2019, Vol.39
2 中国科学院第四纪科学与全球变化卓越创新中心, 陕西 西安 710061;
3 中国科学院大学, 北京 100049;
4 吉尔吉斯斯坦科学院地质研究所, 比什凯克 720040, 吉尔吉斯斯坦;
5 塔吉克斯坦科学院地质、地震工程和地震学研究所, 杜尚别 734063, 塔吉克斯坦;
6 中国科学院中亚生态 与环境研究中心(杜尚别), 杜尚别 734063, 塔吉克斯坦)
中亚地处欧亚大陆腹部，气候干旱，生态环境脆弱，同时受多种气流的交互作用，容易发生气候突变事件，导致自然灾害频发，随着我国“一带一路”战略的实施，该地区的生态和气候环境变化历史与趋势不但受到了各国政府和民众的高度关注，而且也受到了越来越多的科学家重视，成为全球变化研究的热点地区之一。20世纪80年代末到90年代初，科学家在北大西洋深海末次冰期沉积物和格陵兰高分辨率冰芯记录中发现了一系列亚轨道尺度(千年-百年)气候突变事件，其中最为强烈的是Heinrich (H)冷事件、Dansgaard-Oeschger(D-O)冷暖旋回及末次冰消期的新仙女木(Younger Dyras，简称YD)事件[1~4]；随后，这些快速气候突变事件在青藏高原古里雅冰芯[5]、中国黄土高原黄土[6~11]、东亚石笋[12]等陆地记录中均有报道。20多年来，有关东亚地区黄土记录的千年尺度气候突变事件的研究已取得了丰硕的成果[6~11, 13~15]。虽然在全球范围内已有众多记录支持这些气候突变事件，但这些研究材料分布不均，主要集中在北大西洋、极地和东亚季风区，来自亚洲内陆干旱区的证据不多，同时受研究材料(冰芯、深海沉积、黄土、石笋、湖泊沉积)的分辨率以及年代模式的影响，其变化特征(跨时、变率)和驱动机制仍存在诸多争论。对比和认识这些区域之间的变化过程与差异，有助于认识快速气候变化的规律和驱动机制，为未来气候变化预测提供依据。
中亚处于中纬度西风带，是联系北大西洋-中亚粉尘源区-东亚季风区-太平洋的关键区域[16~20]，为研究北半球纬向快速气候变化的中间过程与机制提供理想场所。分布于中亚山麓、河流阶地和山前洪冲积平原的厚层黄土为研究该地区千年尺度快速气候变化提供了重要的地质记录。研究中亚地区千年尺度气候突变事件有助于理解北大西洋与东亚地区快速气候变化的遥相关机制，同时为“一带一路”战略提供自然背景知识。然而相对于东亚地区，由于地质记录的完整性、样品的分辨率、年代标尺的不确定性和指标的可靠性等诸多问题，目前对中亚干旱区快速气候变化的研究任重道远。本文拟根据黄土沉积特征与现代气候特征，进一步划分中亚黄土分区，梳理中亚地区黄土古气候的研究进展和存在问题，重点回顾末次冰期千年尺度快速气候变化的研究现状，并探讨其可能的驱动机制，尝试提出未来中亚黄土古气候研究的可能方向。
1 研究区概况 1.1 地理位置与现代气候特征地理学广义上的中亚地区西起里海、东到大兴安岭、北至阿尔泰山、南到喜马拉雅山的广大区域，包括中亚五国(哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦)和中国、蒙古、俄罗斯、伊朗、阿富汗等部分地区[20]，狭义上仅指中亚五国[16]，在这里中亚地区主要指中亚五国和我国新疆地区(图 1)。
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图 1 中亚黄土分布与主要气候系统示意图 黄土剖面：DK—Darai Kalon剖面(塔吉克斯坦)；OK—塔什干Orkutsay剖面(乌兹别克斯坦)；OS—奥什剖面(吉尔吉斯斯坦)；BSK—比什凯克剖面(吉尔吉斯斯坦)；RM—阿拉木图Remisowka剖面(哈萨克斯坦)；ZSP—昭苏剖面；TLD—新源塔勒德剖面；ZKT—新源则克台剖面；NLK—尼勒克剖面；AQ—于田阿羌剖面 Fig. 1 Distribution of loess and the main climate systems in Central Asia. Loess sections:DK—Darai Kalon(Tajikistan); OK—Orkutsay section(Uzbekistan); OS—Osh section(Kyrgyzstan); BSK—Bishkek(Kyrgyzstan); RM—Remisowka section(Kazakhstan); ZSP—Zhaosu section; TLD—Talede section in Xinyuan; ZKT—Zeketai section in Xinyuan; NLK—Nilka section; AQ—Aqiang section in Yutian |
中亚位于欧亚大陆腹部，远离海洋，干旱少雨，属于典型的大陆干旱性气候，冬冷夏热，降水季节和地区分配不均(图 2)。中亚在地球气候系统中属中纬度西风气候区，同时受北冰洋气流和印度洋暖湿气流甚至东亚季风环流和特殊地形结构的交错影响(图 1)，使得该区温度、降水变化较大，极端气候事件频发，生态系统脆弱，成为全球气候环境变化的敏感区。中亚的地貌西部以丘陵平原为主，东部以盆山相间为主要特征，地势东南高，西北低。中亚的地理位置、大气环流、地形地貌等条件决定了中亚气候的特殊性。横亘在中东部的天山和东南部的兴都库什山-帕米尔高原对中亚的区域气候与环境产生了重要的影响，阻挡了印度洋湿润气候的大规模侵入，微弱的湿润气流只能来自遥远的北冰洋和大西洋以及沿途的地中海，并通过西风环流携带到本区，水汽在高空西风输送过程中，受境内山脉(如天山、兴都库什山)与高原(如帕米尔高原)的阻挡，在迎风坡形成丰富降雨，在背风坡、盆地和峡谷干旱少雨，造成降水分布严重不均[16, 20]，如费尔干纳的山前地带随着海拔的升高年降水量从425 mm到2000 mm不断变化；天山、阿尔泰的森林-草原带降水量达1000 mm；中亚西部的沙漠、平原地区降水量为100~300 mm[20]。