2018, Vol.38
2 国土资源部岩溶生态环境——重庆南川野外基地, 重庆 408435)
“雨量效应”这一概念自提出后，受到气候学家广泛关注；值得注意的是Dansgaard[1]提出的“雨量效应”是指在低纬度的热带地区以及中纬度地区的夏季大气降水δ18O与月降水量之间呈现的反相关关系。但这种反相关关系是否在年际尺度上依然存在，目前还是个疑问。Tan等[2]通过将中国季风区香港的大气降水δ18O年际变化与年降水量进行对比发现二者没有相关性，却与ENSO(El Niño -Southern Oscillation)的关系较好，提出在年际尺度上中国季风区的大气降水δ18O主要反映水汽来源的变化，并不是当地的降水量变化。由于石笋δ18O主要来自于大气降水，也会继承这种“环流效应”，提出中国季风区的石笋δ18O主要反映的是由ENSO驱动的西太平洋副热带高气压带和信风带变化所引起的水汽源地的变化[3~4]。这一观点引起广泛关注，2018年Duy等[5]发表的文章将“雨量效应”、“温度效应”和“环流效应”相提并论，并且特别解释了“环流效应”的意义。但现有研究大多在中国季风区内讨论，而此假说在中国以外的复合水源地区是否适用，还有必要检验。
另外，南北半球气候变化的“see-saw”模式是否在晚全新世的亚澳季风区适用，也存在很大争议。Denniston等[6~7]也发现东亚季风区的董哥洞石笋δ18O记录与澳大利亚季风区的KNI-51洞石笋δ18O记录在早全新世呈现反向变化，可能是南北半球的“see-saw”效应；但在晚全新世却又惊人相似，作者解释为赤道雨带的同步伸缩导致石笋δ18O的同步变化[6~7]：当赤道雨带扩张时，东亚季风区与澳大利亚季风区降水量增加，在“雨量效应”作用下，石笋δ18O偏负，反之亦然。Yan等[8]在研究过去2000年东亚夏季风和澳大利亚夏季风时也发现，二者在小冰期呈现同样的变化趋势，认为小冰期时南北半球夏季风的同步变化与以前认为的南北半球季风降水之间存在的“see-saw”模式[9~10]并不一致，提出这种同步变化是由“热带辐合带收缩”(ITCZ contraction)造成的，即ITCZ雨带在南北半球的同步减弱导致北半球的东亚夏季风与南半球的澳大利亚夏季风所带来的降水同步减少[8]。总而言之，在澳大利亚季风区与东亚季风区，南北半球的“see-saw”模式在晚全新世可能并不适用，说明可能存在另外一种机制导致这两个季风区石笋δ18O的一致变化。
基于以上争议和存在的问题，我们提出以下3个值得思考的科学问题：1)不同时间尺度以及不同季风系统间δ18O的指示意义是否有区别？2)南北半球气候变化的“see-saw”模式在晚全新世时，在亚澳季风区并不适用，其机理何在？3)ENSO的变化通过何种机制对亚澳季风区大气降水和石笋δ18O产生影响？本文将主要从亚澳季风系统(图 1)的整体出发，集中探讨印度季风、东亚季风以及澳大利亚季风之间大气降水与石笋δ18O的联系和差异。
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图 1 本研究中用于对比分析的气象站点和洞穴记录地理位置图 (a)北半球夏季时亚澳地区各季风系统示意图，虚线区域表示印度夏季风(ISM)、东亚夏季风(EASM)、澳大利亚冬季风(AWM)；(b)北半球冬季时亚澳地区各季风系统示意图示意图，虚线区域分别为印度冬季风(IWM)、东亚冬季风(EAWM)、澳大利亚夏季风(ASM)大气降水δ18O的站点位置为黑色正方形，石笋记录的位置为黑色圆形(修改自文献[11~12])，具体信息见表 1和2 Fig. 1 Location of meteorological stations and the stalagmite records from the caves, which compared in this study. (a)The sketch map for the location of different monsoon systems in the northern hemisphere summer months. The dotted boundary rectangle indicate Indian Summer monsoon(ISM), East Asian Summer monsoon(EASM)and Australian Winter monsoon(AWM). (b)The sketch map for the location of different monsoon systems in the northern hemisphere winter months. The dotted boundary rectangle indicate Indian Winter monsoon(IWM), East Asian Winter monsoon(EAWM)and Australian Summer monsoon(ASM). Black squares and dots indicate the location of weather stations and stalagmite records, respectively(modified by references[11~12]). The detailed geographical information about the sites and the meanings of the abbreviates are listed in tables 1 and 2 |
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表 1 本研究中用于对比分析的亚澳季风区GNIP站点信息* Table 1 The basic information about the meteoric stations (from GNIP)in the Asian-Australian monsoon region |
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表 2 本文对比分析的过去近1 ka亚澳季风区不同洞穴石笋δ18O记录基本信息* Table 2 The basic information for different cave stalagmite δ18O records(cover the last 1 ka)in this study from Asia-Australian |
亚澳季风区主要包括东亚季风、印度季风、澳大利亚季风区3个季风系统(图 1)，包含了中国东部和南部、南亚、中南半岛、东南亚群岛以及澳大利亚北部的广大地区[13]。东亚季风与印度季风的分界线为105°E[11]，其中印度季风区水汽大部分自于印度洋[14]。东亚季风与澳大利亚季风区为复合水汽源[15]，主要水汽来源为太平洋和印度洋。为了方便表达，全文各图表均使用各个季风的英文缩写：EASM为东亚夏季风，ISM为印度夏季风，ASM为澳大利亚夏季风；EAWM为东亚冬季风，IWM为印度冬季风，AWM为澳大利亚冬季风(见图 1)。
2 数据来源本研究中用于对比分析的亚洲季风区18个站点的大气降水δ18O以及降水量等数据均来自于GNIP，数据下载自(https://nucleus.iaea.org/wiser/index.aspx)，各个站点所在国家和城市、名称缩写、经纬度、监测时间等基础信息见表 1。重庆市的大气降水数据为本团队收集，方法参考相关文献[20~21]，所有站点的具体地理位置如图 1。其中位于中国的昆明受印度季风的影响较大，属于印度季风区[22~23]。重建Niño3.4指数以及石笋记录数据来自于美国国家海洋和大气管理局(NOAA)(http://www.ncdc.noaa.gov/data-access/paleoclimatology-data/datasets)。5个洞穴石笋记录的名称、简称、经纬度等详细信息见表 2，具体的地理位置见图 1。
3 结果 3.1 大气降水δ18O与月降水量的关系东亚季风区8个站点各月大气降水δ18O与月降水量均呈现反相关关系(图 2a~2h)；各月大气降水δ18O与月降水量在印度季风区和澳大利亚季风区的站点也表现出反相关关系(图 2i~2p)，在各个站点均通过相关性检验，说明这种规律在亚澳季风区普遍存在。在统计学上似乎表明在月时间尺度上大气降水δ18O主要反映降水量的变化，符合Dansgaard[1]的“雨量效应”，即：降水量增大，大气降水中δ18O偏负。
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图 2 亚澳季风区各站点大气降水δ18O与月降水量(MP)的相关性分析 Fig. 2 Correlation analysis between δ18O of meteoric water and monthly precipitation(MP) for the meteoric stations in Asian-Australian monsoon region |
