溶解為特點。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比。在中國黃土高原,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(對應著深海氧同位素(MIS)13,大約發(fā)生在500 ka BP左右,是古氣候演化的特殊時期)經(jīng)歷了過去800 ka以來最強烈的風化成壤,有可能指示著異常強盛的東亞夏季風。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盛的東亞夏季風可以發(fā)生在相對冷的間冰期的觀點,但仍需更多的證據(jù)支持。與此同時,S5-1古土壤發(fā)育強度的區(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)育相對較弱,而S4(對應MIS-11)則發(fā)育強烈;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)流格局導致還是由土壤長時間成壤導致?依然存在爭論。相對于黃土高原,中亞黃土古氣候的研究相對較少,該地區(qū)氣候狀況常年受西風環(huán)流控制很可能與季風區(qū)表現(xiàn)出不一樣的土壤發(fā)育狀況。因此,我們會產(chǎn)生疑問,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制又是什么?為了理解這些問題,本研究采集受東亞季風影響的黃土高原中部西峰剖面和受西風影響的中亞塔吉克斯坦Darai Kalon(DK)兩個剖面,并在全球收集已發(fā)表文獻中涉及MIS-13或S5-1古土壤的多種類的指標記錄為研究材料。利用軌道調(diào)諧方法獲取年代序列,以磁學參數(shù)、粒度和色度等為古氣候代用指標,并結(jié)合LOVECLIM氣候模型去解釋驅(qū)動機制,獲得的主要結(jié)論如下:(1)通過調(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古土壤的磁性增強是強于其它古土壤層,這種增強主要由于成壤產(chǎn)生的細粒亞鐵磁性礦物所導致的。長時間的成壤并不是導致S5-1古土壤磁化率增加或者MIS-13土壤強烈發(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的比例,指示著S5-1古土壤發(fā)育在異常濕潤的環(huán)境。(2)黃土高原收集的指標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。黃土記錄的這種局地空間差異主要受控當時的大氣環(huán)流控制。與MIS-11相比較,MIS-13期的東亞夏季風雨帶并沒有向黃土高原西部深入,而是更加偏北靠東。基于熱帶太平洋海表面溫度(SST)記錄,我們認為MIS-13東亞夏季風時間和空間的異常變化可能與一個強烈的拉尼娜(La Ni?a)或者類拉尼娜(La Ni?a-like)氣候態(tài)有關。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,導致了中國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)本研究使用了磁學指標、粒度和亮度等多個代用指標,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制。磁學結(jié)果支持了氣候是引起土壤磁化率增強的主要因素,粗粒徑(25?m)含量可以被用來指示低空大氣環(huán)流強度。磁學參數(shù)、亮度和粒度記錄了弱發(fā)育的S5-1古土壤,指示當時氣候以相對溫暖、干旱的環(huán)境和弱的表面風狀態(tài)為特征;以及強烈發(fā)育的S3(對應著MIS-9)古土壤,指示當時氣候以相對溫暖、濕潤的環(huán)境和不穩(wěn)定的表面風狀態(tài)為特征。通過對比印度夏季指數(shù),我們認為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,并最終通過大氣循環(huán)過程導致印度夏季風增強、擴展,相應的副熱帶高壓和西風環(huán)流也向北擴展,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與我們指標記錄較為一致。進一步對比全球其它區(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、濕潤的環(huán)境,20?N以南的熱帶地區(qū)又顯示出溫暖、濕潤的環(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干的時期。通過對比MIS-13和MIS-9兩個時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)動與反饋機制。MIS-13古氣候空間差異是由外部驅(qū)動因素和氣候系統(tǒng)內(nèi)部反饋共同造成的。具體來說: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偏暖的北半球,即南北半球氣候的不對稱,這種不對稱可能會造成不同氣候帶的向北移動。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區(qū)普遍發(fā)育著強盛的夏季風。這種北移也會增強北大西洋經(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,進一步加劇了半球間的氣候不對稱。與此同時,也會引起熱帶東西太平洋海表溫度(SST)產(chǎn)生異常,并產(chǎn)生一個強盛的類拉尼娜(La-Ni?a-like)氣候態(tài)。這種強盛的La-Ni?a-like氣候態(tài)會造成西太平洋副高(WPSH)位置和強度的異常。另一方面,這種外部驅(qū)動因素的配置,會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環(huán)流增強、偏北,在北大西洋形成類似于正相位北大西洋濤動(NAO)的氣候態(tài)。與此同時,正向相位的NAO可能會促進大西洋表層海水流的向北輸送,從而進一步增強AMOC,增強的AMOC會進一步增強熱帶太平洋La-Ni?a-like的氣候態(tài)。反過來,這種La-Ni?a-like的氣候態(tài)通過大氣遙相關又進一步促進正相位的NAO。正是這樣一種正反饋機制造成了MIS-13中緯度亞洲古氣候的空間差異。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：P532
【部分圖文】：