受亚洲冬季风反气旋的影响，吉尔吉斯和塔吉克斯坦东南部冬春季低纬暖湿气流(印度洋阿拉伯海暖湿气流)与中高纬度干冷气流(北冰洋)汇合[16]，导致降水增多，如杜尚别的3月份降水量占全年的20 % (图 2b)。同时，受地中海气候的影响，中亚五国自西南向东北，冬春季降水量明显大于夏季，以夏季最少(图 2b)，雨热不同期，哈萨克斯坦和我国新疆地区大陆性气候较为明显，降水总量自西向东逐渐减少，降水集中于夏季，雨热同期(图 2)。中亚年均温在平原盆地和沙漠地区呈纬向分布(图 2a)，由南(如土库曼巴希15 ℃)向北到阿斯塔纳降低到3 ℃，在山区随着海拔的升高而降低，在季节分布上，夏季温度高，冬季温度低(图 2a)，在中亚地区降水对区域自然环境影响要比温度明显。在这里需要注意的是，中亚不同地区的水汽来源与搬运动力存在不一致[21~23]。如印度洋季风携带的暖湿气流翻过兴都库什山与帕米尔高原后部分在塔吉克斯坦南部降下，剩余部分经西风带输送到塔里木盆地。在新疆夏季降水的水汽主要来源于北冰洋，而其他季节主要来源于西风带的输送[21]。印度夏季降水增强异常引起环流异常使得向新疆地区水汽输送减弱[22]，天山南坡和北坡降水同位素差异亦与不同的水汽传输路径有关[23]，了解现代气候过程对认识古大气环流和代用指标意义具有重要意义。
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图 2 中亚地区代表性城市多年月平均温度 (a)和降水量(b)变化特征气象站位置见图 1，括号内数据表示起止年份(a)和平均年降水量(b)，降水量显示为月降水量占全年降水量的百分比；温度和降水数据国内城市来自http://cdc.cma.gov.cn/；中亚台站数据来自http://www.ncdc.noaag.gov Fig. 2 Variation characteristics of multi-year average monthly temperature(a) and precipitation (b)in the several cities in Central Asia area. The locations of meteorological stations are shown in figure 1. The data in brackets represent the starting and ending years(a) and average annual precipitation (b). The precipitation shows the percentage of monthly precipitation in the annual precipitation.Climate data from http://www.ncdc.noaag.gov and http://cdc.cma.gov.cn/ |
中亚地区是世界主要的粉尘源区之一，也是世界主要的黄土分布区之一。区内黄土主要分布在山区迎风坡、河流阶地和山前冲积平原[17~19, 21~47]，具体分布于中国新疆塔城的塔尔巴哈台山南麓[24~25]、博乐的阿拉套山南麓[26]、北天山的北麓[27~29]、伊犁盆地[19, 30~31]以及西昆仑山北坡[32~34]，哈萨克斯坦东南部阿拉木图-外伊犁阿拉套山和东北部平原以及阿尔泰山麓地带[17, 35~36]，吉尔吉斯楚河谷地[37]，乌兹别克斯坦东部塔什干-费尔干纳盆地[38~39]，塔吉克斯坦的东南部瓦赫什谷地和帕米尔高原西麓[40~43](图 1)。在新疆塔城地区，黄土厚度从几米到30 m不等[24~25]，在北部，黄土沿塔尔巴哈台山南麓呈条带状分布；在南部，黄土主要分布在盆地之南至巴尔鲁克山北麓，分布高程800~1200 m[30]。在博乐地区，黄土大致分布在博乐城西26 km到城东16 km的范围内，其厚度由西向东变厚，在小营盘一带仅2~3 m，到博乐城东可达50~60 m[26, 30]。在伊犁盆地，黄土广泛地分布在伊犁河、巩乃斯河、特克斯河、喀什河的河流阶地上，北天山南坡到南天山北坡的山麓地带以及沙漠的边缘地区，厚度从数米到200 m，盆地内有两个沉积中心，即东部的新源塔勒德黄土厚约96 m[31]，西部霍城三宫乡-芦草沟带厚达202 m[22]，其古地磁年代均为80万年，但三宫乡黄土沉积整体上要比新源粗。在喀什河的第二级阶地上，黄土厚度大于20 m，分布在海拔1250~1700 m之间，形成于末次冰期以来[44~45]。巩留县境内黄土 < 20 m，海拔在600~1600 m。在新源县，黄土分布在海拔900~1500 m之间，露头厚度超过40 m[31, 46]。在伊犁盆地南部的昭苏盆地，野外考察显示黄土几米到几十米不等，披覆于特克斯河流阶地上和天山的山麓地带，分布海拔从1300 m到2100 m，最厚达50 m。塔里木盆地的黄土主要分布在昆仑山北坡，厚度在数十米到700 m以上[47]，年代可达上新世[32]，在帕米尔高原塔什库尔干谷地和瓦恰盆地也有1~2 m薄层黄土分布[48]。
哈萨克斯坦黄土主要分布在天山北部和萨雷耶西克阿特劳沙漠、莫因库姆沙漠中间的广阔山前平原、河流阶地、冲积扇和山前基岩斜坡上，黄土分布东至新疆伊犁地区，呈现不连续分布，厚度总体呈现从东向西逐渐变薄的趋势，从几米到上百米不等[41, 49]，在阿拉木图南边的RM剖面最厚处达到80 m，其形成于中更新世[35, 38]。
根据近几年的野外调查，吉尔吉斯黄土主要分布在天山北麓的楚河谷地以及费尔干纳盆地(图 1)。在楚河谷地，出露地面的天然黄土剖面(BSK)厚度在20 m左右[37]；在费尔干纳盆地，黄土主要集中分布在盆地边缘的山麓地带，厚度较楚河谷地的薄，在奥什附近(OS)野外实测则达15 m。在乌兹别克斯坦的塔什干地区，黄土主要分布在天山西部的山麓地带，广泛地披覆在山麓平原的冲积阶地以及山前斜坡与锡尔河的河流阶地上，海拔高度主要在1500~1800 m，黄土的厚度为40~50 m，在塔什干南部OK剖面发育明显的古土壤层(S1~S10)，其形成年代可能到1 Ma[39]。