然而，在月时间尺度上，亚澳季风区降水量变化并非是引起月大气降水δ18O变化的直接原因，而是通过环流的变化和水汽来源的变化影响大气降水δ18O[24~25]。例如在东亚季风区，雨季时水汽主要来自低纬度海洋[26]；水汽运移过程中发生多次降水，分馏次数增加，含有相对较多18O的水分子在前期降水中被多次冷凝，形成降水，而从水汽云团中去除(雨除效应)，最终导致水汽运移路线尾端(或下游地区)的大气降水δ18O偏负(与水汽源和上游降水相比，含有相对较多16O)[27~29]。此外，在雨季时，陆地淡水注入海洋的水量增加，即大气降水中具有偏轻δ18O值的陆地淡水注入海洋，从而使来自海洋的水汽源中的δ18O偏负[30]。而旱季时，降水中来自大陆性气团的水汽源所占比例增加，大陆性气团水汽中δ18O值偏重于热带海洋气团；西风输送的水汽及内陆蒸发水汽受动力分馏影响，导致其重同位素相对富集；而冬季大气对流活动弱，气团湿度低导致降水量少，瑞利分馏减弱，使得大气降水中δ18O更加偏重[31]。综合这些因素影响，使得亚澳季风区大气降水中δ18O出现“雨季偏负，旱季偏正”，与月降水量的变化呈现反相关性的季节特征。实质上主要控制因素在于雨季和旱季水汽来源的不同，而并非直接受当地降水量变化控制。
3.2 大气降水δ18O与年降水量的关系在年际尺度上，大气降水δ18O的年加权平均值与年降水量在东亚季风区和澳大利亚季风区并不具有显著相关性(p> 0.1)(图 3a~3h和3m~3p)。而在武汉(WH)、清洲(CG)、重庆(CQ)与雅加达(JKT)地区，大气降水δ18O年加权平均值甚至与年降水量呈现弱正相关(图 3b、3e、3g和3o)，与“雨量效应”相违背，说明东亚季风和澳大利亚季风区并不适用“雨量效应”来解释年际尺度上大气降水δ18O的变化。
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图 3 亚澳季风区各个站点的大气降水δ18O年加权平均值(WM)与年降水量(AP)相关性分析 Fig. 3 Correlation analysis between the annual weighted mean(WM)value of atmospheric precipitationδ18O and the annual precipitation(AP)for the meteoric stations in Asian-Australian monsoon region |
在印度季风区3个站点年降水量与大气降水δ18O的年加权平均值均呈现反相关关系。在位于印度季风区的新德里(ND)、曼谷(BK)、科泽科德(KK)的显著性水平分别达到p < 0.01、p < 0.05和p < 0.05(图 3i、3k和3l)。但在中国西南的昆明(KM)两者的显著性水平却较弱，为0.1 < p < 0.2(图 3j)；这主要因为昆明位于印度季风与东亚季风的交界区域，偏印度季风一侧[22~23]。但当东亚季风增强时，也会受到太平洋水汽的影响，使其“雨量效应”不明显[32~33]。
以上分析表明，在年际时间尺度上大气降水δ18O的变化在水汽源相对单一的印度季风区体现出“雨量效应”，但在受复合水汽源控制的东亚季风区和澳大利亚季风区并未体现出“雨量效应”。
3.3 近1 ka亚澳季风区石笋记录对比在亚澳季风区已报道过多条过去1 ka以来的高分辨石笋记录[7, 16~19]，将各条记录对比分析发现以下特征：1)各条石笋均以δ18O的明显偏重记录了小冰期(LIA)(图 4b~4f)。其中，小冰期期间澳大利亚季风区KNI-51洞石笋记录(图 4b)与东亚季风区董哥洞DX-1石笋记录(图 4f)具有非常相似的W型结构。2)亚澳季风区石笋δ18O记录在小冰期以后均呈现明显偏负变化；在现代暖期(CWP)澳大利亚季风区KNI-51洞与东亚季风区的和尚洞石笋记录呈现偏正趋势(图 4b和4e)，其他洞穴石笋δ18O呈现高频震荡(图 4d和4f)。以上特征说明在亚澳季风区，各地石笋δ18O的变化趋势在十年-百年尺度上大体是一致的。
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图 4
亚澳季风区石笋记录的对比
(a)重建Niño 3.4温度指标[34]；(b)KNI-51洞石笋记录(同一洞穴多条石笋的组合记录)[7]；(c)Dandak洞石笋记录[16]；(d)万象洞石笋WX-42B记录[17]；(e)和尚洞石笋HS-4记录[18]；(f)董哥洞石笋DX-1记录[19] 图中MWP(Medieval Warm Period)为中世纪暖期，LIA(Little Ice Age)代表小冰期，CWP(Current Warm Period)代表现代暖期；箭头表示石笋δ18O的变化趋势 Fig. 4 Comparison of stalagmite records in Asian-Australian monsoon region. (a)Reconstruction of Niño 3.4 temperature index[34]; (b)Stalagmite records from KNI-51 cave(a integrated records based on multiple stalagmite records in the same cave)[7]; (c)DAN-D stalagmite record from Dandark cave[16]; (d)WX-42B stalagmite record from Wanxiang cave[17]; (e)HS-4 stalagmite record from Heshang cave[18]; (f)DX-1 stalagmite record from Dongge cave[19] MWP(Medieval Warm Period), LIA(Little Ice Age), CWP(Current Warm Period). The arrows indicate the trend for the change of δ18O records of stalagmites |
关于在小冰期时期为什么石笋δ18O会呈现明显的偏正趋势(见图 4b~4f)，一些学者通过对比太阳辐射指数与洞穴石笋δ18O的变化趋势，发现二者具有相似性，提出小冰期期间北半球太阳辐射量减弱，导致热带辐合带(ITCZ)南移，北半球长期处于弱季风时期，降水量减少，由于“雨量效应”，造成石笋δ18O呈现明显的偏正[35]。如果按照上述观点，小冰期期间ITCZ南移，南半球季风增强，相对应的南半球石笋δ18O应该明显偏负。但处于南半球澳大利亚北部的KNI-51石笋的δ18O却在小冰期时期呈现明显的偏正趋势[7](图 4b)，这与“小冰期时期ITCZ南移，北半球夏季风减弱，南半球夏季风增强”的观点并不一致。
此外，在小冰期时期，北半球太阳辐射量减弱是否可以引起季风降水量的变化依然是个疑问。而且太阳活动的指标与石笋δ18O峰谷并不能完全吻合，且存在明显滞后性[36]。一些研究也发现东亚季风区南部在小冰期时期并没有出现降水量减少情况，反而小冰期却呈现相对湿润状况[37]，而澳大利亚北部在小冰期时期相对干旱[38]。因此，单独使用“雨量效应”来解释受复合水汽源影响的东亚季风区与澳大利亚季风区小冰期时石笋δ18O变化可能并不合理。
4.2 亚澳季风区大气降水δ18O年际变化与大气环流的联系在年际时间尺度，“雨量效应”在东亚季风区与澳大利亚季风区并不适用，那么在年际尺度该地区大气降水的δ18O到底反映什么，或者主要受到什么因素控制？通过将3个监测时间相对较长的气象站点(东亚季风区的香港(HK)[2]、澳大利亚季风区的达尔文(DW)[39]和印度季风区的新德里(ND)[40]，见图 1)大气降水δ18O年加权平均值与SOI指数(Southern Oscillation Index)进行对比，发现二者具一定的相关性(HK和DW，p＜0.01；ND，p＜0.05)，但也存在一定的相位差。SOI正峰值区域与大气降水δ18O的年加权平均值负相对应(图 5)，其中香港与SOI指数对应性最为明显[2]，即El Niño时期大气降水δ18O偏正，La Niña时期正好相反(图 5a)。
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图 5 亚澳季风区大气降水δ18O的年加权平均值(WM)与ENSO指数的对比 (a)SOI指数vs.香港(HK)；(b)SOI指数vs.达尔文(DW)；(c)SOI指数vs.新德里(ND)SOI指数和大气降水δ18O的年加权平均值经过5年平均滑动处理 Fig. 5 Comparison between the weighted mean (WM) values of atmospheric precipitation δ18O and ENSO index in Asian-Australian monsoon region. (a)SOI index vs. Hongkong(HK); (b)SOI index vs. Darwin(DW); (c)SOI index vs. New Delhi(ND). SOI index and weighted mean values of precipitation δ18O after 5 year running mean. |
