小冰期以来高分辨率石笋氧同位素记录的区域对比研究

Climatic interpretation of the stalagmite δ18O signals on inter-annual and inter-decadal timescale is important to explore causes of changes in the monsoon circulation on short-term timescale. This project aims to obtain annually-laminated and precise U/Th dated stalagmites to reconstruct high-resolution climate changes since the Little Ice Age (LIA) from Hubei, Sichuan and Guizhou province. The amount and δ18O values of rainfall in these regions show significant differences. The seasonal-resolution δ18O signals are achievable due to ~0.5-1mm thickness of the annual laminae. Compared to high-resolution annually-laminated stalagmite records form Beijing, Gansu and Shanxi province, in combination with data of cave monitoring and meteorological observation, we provide the spatial patterns of the stalagmite δ18O time series. According to knowledge of present large-scale atmosphere circulation patterns and ocean, atmosphere and land interaction process, we investigate temporal-spatial relationship of calcite δ18O and atmospheric circulation patterns from Pacific and Indian Ocean, in order to interpret the climatic signal of the Chinese speleothem δ18O records. This work can improve our knowledge of the water vapor circulation pattern and dynamic mechanism in the context of the global warming over the monsoon Asian, and provide data and theoretical basis to predict future climate changes.

研究年际-年代际尺度石笋氧同位素气候意义对理解短尺度季风环流特征及其动力学机制具有重要意义。本项目拟选择降水量和降水δ18O值区域差异显著的中国西南贵州、四川和中部湖北地区作为主要研究区域，广泛采集高生长速率的具有连续年纹层特征或者高铀含量的洞穴石笋材料，重建小冰期以来季节至年际分辨率的气候变化序列。通过与中国北方甘肃、陕西和北京地区高分辨率年纹层石笋δ18O记录的对比分析，结合降水δ18O时空分布特征以及洞穴现代过程监测结果，构建石笋δ18O时间序列的空间模态。基于现代气候学对大气环流模式、海-陆-气相互作用过程的认识，探索石笋δ18O序列与不同气候模态之间的时空联系，解译石笋氧同位素短尺度信号的气候意义。通过石笋δ18O序列时空模态分析，揭示小冰期以来，尤其是全球升温背景下，中国季风区水汽环流模式及其动力学机制，为评估气候变化与人类活动相互影响及预测未来气候变化提供数据支撑与理论依据。

受限于代用指标重建和气候解译的不确定性，对过去2000年，尤其是小冰期以来，百年-年代际季风变率及其机制的认识仍存在诸多不足。本项目根据湖北永兴洞洞外降水、洞内滴水和现代方解石沉积的3年监测结果，发现洞外降水氧同位素(δ18O)同时受到“雨量效应”和“环流效应”的影响；洞内滴水δ18O平均值比洞外全年降水雨量加权δ18O平均值显著偏负，而与5-9月雨量加权平均值相当，表明滴水δ18O主要反映夏季降水δ18O变化。基于永兴洞和贵州道观洞年纹层石笋，我们获取了20个230Th年龄、545条年纹层、2914组氧碳同位素数据，1000余组微量元素数据，重建小冰期以来两个研究区域季节至年际分辨率的气候序列。基于湖北牛洞一支石笋377组氧碳同位素和16个230Th年龄重建晚全新世东亚夏季风降水记录；结果显示氧碳同位素记录具有相似的百年尺度振荡旋回，且与ENSO代用指标之间存在强相关关系，揭示ENSO有可能通过Walker环流和西北太平洋副热带高压影响东亚季风降水变化。基于贵州雾露洞石笋的622组氧碳同位素和29个230Th年龄，重建过去3200年平均分辨率约5年的夏季风降水记录；重建结果发现小冰期时期比中世纪暖期更为湿润，且呈现两个显著的持续百年的湿润时期；区域对比结果显示中国南方降水与中国北方以及印度降水变化存在明显的反相位关系；通过与北半球温度重建相对比，揭示亚洲季风区降水的时空变率可能受控于半球间热力梯度调控下的热辐合带位置的进退。四川黑竹沟洞一支石笋的160组氧碳同位素和9个230Th年龄重建小冰期时期的季风变化历史；结果显示小冰期季风变率具有显著的~25a和~9a周期，接近22a和11a太阳黑子周期，表明太阳活动变化可能是小冰期十年际尺度季风变率的重要驱动。