在帕米尔高原以西的中亚地区，在塔吉克斯坦南部有大面积的黄土出露[17, 40, 50~52]，在里海南缘和伊朗高原北麓也有少量黄土分布[17~18](图 1)。该地区黄土堆积基本相连成片，上覆于不同的地貌单元。黄土主要分布于克孜勒库姆沙漠东部、塔吉克斯坦东南部的瓦赫什谷地、费尔干纳盆地南缘和西天山(吉萨尔山、突厥斯坦山)山麓地区一带。根据笔者多次对塔吉克斯坦黄土的考察，发现塔吉克凹陷内黄土十分发育，即使在海拔1200 m以上仍有厚层黄土分布，并且黄土与古土壤在颜色上有十分明显的差别，古土壤颜色为棕红色或红褐色，在野外很好辨认，柱状节理发育，含有虫孔，铁质胶膜发育，粘化较强烈，反映其成壤作用较强，这与新疆古土壤发育[30~31]明显不同，而与中国黄土高原十分相似[40, 50~51]。黄土层由灰黄色粉砂组成，疏松多孔，柱状节理不发育，部分层位含有蜗牛化石。塔吉克斯坦黄土最老年龄可达2.0~2.4 Ma[17]。在帕米尔高原西侧，丁仲礼等[40, 50~51]所报道的Chashmanigar黄土剖面厚度近200 m，其年代可达1.8 Ma[40]。
近10年来，我们在中亚黄土野外考察中发现中亚的黄土可以分为3个亚区(图 1)，其分布范围与前描述的气候类型基本一致。亚区Ⅰ中亚西部区位于西天山以南，比什凯克到伊斯兰堡(东经75o)以西，包括塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦以及费尔干纳盆地，属地中海式气候，夏季干燥，冬季降雨，南部受印度洋季风的影响。塔吉克斯坦由于受西风和印度洋季风暖湿气流的影响，降水量较多，虽然雨热不同期，但成壤作用仍较强，形成与中国黄土高原类似具有明显差异的黄土-古土壤序列[40, 50~51]，古土壤具有较高的磁化率值；亚区Ⅱ位于天山以北，包括吉尔吉斯楚河谷地、哈萨克斯坦阿拉木图、我国新疆伊犁盆地和塔城盆地以及阿勒泰地区等即中亚北部区，主要受西伯利亚高压和北冰洋气流的影响，当气候温暖期，西风带北移也会影响到本区，成壤作用较弱，在低海拔地区无法观察到明显的成壤现象，磁化率值与地层不一致，在相对较高的山麓成壤作用强磁化率值高，黄土主要分布在林线以下[19, 31]；亚区Ⅲ主要分布于塔里木盆地周边，中亚东部区，由于气候极端干旱，加上受多种气流的影响，主要沉积以砂黄土为主，具有近源沉积的性质，成壤作用不明显[30~31]。
2 中亚黄土古气候研究现状相对中国黄土高原和欧洲黄土古气候的研究，中亚黄土的研究仍十分薄弱，远远滞后于中国黄土高原。中国黄土高原地形平坦、黄土沉积深厚，区域可对比性强，气候主要受东亚季风的影响，因此，无论在地层、年代学还是古气候指标上，均具有相似性，但如前所述，中亚不同地区气候、地形条件差别较大，黄土来源复杂[25, 52~54]，给古气候与环境解译增加了许多不确定性和难度，造成一些基本科学问题如年代、地层与指标的古气候意义仍未解决。
在黄土分布亚区Ⅱ，尤其在伊犁盆地和楚河谷地同一剖面，由于测年技术和测年物质不同而存在着较大的差异[37，43~44，55~58]，不同粒级石英的光释光年代也显著不同[34, 44~45, 56]，有机质、炭屑、蜗牛的AMS 14C年代[55, 57~58]也存在着矛盾。因此，这需要从机理上研究中亚黄土年代的可靠性与精确度。同时，在代用指标方面主要集中于磁化率[31, 59~63]、粒度[18, 24~26, 30~34, 40]、元素地球化学[30~31, 51~53, 64]上，多种指标具有多解释性[24~26, 65]，中国黄土高原常用的部分指标在中亚黄土研究中存在问题，如磁化率，中亚地区有些黄土剖面古土壤层的磁化率值比黄土层的低，可能受沉积时的地形条件(如海拔高度)、气候条件(如气温和降水)、风力强度、源区等多种因素的影响[59~63]。尽管有学者引用风速论和/或成壤模式[60~63]来解释中亚黄土的磁化率增强机制模式，但仍需要更多的证据从机理和事实上论证其磁化率的增强机制及可能的古气候环境意义，缺乏更多指标的现代过程研究。
20世纪90年代以来，国内外学者先后对塔吉克斯坦南部[17，40，51，65]、乌兹别克塔什干地区[38]、吉尔吉斯[37, 43]和哈萨克斯坦[38, 55]的黄土年代、地层和蕴含的古气候和环境信息进行研究，并发现黄土分布亚区Ⅰ的塔吉克斯坦黄土记录的轨道尺度上气候变化信息能与中国黄土高原相媲美[40]。众所周知在中国黄土高原，黄土主要形成于寒冷而干燥的冰期，而古土壤形成于温暖湿润的间冰期。在中亚干旱区，早期研究认为塔吉克斯坦黄土形成于气候暖干的间冰期，而古土壤形成于气候冷湿的冰期[66]。20世纪末到本世纪初发现塔吉克斯坦古土壤层形成于温暖湿润的间冰期，而黄土层形成于寒冷干燥的冰期，与中国黄土高原类似，这与早期的结论不一致[17, 40, 49]，也有最新的来自塔吉克斯坦Darai Kalon(DK)剖面的磁学指标指示深海氧同位素(MIS)9时期为相对冷湿的间冰期，而MIS13却为相对暖干的间冰期[67]。从现代的气候来分析该区属于西风区地中海式气候，雨热不同期[16, 20](图 2)，与中国黄土高原东亚季风区的雨热同期不同，在这种气候条件下古土壤是如何发育和形成的仍需要更多的岩石磁学、地球化学以及生物学等方面的证据来阐明其机理，同时还需要精确的年代约束古土壤形成的时间。
近年来，我国新疆及塔吉克斯坦黄土末次冰期气候变化的相关研究[31, 38, 67]发现，其气候波动的特征在轨道尺度上能与全球其他地区不同沉积序列进行对比，湖泊和石笋记录也表明中亚西风区在轨道尺度上表现为冰期干旱、间冰期湿润，与季风区一致，说明在轨道尺度上中亚地区西风气候变化与东亚季风区和全球气候变化基本同步，但西风区对低纬气候信号(岁差周期)更敏感，季风区则对高纬气候信号(黄赤交角)更敏感[68]。在亚轨道尺度多种指标指示存在一系列的快速气候变化波动，但囿于年代学的问题，这些快速变化事件的年代和机制仍存在诸多问题(见后面论述)，也有研究[27, 67~68]指出在间冰期西风区的湿度演化常与季风区不同步，二者的气候演化模态在多个尺度上呈现错相位关系，前者滞后约3~5 ka。在冰期，二者的湿度演化基本一致，但西风区湿度的变幅更大。