东亚季风区的香港大气降水δ18O年加权平均值与SOI相关(图 5a)，Tan[2]将这种现象解释为一种“环流效应”，区别于“雨量效应”。当SOI指数持续偏正，La Niña事件形成，西太平洋副热带高压偏北东缩变弱[41]，东亚季风区获得远源印度洋的水汽明显增加，来自西太平洋的水汽明显减少[42]；由于印度洋水汽的输送路程较远，导致东亚季风区大气降水的δ18O偏负。另外，当SOI指数持续呈现负异常时，El Niño事件形成，西太平洋副热带高压偏南西伸加强，并引导南缘水汽到达东亚大陆[43]，由此东亚季风区来自近源太平洋的水汽逐渐增加，由于输送路径较近，导致大气降水中δ18O偏重[2]。
澳大利亚季风区达尔文站主要受复合水汽源影响，其水汽来源主要包括印度尼西亚——太平洋暖池(Indonesia Pacific Warm Pool，简称IPWP)、爪哇海(Java Sea)、帝汶海(Timor Sea)和澳大利亚西北的部分印度洋海区(图 1)，其大气降水δ18O的年加权平均值与SOI也呈反相关(图 5b)。当El Niño发生时，IPWP表面的暖海水会向东移动，从而减弱该地区的大气对流活动，使澳大利亚大部分的地区的降水量减少[44~45]。但这种由ENSO模态变化所导致的降水量变化在澳大利亚西北部地区并不明显[44]，这也间接证实了ENSO事件并不是通过“雨量效应”来影响达尔文地区大气降水中δ18O的变化。
IPWP是澳大利亚西北部最大的水汽源地，相关研究表明El Niño发生时，沃克环流减弱，该地区的表面暖海水向东移动，底层冷海水上升补充增加，可能导致IPWP海温降低，伴随着热带季节内振荡(Madden-Julian Oscillation，简称MJO)减弱[46~47]，雨带可能会向东移动。由于以上原因，达尔文地区获得来自IPWP的水汽减少，此时澳大利亚来自近海的水汽源相对增加，输送路径相对较短，可能导致其大气降水中的δ18O偏正。通过图 5可以发现，在1982年和1994年存在明显的El Niño事件，因此本文模拟了该时期澳大利亚季风区对流层(1000~300 hPa)整层积分水汽输送强度变化，发现在1982年和1994年达尔文地区对流层整层积分水汽输送强度明显偏弱，来自于IPWP的水汽明显减少，近源海区的水汽蒸发能力加强，导致其大气降水中的δ18O偏正(图 6a和6b)。另外，在La Niña时期(1999年和2000年)，情形与此相反，达尔文地区来自于远源地区的水汽(包括IPWP和印度洋)明显增加，此时由于水汽输送路径较远，导致其大气降水中的δ18O偏负(图 6c和6d)。值得注意的是1999年达尔文地区的年降水量为1438 mm，低于当地40年年降水量的平均值350 mm(数据来源于GNIP网站)，但其大气降水中的δ18O呈现明显偏负的趋势(图 5b)，明显与“雨量效应”相违背，也间接证明了“环流效应”的可靠性。因此，海洋和大气环流形势的变化可能是决定澳大利亚西北部达尔文地区大气降水δ18O与ENSO关系的重要因素。
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图 6 (a，b) El Niño事件影响下的1982年和1994年澳大利亚季风区对流层(1000~300 hPa)整层积分水汽输送及辐合辐散场的分布特征；(c，d) La Niña事件影响下的1999年和2000年澳大利亚季风区对流层(1000~300 hPa)整层积分水汽输送及辐合辐散场的分布特征 图中黄色区域为辐散区域，绿色区域为辐合区域，单位10-5 kg/(s·m2)[48] Fig. 6 (a, b)Anomalous moisture flux integrated from 1000 hPa to 300 hPa with convergence and divergence under the influence of El Niño event(1982 and 1994). (c, d)Anomalous moisture flux integrated from 1000 hPa to 300 hPa with convergence and divergence under the influence of La Niña event(1999 and 2000). Yellow and green area indicated divergence and convergence, respectively, unit:10-5 kg/(s·m2)[48] |
但在主要受相对单一水汽源(印度洋水汽)影响的印度季风区大气降水δ18O年加权平均值的年际变化与SOI也具有一定的相关性(图 5c)，又该如何解释呢？通过将印度地区在El Niño与La Niña两种模态下的降水量与1951~2015年平均降水量进行距平对比，发现在El Niño时期印度地区的降水量明显减少(图 7a)，La Niña时期正好相反，降水量明显增加(图 7b)。ENSO暖事件发生时对应于弱印度夏季风事件，这种遥相关主要与沃克环流的东西摆动有关[49]，当El Niño发生时，西太平洋的热带对流和沃克环流向中东太平洋暖水区转移，会在南亚次大陆产生一个补偿性的异常下沉区，下沉气流抑制该地区的对流和降水，导致印度季风区降水量明显减少[49~50]，在“雨量效应”的作用下，大气降水δ18O在El Niño时期明显偏正。
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图 7 1951~2015年期间El Niño与La Niña模态下亚洲季风区夏季降水量距平变化 (a) El Niño年合成的降水量距平变化；(b) La Niña年合成的降水量距平变化El Niño / La Niña模态的判定均参考“ENSO事件监测标准”[51]；图中红色边框指示印度半岛所在范围 Fig. 7 Synthesis anomaly of summer precipitation at El Niño and La Niña scenarios during the period of 1951~2015. The determination of El Niño / La Niña scenarios refers to "ENSO Incident Monitoring Standard"[51]. (a)Precipitation anomaly at El Niño period; (b)Precipitation anomaly at La Niña period. The red square in the picture indicates the area of Indian Peninsula |
赵侃等[52]在研究神农架永兴洞石笋时发现近200年东亚季风与ENSO具有良好的相关性，El Niño暖期与东亚季风强盛时期相对应，La Niña冷期正好相反。Tan[4]将中国石笋30 ka的δ18O与热带太平洋海温梯度对比发现，二者也具有很好的相关性，热带太平洋海温梯度的变化可以很好地反映ENSO等大气环流变化，表明在万年尺度上中国石笋δ18O与ENSO之间的关系也非常密切。越来越多的亚洲季风区石笋δ18O记录以及洞穴现代监测数据表明，该地区大气降水和洞穴记录中δ18O与以ENSO为特征的大气环流联系密切[52~54]。
众多研究记录表明小冰期时为El Niño态[55~57]。Denniston等[7]将澳大利亚北部KNI-51石笋δ18O与中国石笋记录的相似性解释为热带雨带的伸缩变化；通过模拟发现小冰期时期赤道南北两侧雨带同步收缩，降水量减少，石笋δ18O也同步偏正。这为小冰期亚澳季风区石笋δ18O的变化趋势提供了一种基于“雨量效应”的机理解释。前文分析已经表明，在年际时间尺度东亚季风区与澳大利亚季风区大气降水的δ18O加权平均值并不具有“雨量效应”(3.2节)。在小冰期时期，Niño 3.4区的海表温度呈现正相变化(图 4a)，热带东太平洋整体呈现El Niño态，此时东亚季风区来自于近源的水汽增加，由于水汽输送的路径较短，导致大气降水中δ18O偏重，石笋δ18O也同样偏重[4]。但印度季风区的Dandak洞石笋δ18O在小冰期时期也同样偏重(图 4c)[30]，与东亚季风区石笋δ18O变化结构相似(图 4c和4f)。小冰期的El Niño态会在南亚产生一个异常下沉区，加之小冰期印度夏季风较弱[49]，共同导致印度季风区降水较少(图 7)。由于印度季风区水汽源相对单一，大气降水中δ18O受“雨量效应”影响而偏重，最终导致石笋δ18O也偏重。因此，在小冰期时，印度季风区石笋δ18O变化可能主要受“雨量效应”的影响。