地球氣候進入第四紀大冰期以來經(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,氣候變化的主導周期由41 ka轉(zhuǎn)變?yōu)?00 ka為特點(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。然而,在MPT和MBE之間的時段,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(低的夏季太陽輻射量)還是從溫室氣體濃度,以及由全球冰量變化所導致的深海底棲有孔蟲的氧同位素變化皆說明了MIS-13是全球冰量較大的間冰期,因此也可能是過去1 Ma BP以來最冷的間冰期。這樣一個冷的間冰期,也許會導致世界不同區(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夏季太陽輻射(Berger,1978)(圖1-5f),皆說明間冰期MIS-13是過去800 ka以來相對冷的間冰期。然而,來自于中國黃土高原中部黃土S5-1層古土壤(對應于MIS-13)被認為是過去800 ka以來最強烈發(fā)育的土壤層,異常高的磁化率指示這一時期異常強盛的東亞夏季風(e.g.,An et al.,1987;Kukla et al.,1990;Guo et al.,2009)(圖1-5b)。與此同時,這一事件并不孤立,來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期發(fā)生了強盛的非洲和印度季風(Bassinot et al.,1994;Rossignol-Strick et al.,1998)。東南歐塞爾維亞黃土對應的同一時間形成的古土壤也發(fā)育最強的(Bronger,2003;Buggle et al.,2009;Markovi?et al.,2009,2012,2015)。由于溫室氣體的濃度相對較低,太陽輻射相比其他間冰期也并不異常(圖1-5f)。因此,一個強盛的東亞夏季風發(fā)生在相對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稱(Guo et al.,2009)。不同復雜程度的氣候模型也已經(jīng)被用來去調(diào)查太陽輻射、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MIS-13東亞夏季風的影響(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確性有關。針對這一矛盾本文擬解決以下科學問題:1)黃土高原中部MIS-13土壤強烈發(fā)育的原因
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 HUANG Wei;CHEN JianHui;ZHANG XiaoJian;FENG Song;CHEN FaHu;;Definition of the core zone of the “westerlies-dominated climatic regime”, and its controlling factors during the instrumental period[J];Science China(Earth Sciences);2015年05期

2 黃偉;陳建徽;張肖劍;FENG Song;陳發(fā)虎;;現(xiàn)代氣候條件下降水變化的“西風模態(tài)”空間范圍及其影響因子初探[J];中國科學:地球科學;2015年04期

3 胡鵬翔;劉青松;;磁性礦物在成土過程中的生成轉(zhuǎn)化機制及其氣候意義[J];第四紀研究;2014年03期

4 呂鑌;劉秀銘;陳秀玲;;天山北麓寧家河階地上的黃土堆積及其磁學特征[J];地球環(huán)境學報;2014年02期

5 宋友桂;李越;陳秀玲;李云;;塔吉克斯坦黃土礦物與稀土元素組成特征[J];地球環(huán)境學報;2014年02期

6 魏海濤;Subir K.Banerjee;夏敦勝;Michael J.Jackson;賈佳;陳發(fā)虎;;天山北麓黃土環(huán)境磁學特征及其古氣候意義[J];地球物理學報;2013年01期

7 ;Susceptibility variations of multiple origins of loess from the Ily Basin(NW China)[J];Chinese Science Bulletin;2012年15期

8 李傳想;宋友桂;千琳勃;王樂民;;中亞昭蘇黃土剖面粒度記錄的末次冰期以來氣候變化歷史[J];沉積學報;2011年06期

9 陳發(fā)虎;黃偉;靳立亞;陳建徽;王勁松;;全球變暖背景下中亞干旱區(qū)降水變化特征及其空間差異[J];中國科學:地球科學;2011年11期

10 郭雪蓮;劉秀銘;呂鑌;湯德平;毛學剛;陳家勝;陳曉耀;;天山黃土區(qū)與黃土高原表土磁性特征對比及環(huán)境意義[J];地球物理學報;2011年07期

相關博士學位論文 前2條

1 石培宏;MIS11氣候變化在高分辨率黃土中的記錄[D];蘭州大學;2012年

2 隋玉柱;從彭陽剖面看黃土成壤模式及氣候變化[D];蘭州大學;2007年

本文編號：2879781