3 中亚黄土记录的末次冰期快速气候波动目前在对中亚地区3个亚区多个黄土剖面粒度、磁化率、元素比值及矿物含量等多种指标研究[46, 68~76]均指示在末次冰期西风气候具有亚轨道尺度的快速波动特征即不稳定性，存在着若干可以与格陵兰冰芯记录对比的千年尺度气候突变事件(图 3)，但从这些代用指标中检测到的快速气候变化信号强弱也存在着异同。在黄土分布亚区Ⅰ的塔吉克斯坦DK剖面[67]磁化率反映的突变事件能与冰芯记录进行对比，其他区域不明显，虽然这个剖面的年代序列是建立在与SPECMAP和NGRIP氧同位素对比的基础上，但至少反映了亚轨道尺度快速气候变化在西风主导区也存在。
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图 3 中亚地区不同黄土剖面各指标记录的千年尺度西风快速气候波动 (a)格陵兰冰芯GISP2氧同位素记录[4](数字1~19代表间冰阶暖事件，H1~H6代表Heinrich冷事件)；(b)则克台(ZKT)剖面 < 10 μm组分含量[69]；(c)塔勒德(TLD)剖面Zr/Rb比值[70]；(d)塔勒德(TLD)剖面 < 10 μm组分含量[70]；(e)昭苏波马(ZSP)剖面白云石含量[71]；(f)昭苏波马(ZSP)剖面石英含量[71]；(g)昭苏波马(ZSP)黄土剖面中 < 10 μm组分含量[71]；(h)尼勒克(NLK)剖面EM1端元[72]；(i)Darai Kalon (DK)剖面频率磁化率χfd[74] Fig. 3 Millennial-scale climatic oscillations recorded by various proxies of different loess sections in Central Asia. (a)The Greenland ice core oxygen isotope record[4](Arabic numbers：Interstadials warm events；H：Heinrich cold events)；(b)Grain size( <10μm)content in ZKT loess section[69]；(c)Zr/Rb ratio of TLD loess section[70]；(d)Grain size( <10μm)content in TLD loess section[70]；(e)Dolomite content of ZSP loess section[71]；(f)Grain size( <10μm)content in ZSP loess section[71]；(g)Quartz content of ZSP loess section[71]；(h)EM1 grain size variability in NLK[72]；(i)The frequency-dependent magnetic susceptibility(χfd)in DK loess section[74] |
元素比值、矿物含量和同位素指标揭示的千年尺度事件的研究目前仅是初步的结果，其广泛适用性仍需更多研究，并且对其可能的机制与联系尚不清楚[70~76]。粉尘粒度不仅能够直接反映风力强度大小，而且也能反演粉尘被抬升的高度，还可以反映粉尘源区的干燥度[77~78]，在黄土分布亚区Ⅱ的伊犁盆地[46, 70~71, 79~80]、北天山北麓[23, 26]、塔城盆地[22]和亚区Ⅲ的西昆仑山北坡[29~31]的古气候重建中得到了广泛应用。所以到目前为止，黄土的粒度是研究中亚地区千年尺度事件的最佳指标。从粒度参数上可以看出，黄土中粒度的快速波动与格陵兰冰芯记录能够较好的对比，每个Heinrich事件都伴随着西风区风力搬运能力显著增强事件的发生，表现为粗颗粒组分的增多或细颗粒组分的减少，而且两者在发生时间上能基本对应[69~72, 79~80](图 3)。
在伊犁盆地东部多个黄土剖面记录中检测到了末次冰期快速气候变化的信号。新源县则克台黄土剖面是研究最多和争论最多的剖面，尤其是年代学问题[31，55~56，69，81]。Ye等[69]通过则克台黄土剖面的粒度分析发现 < 10 μm组分记录的风力增强事件可以反映出清晰的Heinrich事件信号，< 10 μm组分含量减少，表示西风风力增强，与寒冷的Heinrich事件相对应，进而将风力的增强与北大西洋冰筏碎屑(Ice-Rafted Detritus)事件相联系起来(图 3a和3b)，而相对温暖的间冰阶 < 10 μm含量增加，标志着西风风力减弱；最近，鄂崇毅等[80]发现则克台剖面中粘粒组分(< 4 μm)减少事件与Younger Drays(YD)和Heinrich事件在表现特征和时间位置上可以直接对比，粘粒增加阶段对应于格陵兰冰芯记录的20个暖冰阶，且波动幅度较为一致，进一步证实了亚轨道千年尺度突变事件在伊犁地区也存在；张文翔等[70]通过对新源塔勒德黄土中粒度(< 10 μm)含量和Zr/Rb与格陵兰冰芯δ18O和季风区李家塬黄土剖面粒度变化特征的对比研究发现，塔勒德剖面粒度(< 10 μm)和Zr/Rb指标也记录了YD气候事件，表现为细粒组分(< 10 μm)含量减少和Zr/Rb值的增大(图 3c和3d)，而且与季风区中国黄土高原沉积记录相比，粒度含量及Zr/Rb值在塔勒德剖面中记录的Heinrich事件强度更加显著；Li等[46]认为新源肖尔布拉克剖面黄土中值粒径在12 ka、16 ka和24 ka时的变粗与北大西洋Heinrich事件(YD、H1和H2)有关，并且这些信号是通过增强的西风环流传递到中亚地区，而D-O事件在该剖面中的表现特点为D-O事件1~4中值粒径变小，这与青海湖沉积物粒度[82]和冰芯记录[4]一致。