4.4 “雨量效应”与“环流效应”亚澳季风区大气降水和石笋δ18O可能的影响机制如图 8，从年际尺度的大气降水δ18O到近1 ka洞穴石笋记录的δ18O变化均呈现相似的变化特征(图 4和5)，但二者背后的影响机制不同。在主要受印度洋水汽源影响的印度季风区，El Niño时期降水量减少，La Niña时期降水量增加，因此在“雨量效应”作用下，大气降水和洞穴石笋δ18O在El Niño时期偏正，La Niña时期偏负(图 4和5)。东亚季风与澳大利亚季风区受到复合水汽源影响，表现出“环流效应”，El Niño时期近源水汽增加，由于水汽输送较近，大气降水和洞穴石笋δ18O偏正，La Niña时期正好相反[2]。
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图 8 亚澳季风区大气降水和石笋δ18O变化机制可能的概念模型 (a)主要受相对“单一水汽源”控制的印度季风区大气降水-石笋在不同的ENSO模态下δ18O的变化机制；(b)受复合水汽源控制的东亚季风区和澳大利亚季风区大气降水-石笋在不同的ENSO模态下δ18O的变化机制 Fig. 8 The potential conceptual model for the mechanisms of precipitation and stalagmite δ18O changes in Asian-Australian monsoon region. (a)Mechanism of δ18O changes in atmospheric precipitation and stalagmite under different ENSO scenarios mainly controlled by a single water vapor source in the Indian monsoon region; (b)Mechanism of δ18O under different ENSO scenarios controlled by the compound water vapor source in the East Asian monsoon and Australian monsoon regions |
出于人类对未来生存环境的需求，基于石笋δ18O所重建的过去亚洲夏季风变化受到广泛关注[58~60]。但目前关于石笋δ18O的气候意义争议较大[7, 16~19]，而针对现代大气环流和大气降水、洞穴环境和滴水地球化学指标，以及洞穴内外气候环境信息传输机制等的现代监测研究，则是有效解决这些争议、理清石笋δ18O气候环境意义的有效手段。由于印度季风区大气降水和石笋δ18O存在“雨量效应”，因此利用近现代气象观测资料和石笋数据，定量建立不同时间尺度上(月-年际-十年)大气降水和石笋δ18O与降水量之间的关系可能是可行的。但在受复合水汽源影响的东亚季风与澳大利亚季风区使用石笋δ18O来重建降水量的变化可能值得商榷[4]。
此外，由于地球表层系统复杂的相互作用和响应，关于ENSO成因、变化规律及其环境影响等仍是当前热点研究的重大科学问题[61~62]。现代仪器观测能提供过去近一个世纪以来的ENSO记录[63]，对更长时间尺度的ENSO变化历史只能依赖可靠的地质记录。虽然基于地质记录重建了全新世以及末次冰期以来的ENSO变化历史[64~65]，但是关于这些证据的准确性仍有争议。不同记录重建的不同时间尺度的ENSO变化，均显示出与太阳辐射变化的密切联系，而且亚澳夏季风的变化也被认为与太阳辐射及其引起的低纬海洋的变化密切相关[66]。亚澳夏季风变化和ENSO的变化可能均是太阳辐射变化的“果”，而ENSO的模态变化又必将引起亚洲夏季风的变化[52]。例如本研究表明亚澳季风区大气降水δ18O和石笋δ18O均与ENSO表现出相关性，说明在过去近1 ka海洋和陆地边界条件没有发生较大变化的情况下，亚澳季风区的气候变化可能对以ENSO为特征的低纬信号的响应，要比对以冰盖消融为特征的高纬信号的响应更明显[67]。
最后，过去1 ka石笋δ18O记录与ENSO记录的良好相关性，说明利用以ENSO为特征的水汽源地变化来解释石笋δ18O的变化可能在东亚季风区和澳大利亚季风区是合理的。如果石笋δ18O与ENSO的这种联系在全新世或者冰期-间冰期尺度上仍然适用，那么在该地区利用高精度定年的高分辨石笋记录来重建ENSO序列则成为一种可能。因此，高精度年代控制的高分辨率亚澳夏季风记录以及ENSO记录，仍将是今后一段时期古气候研究的重点。这对于了解亚澳夏季风和ENSO各自的变化规律、影响因素、相互间的关系、更大尺度上地球气候系统的复杂耦合，以及预测全球变暖背景下的ENSO响应及全球影响，均具有重要意义。
5 结论本文选取亚澳季风区的18个大气降水站点和5个洞穴近1 ka石笋记录的δ18O数据进行对比研究，主要得到以下结论：
(1) 在月时间尺度上，亚澳季风区大气月降水δ18O的多年平均值与月降水量呈现反相关关系；但在年际时间尺度上，在主要受相对单一水汽源控制的印度季风区具有“雨量效应”，受复合水汽源影响的东亚季风区和澳大利亚季风区“雨量效应”不明显。
(2) 亚澳季风区内各地区近几十年来大气降水δ18O的年加权平均值和各地过去1 ka以来的石笋δ18O记录均呈现相似的变化特征，但二者影响机制不同。印度季风区大气降水和石笋δ18O具有“雨量效应”，但在复合水汽源影响的东亚季风与澳大利亚季风区大气降水δ18O和石笋δ18O可能受到环流格局变化的影响显著。
(3) 亚澳季风区大气降水和石笋δ18O在不同时间尺度以及不同季风子系统间所代表的意义可能有所不同，δ18O气候意义并不是绝对的“雨量效应”或“环流效应”。本文提出这种大气降水和石笋δ18O的变化机制可能只适用于亚澳季风区，对于其他季风区以及高纬度地区其δ18O的所指示的意义，可能与亚澳季风区会有所差异，不能一概而论。
致谢: 感谢西南大学地理科学学院的和晓田、陈朝军、王宝艳、白珍艳、黄冉、王涛、吴浪、田宁、胡涛等同学在绘图中提供的帮助。感谢南京师范大学赵侃老师提供董哥洞石笋数据；感谢谭明研究员和匿名审稿专家，以及编辑部赵淑君和杨美芳老师提出的建设性修改意见。
| [1] |
Dansgaard W. Stable isotopes in precipitation[J]. Tellus Series B:Chemical and Physical Meteorology, 1964, 16(4): 436-468. |
| [2] |
Tan M. Circulation effect:Response of precipitation δ18O to the ENSO cycle in monsoon regions of China[J]. Climate Dynamics, 2014, 42(3-4): 1067-1077. DOI:10.1007/s00382-013-1732-x |
| [3] |
谭明. 信风驱动的中国季风区石笋δ18O与大尺度温度场负耦合——从年代际变率到岁差周期的环流效应(纪念GNIP建网50周年暨葫芦洞石笋末次冰期记录发表 10周年)[J]. 第四纪研究, 2011, 31(6): 1086-1097. Tan Ming. Trade-wind driven inverse coupling between stalagmite δ18O from monsoon region of China and large scale temperature-Circulation effect on decadal to precessional timescales[J]. Quaternary Sciences, 2011, 31(6): 1086-1097. DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2011.06.16 |
| [4] |
Tan Ming. Circulation background of climate patterns in the past millennium:Uncertainty analysis and re-reconstruction of ENSO-like state[J]. Science China:Earth Sciences, 2016, 59(6): 1225-1241. DOI:10.1007/s11430-015-5256-6 |
| [5] |
Duy N L, Heidbüchel I, Meyer H, et al. What controls the stable isotope composition of precipitation in the Mekong delta?A model-based statistical approach[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2018, 22(2): 1-33. |
| [6] |
Denniston R F, Wyrwoll K H, Polyak V J, et al. A stalagmite record of Holocene Indonesian-Australian Summer Monsoon variability from the Australian tropics[J]. Quaternary Science Reviews, 2013, 78(19): 155-168. |
| [7] |
Denniston R F, Ummenhofer C C, Wanamaker A D, et al. Expansion and contraction of the Indo-Pacific Tropical Rain Belt over the last three millennia[J]. Scientifc Reports, 2016, 6: 34485. DOI:10.1038/srep34485(2016) |
| [8] |
Yan H, Sun L, Wang Y, et al. A record of the Southern Oscillation Index for the past 2, 000 years from precipitation proxies[J]. Nature Geoscience, 2011, 4(9): 611-614. DOI:10.1038/ngeo1231 |
| [9] |
Wang X, Auler A S, Edwards R L, et al. Interhemispheric anti-phasing of rainfall during the last glacial period[J]. Quaternary Science Reviews, 2006, 25(23): 3391-3403. |
| [10] |
Wang X, Edwards R L, Auler A S, et al. Hydroclimate changes across the Amazon lowlands over the past 45, 000 years[J]. Nature, 2017, 541(7636): 167-168. DOI:10.1038/541167a |
| [11] |
Wang B, Clemens S C, Liu P. Contrasting the Indian and East Asian monsoons:Implications on geologic timescales[J]. Marine Geology, 2003, 201(1): 5-21. |
| [12] |
陈际龙, 黄荣辉. 亚澳季风各子系统气候学特征的异同研究Ⅱ[J]. 大气科学, 2007, 31(5): 766-778. Chen Jilong, Huang Ronghui. The comparison of climatological characteristics among Asian and Australian monsoon subsystems. Part Ⅱ:Water vapor transport by summer monsoon[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2007, 31(5): 766-778. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2007.05.02 |
| [13] |
安芷生, 吴国雄, 李建平, 等. 全球季风动力学与气候变化[J]. 地球环境学报, 2015, 43(6): 341-381. An Zhensheng, Wu Guoxiong, Li Jianping, et al. Global monsoon dynamics and climate change[J]. Journal of Earth Environment, 2015, 43(6): 341-381. |
| [14] |
Liu Z, Wen X, Brady E C, et al. Chinese cave records and the East Asia Summer Monsoon[J]. Quaternary Science Reviews, 2014, 83(1): 115-128. |
| [15] |
Cai Z, Tian L, Bowen G J. ENSO variability reflected in precipitation oxygen isotopes across the Asian Summer Monsoon region[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2017, 475: 25-33. DOI:10.1016/j.epsl.2017.06.035 |
| [16] |
Berkelhammer M, Sinha A, Mudelsee M, et al. Persistent multidecadal power of the Indian Summer Monsoon[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 290(1-2): 166-172. DOI:10.1016/j.epsl.2009.12.017 |
| [17] |
Zhang P, Cheng H, Edwards R L, et al. A test of climate, sun, and culture relationships from an 1810-year Chinese cave record[J]. Science, 2008, 322(5903): 940-942. DOI:10.1126/science.1163965 |
| [18] |
Hu C, Henderson G M, Huang J, et al. Quantification of Holocene Asian monsoon rainfall from spatially separated cave records[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 266(3): 221-232. |
| [19] |
Zhao K, Wang Y, Edwards R L, et al. A high-resolved record of the Asian Summer Monsoon from Dongge cave, China for the past 1200 years[J]. Quaternary Science Reviews, 2015, 122: 250-257. DOI:10.1016/j.quascirev.2015.05.030 |
| [20] |
陈虹利, 李廷勇, 周福莉, 等. 基于场降雨数据的大气降水化学特征分析——以重庆市北碚区西南大学为例[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2012, 34(2): 105-113. Chen Hongli, Li Tingyong, Zhou Fuli, et al. Analysis of chemical characteristics of meteoric precipitation based on the data of a series of rainwater-A case study of Southwest University, Beibei District, Chongqing[J]. Journal of Southwest University(Natural Science Edition), 2012, 34(2): 105-113. |
| [21] |
Zhou J L, Li T Y. A tentative study of the relationship between annual δ18O & δD variations of precipitation and atmospheric circulations-A case from Southwest China[J]. Quaternary International, 2017, 479: 117-127. |
| [22] |
Cai Y, An Z, Cheng H, et al. High-resolution absolute-dated Indian Monsoon record between 53 and 36 ka from Xiaobailong cave, Southwestern China[J]. Geology, 2006, 34(8): 621-624. DOI:10.1130/G22567.1 |
| [23] |
Cai Y, Fung I Y, Edwards R L, et al. Variability of stalagmite-inferred Indian monsoon precipitation over the past 252, 000 y[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, 112(10): 2954. DOI:10.1073/pnas.1424035112 |