除在伊犁盆地东部新源县则克台、塔勒德和肖尔布拉克有末次冰期气候突变事件的报道外，在伊犁的喀什和特克斯河阶地也有相应报道。Song等[71]基于特克斯河上游昭苏波马剖面(ZSP)末次冰期黄土粒度和矿物分析(图 3e、3f和3g)及其与格陵兰冰芯氧同位素、青海湖湖泊沉积、中国黄土高原及欧洲、南美洲黄土以及北大西洋径向环流(AMOC)指数等的对比，发现该剖面黄土细粒组分(< 10 μm)和石英、白云石含量变化所反映的气候突变事件与格陵兰冰芯氧同位素揭示的Heinrich冷事件、D-O暖事件及末次冰消期YD事件的大部分有对应关系，表明在该时期中亚、东亚和北大西洋地区气候在千年尺度上存在某些内在的耦合关系；Li等[72]运用系统贝叶斯端元模型在喀什河阶地尼勒克黄土剖面的粒度中分离出3个不同的端元(EM1、EM2、EM3)，通过将敏感粒度端元EM1与格陵兰冰芯氧同位素记录对比，发现黄土记录中明显存在北大西洋千年尺度气候信号(尤其是Heinrich事件)(图 3h)，然后结合西风在冷暖期南北摆动的特点，认为除了中纬度西风，这些突变气候信号也能由北半球高纬度进行传播，其中西伯利亚高压具有重要的作用，能够同时为中亚和东亚地区带来极端风尘活动事件。在北天山北麓的博乐地区[26]和塔城地区[25]黄土剖面中也存在快速气候变化信号，但确认这些突变事件还需要高密度高精度的年代学工作。
在昆仑山北麓地区，李保生等[34]对于田阿羌黄土剖面AQS3层段进行粒度及主要氧化物研究，并结合区域相关地层反映的古环境和腹足类化石指示的古生态，认为AQS3层段记录了末次冰期19个冷暖旋回的气候波动，其中，15个温暖期能够较好地与GRIP冰芯氧同位素曲线中的D-O事件在时代和气候性质上进行对比。此外，H3~H5事件在AQS3层段也有很好的记录。
在塔吉克斯坦东南部，Wang等[74]利用磁化率重建DK黄土剖面末次冰期-间冰期气候变化历史，检测出22个千年尺度的冷暖快速气候波动和5次H事件，并将频率磁化率χfd作为湿度指标与SPECMAP和NGRIP氧同位素曲线对比，发现二者能够很好地匹配，尤其在50~30 ka时期，典型的D-O旋回和H事件在该黄土剖面中均有记录(图 3i)。与中国黄土高原靖远黄土记录[14]对比，发现在末次冰期中亚的湿度变化与东亚季风区呈同相位变化，但前者更明显，进而认为中亚的湿度变化比东亚黄土记录更能够直接、迅速地响应北大西洋的气候变化。虽然该剖面的年代是建立在曲线对比的基础上，缺乏绝对年代学控制，但至少说明末次冰期千年尺度的快速气候变化的事实在塔吉克斯坦东南部是存在的。
虽然中亚地区不同黄土剖面的粒度、磁化率、矿物等指标表现出快速变化的特征，部分事件能与格陵兰冰芯氧同位素记录在亚轨道尺度突变事件进行对比，但是不同指标对千年尺度气候突变事件的敏感度明显不同。总体而言，粒度变化对冷事件的响应最为迅速，元素比值及磁化率次之，矿物含量对暖事件的响应较其他指标更敏感，这可能归因于不同指标对不同气候要素的响应存在差异。但由于缺乏高分辨率的年代，这些气候突变事件持续时间及变化幅度的对比仍需要做大量的研究工作。
4 西风区快速气候变化事件在中亚不同沉积记录中的对比及可能的驱动机制大量的地质证据表明末次冰期存在显著的千年尺度气候突变事件，即Dansgaard-Oeschger(D-O)和Heinrich (H)事件，这些快速气候变化事件不仅仅局限于北大西洋高纬地区(图 4a)[4]，在其他海区的深海沉积(图 4b)[83]及中纬度西风区也广泛存在[69~76, 79~80]。除了上述黄土沉积物之外，在其他不同地质记录及模拟数据中也能识别出一系列的千年尺度气候突变事件的信号。例如石笋δ18O记录[84](图 4c)及基于全球气候模式的长期瞬变模拟结果[85](图 4d)，也表明末次冰期中亚地区大气环流强度变化与北大西洋地区气候变化密切相关。在伊犁盆地黄土记录中，突变事件的发生对应于黄土中矿物含量和粒度组分的变化，冷事件发生时，黄土中石英含量会增加[71](图 4e)，相应地细颗粒组分会减少[71](图 4f)或粗颗粒组分增多[71~72](图 4g和4h)，其粗颗粒变化幅度比东亚季风区临夏合作黄土记录[86]更明显(图 4i)。在石笋记录中，Cheng等[87~88]发现代表中亚北方春夏季降雨的特克斯科桑石笋δ18O[87]和代表中亚北方冬季降水的乌兹别克斯坦Tonnel'naya洞石笋δ18O[88]具有非常相似的变化趋势，而且保存在这两个洞穴记录中的千年尺度气候突变事件(如YD，大多数的D-O事件(8~25)与格陵兰冰芯氧同位素[4]和亚洲季风区石笋氧同位素记录[89](图 4j)的千年尺度气候事件在时间位置上非常一致，而中亚石笋δ18O的变化很大程度上反映了大气降水δ18O的变化，进一步证实千年尺度事件在中亚地区的存在与大区域尺度大气环流有关。在中亚地区东部，塔里木盆地东部罗布泊湖相沉积中不仅保存有至少4次类似于GISP2冰芯记录的D-O旋回，还存有H2、H3及YD等快速气候变化事件的信号[90]。塔克拉玛干沙漠南缘的克里亚绿洲沉积中也保存有与格陵兰/东亚夏季风间冰阶几乎同步的千年尺度湿润事件[91]。以上说明千年尺度气候突变事件在中亚不同地区均有记录，但是不同地质载体和各类指标对这些气候突变事件的响应存在明显差异，主要表现在突变事件发生时间不一致(如黄土记录，见图 3b~3i)，说明不同沉积序列年代的可靠性直接制约着对气候突变事件的特征和规律的理解。因此，提高地质记录尤其是黄土的测年精度是非常有必要的。
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图 4
中亚黄土粒度及矿物记录与格陵兰冰芯氧同位素记录及其他记录对比