| [24] |
Posmentier E S, Feng X, Zhao M. Seasonal variations of precipitation δ18O in Eastern Asia[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2004, 109(D23106). DOI:10.1029/2004JD004510 |
| [25] |
Araguás-Araguás L, Froehlich K, Rozanski K. Stable isotope composition of precipitation over Southeast Asia[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1998, 103(D22): 28721-28742. DOI:10.1029/98JD02582 |
| [26] |
章新平, 刘晶淼, 孙维贞, 等. 中国西南地区降水中氧稳定同位素比率与相关气象要素之间关系的研究[J]. 中国科学(D辑), 2006, 36(9): 850-859. Zhang Xinping, Liu Jingmiao, Sun Weizhen, et al. Study on relationship between stable oxygen isotope in precipitation and relative metrological parameters in Southwest China[J]. Science in China(Series D), 2006, 36(9): 850-859. |
| [27] |
章新平, 关华德, 张新主, 等. 不同模式模拟的降水稳定同位素效应的比较和评估[J]. 第四纪研究, 2016, 36(6): 1343-1357. Zhang Xinping, Guan Huade, Zhang Xinzhu, et al. Comparisons and assessment on stable isotopic effects in precipitation simulated by different models[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(6): 1343-1357. |
| [28] |
李廷勇, 李红春, 沈川洲, 等. 2006-2008年重庆大气降水δD和δ18O特征初步分析[J]. 水科学进展, 2010, 21(6): 757-764. Li Tingyong, Li Hongchun, Shen Chuanzhou, et al. Study on the δD and δ18O characteristics of meteoric precipitation during 2006-2008 in Chongqing, China[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(6): 757-764. |
| [29] |
Kurita N, Noone D, Risi C, et al. Intraseasonal isotopic variation associated with the Madden-Julian Oscillation[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2011, 116(D24101). DOI:10.1029/2010JD015209 |
| [30] |
LeGrande A N, Schmidt G A. Global gridded data set of the oxygen isotopic composition in seawater[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33: L12604. DOI:10.1029/2006GL026011 |
| [31] |
Cai Z, Tian L. Atmospheric controls on seasonal and interannual variations in the precipitation isotope in the East Asian monsoon region[J]. Journal of Climate, 2016, 29(4): 1339-1352. DOI:10.1175/JCLI-D-15-0363.1 |
| [32] |
Rao Z, Li Y, Zhang J, et al. Investigating the long-term palaeoclimatic controls on the δD and δ18O of precipitation during the Holocene in the Indian and East Asian monsoonal regions[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 159: 292-305. DOI:10.1016/j.earscirev.2016.06.007 |
| [33] |
李云霞, 饶志国, 刘小康, 等. 我国和印度8个典型站点大气降水氧同位素与降水量的关系[J]. 科学通报, 2015, 60(8): 741-743. Li Yunxia, Rao Zhiguo, Liu Xiaokang, et al. Interannual correlations between modern precipitation δ18O and precipitation amount recorded by GNIP stations in China and India[J]. Chinese Science Bulletin, 2015, 60(8): 741-743. |
| [34] |
Emile-Geay J, Cobb K M, Mann M E, et al. Estimating central equatorial Pacific SST variability over the past millennium. Part Ⅱ:Reconstructions and implications[J]. Journal of Climate, 2013, 26(7): 2329-2352. DOI:10.1175/JCLI-D-11-00511.1 |
| [35] |
Sinha A, Cannariato K G, Stott L D, et al. A 900-year(600 to 1500 A.D.)record of the Indian summer monsoon precipitation from the core monsoon zone of India[J]. Geophysical Research Letters, 2007, 34(16): 130-144. |
| [36] |
Lechleitner F A, Breitenbach S F, Rehfeld K, et al. Tropical rainfall over the last two millennia:Evidence for a low-latitude hydrologic seesaw[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 45809. DOI:10.1038/srep45809 |
| [37] |
Chu G, Liu J, Sun Q, et al. The 'Mediaeval Warm Period' drought recorded in Lake Huguangyan, tropical South China[J]. Holocene, 2002, 12(5): 511-516. DOI:10.1191/0959683602hl566ft |
| [38] |
Wasson R J, Bayliss P. River flow and climate in the "Top End" of Australia from the last 1000 years, and the Asian-Australian monsoon[C]//Winderlich S. Kakadu National Park Landscape Symposia Series 2007-2009. Symposium 4: Climate Change. International Reports 567. Darwin, Australia: Supervising Scientist, 2010: 15-36.