数字1-19代表间冰阶暖事件，H1~H6代表Heinrich冷事件 (a)格陵兰冰芯氧同位素记录[4]；(b)伊比利亚MD01-2444钻孔U37k′-SST[83]；(c)东地中海Soreq石笋δ18O记录[84]；(d)中亚年平均降雨量模拟记录[85]；(e)昭苏波马(ZSP)剖面黄土石英含量[71]；(f)ZSP黄土剖面中 < 10 μm组分含量[71]；(g)ZSP黄土剖面中>40 μm组分含量[71]；(h)尼勒克(NLK)黄土剖面中EM1端元变化[72]；(i)合作(HZ)黄土剖面中>40 μm组分含量[86]；(j)东亚石笋δ18O记录[89] Fig. 4 Comparisonof grain size and mineral records of Central Asian loess with Greenland ice core oxygen isotope records and other records. Arabic numbers:Interstadials warm events; H:Heinrich cold events. (a)Greenland ice core oxygen isotope record[4]; (b)U37k′-SST in a composite of cores MD01-2444 from Iberian Margin[83]; (c)Stalagmite δ18O record from Soreq cave, Eastern Mediterranean[84]; (d)Modeled mean annual precipitation in Central Asia[85]; (e)Quartz content in ZSP[71]; (f)Grain size(< 10 μm)content in ZSP[71]; (g)Grain size(>40 μm)content in ZSP[71]; (h)EM1 grain size variability in NLK[72]; (i)Grain size (>40 μm)content in loess record of Hezuo basin[86]; (j)Stalagmites δ18O record from East China[89] |
季风区与西风区记录，以及与北大西洋记录和格陵兰冰芯的可对比性说明这些快速气候变化事件至少是半球甚至全球性的，那么是否存在区域差异这是值得思考与研究的问题，至少基于目前中亚西风区黄土记录是有差异的，表现为并不是每个事件都能对应上深海或冰芯记录(图 4)，中亚地区的快速变化信号除了通过中纬度西风带传递外，千年尺度的气候信号亦可通过高纬度的西伯利亚高压来传递[72]。另一方面，通过与季风区的黄土[86]及石笋氧同位素记录[89]的比较能够看出，中亚地区的黄土中矿物(图 4e)[71]记录的千年尺度气候变暖事件比在季风区黄土和石笋中观察到的更为清晰，北大西洋高纬地区的气候突变信号很有可能是通过西风从中亚传到东亚地区的，当然这还需要更多的地质证据和古气候模拟证实。
千年尺度气候突变事件的驱动机制一直是诸多学者研究的重点。对于千年尺度事件在中亚地区的发生机制目前有两种说法：1)北大西洋及其周边地区的温度变化及大气环流变化导致西风带和亚洲夏季风之间边界的变化，即西风的极向迁移使得亚洲夏季风的边界能够到达中亚地区[22, 30, 87]；2)北大西洋高纬地区的温度变化使得高纬地区的冰盖面积变化，极地高压的强度也随之改变，进一步导致西风带的位置变化[6, 13, 46]。对于这两种说法目前没有统一的认识。结合中亚地区已有黄土记录的研究，主要从粒度变化的角度来探讨，我们认为可能是由于淡水注入导致冷事件的发生，从而引起北大西洋海表温度降低，蒸发量减少，北大西洋上空大气中水汽含量也相应减少，而北大西洋作为中亚地区主要的水汽供应者，其水汽输出量的减少会直接导致西风搬运到中亚地区的水分减少，进而造成气候的干旱[92]。由此可见，中亚地区末次冰期气候变化与北大西洋气候变化有密切的关系。从风动力强度的变化看，冰阶时(冷期)，北大西洋高纬地区温度降低，冰盖面积扩大，反射率增加，地表冷空气积聚，导致西伯利亚高压增强，中亚地区风动力增强，迫使西风带向南迁移(图 5a)；反之，在间冰阶时(暖期)，北大西洋高纬地区气候相对温暖，冰盖面积缩小，致使西伯利亚高压减弱，中亚地区风动力也相应减弱，西风带向北撤退(图 5b)[13, 46, 71]，对流层低层由低纬经阿拉伯海向北输送至中亚南部的偏南强气流(印度洋暖湿气流)[16，20，22，92~94]，也成为中亚水汽输送的来源之一。
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图 5 中亚地区末次冰期千年尺度快速气候变化的驱动机制示意图 Fig. 5 Thedriving mechanism of the millennial-scale rapid climate change in the last glacial period in Central Asia |
本文系统地回顾了中亚西风区黄土与古气候研究的动态。依据中亚西风区黄土沉积特征与现代气候特征，将中亚黄土分为西部、北部和东部3个亚区，分别具有不同的大气环流和水热组合条件：西部亚区为西风主导区，受印度洋季风影响，黄土-古土壤序列发育清楚，与中国黄土高原类似，古土壤具有较高的磁化率值；北部亚区受西风和西伯利亚高压和北冰洋气流的共同影响，成壤作用较弱，磁化率值和地层的关系与海拔高低有关；东部亚区主要沉积以砂黄土为主，成壤作用不明显。已有研究表明粒度、矿物学、地球化学等指标均能指示中亚末次冰期确实存在千年尺度的快速波动信号，确认了Henrich冷事件、D-O旋回的存在，粒度变化对冷事件的响应最为迅速，元素比值及磁化率次之，矿物含量对暖事件的响应较其他指标更敏感[71]。本文初步的综合对比研究表明中亚末次冰期快速气候变化过程与东亚季风区黄土、石笋记录及高纬地区的海洋和冰芯记录具有一定相似性，但在年代和变率上与全球和东亚季风区存在差异，这种差异除了因为缺乏精确的年代学控制外，还与区域水热组合和区域地形结构有关。这些冷暖的快速气候变化与北大西洋高纬地区冰盖收缩扩张、西伯利亚高压强度和范围的变化导致风动力变化和西风带南北迁移有关。
虽然目前在中亚不同黄土剖面及其他地质记录中检测出了一系列的快速气候变化事件，并能较好地与格陵兰冰芯氧同位素进行比较，但由于测年精度和指标敏感性的限制，加之受地貌与区域气候环境影响，黄土沉积中的代用指标所反映的千年尺度事件的发生时间及响应的敏感程度不同，千年尺度事件的发生年代和变化幅度上也存在较大差异。这不仅与测年精度有关，而且还可能与千年尺度事件信号的传播方式有关系。所以，在中亚不同地区广泛地采集高分辨率的样品并结合精确的定年技术来分析不同地理单元千年尺度气候变化的幅度差异和相位差是非常有必要的。
通过中亚不同地区降水、温度变化与大气环流、水汽来源的现代过程研究，进一步甄选中亚黄土中有效的、能够独立反映风力强度、源区信号、古温度、古降水等要素的指标，这对研究中亚地区黄土记录的千年尺度气候突变事件也至关重要。将来的研究也需要开展更多特征时段的数值模拟，结合不同的气候系统模式下的瞬变的强迫条件，如地球轨道参数、大气CO2浓度、北半球海陆冰盖面积及北大西洋(50°~70°N)淡水注入强迫等，全面探讨中亚干旱区气候环境对全球尺度气候变化过程的反馈作用和响应机理，通过黄土等气候代用资料与模式模拟结果的对比分析来弥补代用气候资料的局限性。
致谢: 衷心感谢中国科学院中亚生态与环境研究中心陈曦、李耀明、吉力力·阿不都外力等和中国科学院地球环境研究所“一带一路”气候环境研究中心对中亚各国野外工作的支持和帮助。感谢杨石岭、昝金波和杨美芳以及评审专家对论文初稿提出的宝贵意见。
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2 CAS Center for Excellence in Quaternary Science and Global Change, Xi'an 710061, Shaanxi;
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
4 Institute of Geology, National Academy of Sciences of Kyrgyz Republic, Bishkek, 720040, Kyrgyzstan;
5 Institute of Geology, Earthquake Engineering and Seismology, Academy of Sciences of Tajikistan, Dushanbe 734063, Tajikistan;
6 Research Center for Ecology and Environment of Central Asia(Dushanbe), Dushanbe 734063, Tajikistan)
Abstract
The rapid climate fluctuations(abrupt events) have been reported in a worldwide region, which have attracted lots of attention in Quaternary paleoclimate field. With the increasing of high-resolution geological records from different regions and the improvement of dating methods, regional differences of ages and amplitudes have been observed, the driving mechanism and involved areas of these events are still controversial. Previous studies of the abrupt climate events are mainly from polar ice cores, deep-sea sediments and loess, stalagmites, lacustrine sediments in the East Asian monsoon region, whereas such events have a noticeable lack of reports from the westerlies-dominated arid Central Asia. Comparing the details of changes between these regions is helpful to understand the regularity and driving mechanisms of rapid climate change. In this paper, we report rapid climate oscillation recorded in the loess deposits from arid Central Asia.Central Asia is one of the most significant loess regions on Earth, located between the well-studied European loess sequences to the west and the extensive Chinese Loess Plateau to the east. Widely distributed loess in alluvial plains, terraces and piedmonts of the Tianshan Mountains and adjacent area has provided an opportunity to identify rapid climate