|
| [39] |
Liu J, Fu G, Song X, et al. Stable isotopic compositions in Australian precipitation[J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115: D23307. DOI:10.1029/2010JD014403 |
| [40] |
Pang H X, He Y Q, Zhang Z L, et al. The origin of summer monsoon rainfall at New Delhi by deuterium excess[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 2004, 8(1): 115-118. DOI:10.5194/hess-8-115-2004 |
| [41] |
谭明. 环流效应:中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的气候意义——古气候记录与现代气候研究的一次对话[J]. 第四纪研究, 2009, 29(5): 851-862. Tan Ming. Circulation effect:Climatic significance of the short term variability of the oxygen isotopes in stalagmites from monsoonal China-Dialogue between paleoclimate records and modern climate research[J]. Quaternary Sciences, 2009, 29(5): 851-862. DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2009.05.01 |
| [42] |
谭明, 南素兰. 中国季风区降水氧同位素年际变化的"环流效应"初探[J]. 第四纪研究, 2010, 30(3): 620-622. Tan Ming, Nan Sulan. Primary investigation on interannual changes in the circulation effect of precipitation oxygen isotopes in monsoon China[J]. Quaternary Sciences, 2010, 30(3): 620-622. DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2010.03.21 |
| [43] |
谭明, 南素兰, 段武辉. 中国季风区大气降水同位素的季节尺度环流效应[J]. 第四纪研究, 2016, 36(3): 575-580. Tan Ming, Nan Sulan, Duan Wuhui. Seasonal scale circulation effect of stable isotope in atmospheric precipitation in the monsoon regions of China[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(3): 575-580. |
| [44] |
McBride J L. The Australian summer monsoon[M]//Chang C P, Krishnamurti T N. Monsoon Meteorology. New York: Oxford University Press, 1987: 203-231.
|
| [45] |
Hendon H H, Lim E P, Liu G. The role of air-sea interaction for prediction of Australian summer monsoon rainfall[J]. Journal of Climate, 2011, 25(25): 1278-1290. |
| [46] |
Power S, Haylock M, Colman R, et al. The predictability of interdecadal changes in ENSO activity and ENSO teleconnections[J]. Journal of Climate, 2006, 19(19): 4755-4771. DOI:10.1175/JCLI3868.1 |
| [47] |
Chen G, Tam C Y. Different impacts of two kinds of Pacific Ocean warming on tropical cyclone frequency over the western North Pacific[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(1): 70-75. |
| [48] |
袁媛, 高辉, 贾小龙, 等. 2014-2016年超强厄尔尼诺事件的气候影响[J]. 气象, 2016, 42(5): 532-539. Yuan Yuan, Gao Hui, Jia Xiaolong, et al. Influences of the 2014-2016 super El Niño Event on climate[J]. Meteorological Monthly, 2016, 42(5): 532-539. |
| [49] |
Kumar K K, Rajagopalan B, Cane M A. On the weakening relationship between the Indian monsoon and ENSO[J]. Science, 1999, 284(5423): 2156-2159. DOI:10.1126/science.284.5423.2156 |
| [50] |
Pant G B, Parthasarathy S B. Some aspects of an association between the Southern Oscillation and Indian summer monsoon[J]. Archives for Meteorology Geophysics and Bioclimatology, 1981, 29(3): 245-252. DOI:10.1007/BF02263246 |
| [51] |
Ropelewski C F, Jones P D. An extension of the Tahiti-Darwin Southern Oscillation Index[J]. Monthly Weather Review, 1987, 115(9): 2161-2165. DOI:10.1175/1520-0493(1987)115<2161:AEOTTS>2.0.CO;2 |
| [52] |
赵侃, 陈仕涛, 崔英方, 等. 神农架石笋记录的近200年东亚季风变化及其ENSO响应[J]. 地理研究, 2015, 34(1): 74-84. Zhao Kan, Chen Shitao, Cui Yingfang, et al. East Asian monsoon changes and its ENSO response revealed by a 200-year stalagmite record from Yongxing cave on the Mountain Shengnonjia[J]. Geographical Research, 2015, 34(1): 74-84. |
| [53] |
赵景耀, 杨琰, 彭涛, 等. 河南鸡冠洞降水、滴水和现生碳酸钙的δ18O变化特征及其环流意义[J]. 第四纪研究, 2014, 34(5): 1106-1116. Zhao Jingyao, Yang Yan, Peng Tao, et al. Variation of δ18O values in the precipitation, cave drip water and modern calcite deposition in Jiguan cave, Henan Province and its atmospheric circulation effect[J]. Quaternary Sciences, 2014, 34(5): 1106-1116. |
| [54] |
Tan L, Cai Y, An Z, et al. A Chinese cave links climate change, social impacts, and human adaptation over the last 500 years[J]. Scientific Reports, 2015, 5(4): 104-104. |
| [55] |
Cobb K M, Charles C D, Cheng H, et al. El Niño/Southern Oscillation and tropical Pacific climate during the last millennium[J]. Nature, 2003, 424(6946): 271-276. DOI:10.1038/nature01779 |
| [56] |
Sachs J P, Sachse D, Smittenberg R H, et al. Southward movement of the Pacific intertropical convergence zone AD 1400-1850[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(7): 519-525. DOI:10.1038/ngeo554 |
| [57] |
Chen W, Lu R, Dong B. Intensified anticyclonic anomaly over the western North Pacific during El Niño decaying summer under a weakened Atlantic thermohaline circulation[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 2015, 119(24): 13637-13650. |
| [58] |
王权, 汪永进, 刘殿兵, 等. DO3事件的湖北神农架高分辨率年纹层石笋记录[J]. 第四纪研究, 2017, 37(1): 108-117. Wang Quan, Wang Yongjin, Liu Dianbing, et al. The DO3 event in Asian monsoon climates evidenced by an annually laminated stalagmite from Qingtian cave, Mt. Shennongjia[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(1): 108-117. |
| [59] |
董进国, 赵侃, 沈川洲, 等. 黄土高原石笋记录的DO25季风增强事件[J]. 第四纪研究, 2016, 36(6): 1502-1509. Dong Jinguo, Zhao Kan, Shen Chuan-Chou, et al. Strong East Asian Summer Monsoon during the DO 25 event recorded by an absolute-dated stalagmite from Dragon cave, Northern China[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(6): 1502-1509. |
| [60] |
蒋文静, 赵侃, 陈仕涛, 等. 小冰期十年际尺度亚洲季风变化的四川黑竹沟洞石笋记录[J]. 第四纪研究, 2017, 37(1): 118-129. Jiang Wenjing, Zhao Kan, Chen Shitao, et al. Decadal climate oscillations during the Little Ice Age of stalagmite record from Heizhugou cave, Sichuan[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(1): 118-129. |
| [61] |
倪允琪, 邹力, 张向东, 等. ENSO及其对亚洲季风和我国气候变化影响的研究[J]. 气象科学, 1995, 15(4): 30-45. Ni Yunqi, Zou Li, Zhang Xiangdong, et al. Study for ENSO and its influences on Asian monsoon and cliamte change of China[J]. Journal of the Meteorological Sciences, 1995, 15(4): 30-45. |
| [62] |
李崇银, 穆穆, 周广庆, 等. ENSO机理及其预测研究[J]. 大气科学, 2008, 32(4): 761-781. Li Chongyin, Mu Mu, Zhou Guangqing. Mechanism and prediction studies of the ENSO[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2008, 32(4): 761-781. DOI:10.3878/j.issn.1006-9895.2008.04.06 |
| [63] |
史珩瑜, 张祖强, 任宏利. 近百年来ENSO强度的变化特征[J]. 气候变化研究进展, 2017, 13(1): 1-10. Shi Hengyu, Zhang Zuqiang, Ren Hongli. Observed ENSO intensity changes during 1900-2015[J]. Advances in Climate Change Research, 2017, 13(1): 1-10. |
| [64] |
Moy C M, Seltzer G O, Rodbell D T, et al. Variability of El Niño/Southern oscillation activity at millennial timescales during the Holocene epoch[J]. Nature, 2002, 420: 162-165. DOI:10.1038/nature01194 |
| [65] |
Tudhope A W, Chilcott C P, Mcculloch M T, et al. Variability in the El Niño -Southern Oscillation through a glacial-interglacial cycle[J]. Science, 2001, 291(5508): 1511-1517. DOI:10.1126/science.1057969 |
| [66] |
Yin J J, Li H C, Rao Z G, et al. Variations of monsoonal rain and vegetation during the past millennium in Tiangui Mountain, North China reflected by stalagmite δ18O and δ13C records from Zhenzhu cave[J]. Quaternary International, 2017, 447: 89-101. DOI:10.1016/j.quaint.2017.06.039 |
| [67] |
张春霞, 张茂恒, 李偏, 等. 2592~1225 a B.P.湖北神农架石笋氧同位素记录及区域气候意义[J]. 地理科学, 2010, 30(6): 950-954. Zhang Chunxia, Zhang Maoheng, Li Pian, et al. Stalagmite δ18O record 2592-1225 yr B.P. from Mt. Shennongjia and its regional climate significance[[J]. Scientia Geographica Sinica, 2010, 30(6): 950-954. |
2 Field Scientific Observation & Research Base of Karst Eco-environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Land and Resources of China, Chongqing 408435)
Abstract
The Asian-Australian monsoon is mainly composed of three parts, which are East Asian monsoon, Indian monsoon, and Australian monsoon, respectively (Figure 1). At present, the biggest controversy about the climatic significance of δ18O in this area is whether it reflects the change of rainfall or the source of water vapor. In view of this controversy, this paper selects eighteen atmospheric precipitation stations and five stalagmite δ18O records nearly 1 ka in the Asian-Australian monsoon region. The regulations are as followed: (1)On the monthly timescale, by comparison with δ18O and monthly precipitation show a significant negative relationship, which are consistent with "amount effect" according to mathematical statistics result. However, the essence is the difference of water vapor sources in different seasons. (2)On the inter-annual scale, the relationship among the weighted mean δ18O of precipitation and annual precipitation which are not obvious in East Asia and Australian monsoon regions. However, this correlation is significant negative in India monsoon region, indicating that the use of "Amount effect" to explain the change of inter-annual timescale precipitation δ18O in the single water source, which is suitable. Nevertheless, "amount effect" is not significant in the East Asian monsoon and the Australian monsoon affected by the composite water vapor source. (3)In the vast area affected by Asian-Australian monsoon, although from atmospheric precipitation to stalagmite δ18O over the past 1 ka show the same characteristic, which belongs to different mechanisms.The inter-annual timescale precipitation and stalagmite δ18O over the past 1 ka in the India monsoon region mainly controlled by the single water source may reflect "amount effect". However, East Asia and Australian monsoon regions was dominated by the composite water vapor source, which reflects the change of "Circulation effect". The precipitation and stalagmite δ18O in the Asian-Australian monsoon region are correlated with ENSO (El Niño-Southern Oscillation), indicating that precipitation and stalagmite δ18O response to low-latitude signals characterized by ENSO is more obvious than that of high-latitude signals governed by the melting of ice-sheet. If the association between stalagmite δ18O and ENSO is still applicable for the Holocene or glacial-interglacial timescale, it is possible to reconstruct the ENSO series using high-precision dating and high-resolution speleothem records in this region.