fluctuations in Central Asia. Based on the investigations of loess characteristics and the modern climatic features, we propose that the Central Asia loess belt can be divided into three sub-regions(zones). Zone Ⅰ affected by Mediterranean climate and Indian monsoon is located at the south of Western Tianshan and the west to longitude 75°E, it has obvious loess-paleosol sequences, and the paleosol units have strong pedogenesis and high susceptibility values, which are comparable to those of the CLP. Zone Ⅱ located in the north of the Tianshan Mountains, the climate involves the Siberian High and the Arctic air mass, no obvious pedogenesis phenomenon can be observed in the low altitude area, and the magnetic susceptibility value is inconsistent with the stratum, but weak pedogenesis can be found in high altitude mountainous areas with abundant precipitation. Zone Ⅲ mainly located in the Tarim Basin, because of the extreme drought climate, there are no obvious pedogenesis in loess sediments.This paper reviews the state-of-the-art status and problems of the rapid climate oscillation recorded in Central Asian loess during the last glacial period, and preliminarily discusses their formation process and driving mechanism. Several proxies e.g. grain size, mineralogy and geochemistry indicate that these millennial-scale abrupt climate events such as Heinrich and Dansgaard-Oeschger events during the last glacial period were undoubtedly imprinted in Central Asian loess, however, there are regional differences in the time and variability to some extent. We speculate that these differences are not only related to precise and reliable geochronological methods but also related to hydrothermal combination of regional climate and local topographical characteristics. Moreover, it is concluded that occurrences of these abrupt cold/warm events are closely linked to the retreat and expansion of the ice sheet in the high-latitudes regions of North Atlantic, the changes in intensity and extent of the Siberian High pressure and shifts of the mid-latitude westerlies belts swinging northward in warm periods and southward in cold periods. In the future, we should pay more attention to establishing high-resolution chronology sequences of Central Asian loess, to developing more effective indicators which can independently reflect wind intensity, distinguish provenances, reconstruct paleotemperature and paleoprecipitation, and it is also crucial to combine paleoclimate model simulations to study their possible driving mechanism.