2020, Vol.40
2 虚拟地理环境教育部重点实验室(南京师范大学), 江苏 南京 210023;
3 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 江苏 南京 210023;
4 南京旅游职业学院, 江苏 南京 211100)
近2000年来气候变化与人类文明的演进、历史朝代的更替、农业文化的发展息息相关，因而这一时期气候变化特征及其机制备受关注。这一时期气候演化覆盖了3个典型气候期，分别是黑暗时代冷期(Dark Ages Cold Period，简称DACP，400~800A.D.)，中世纪暖期(Medieval Warm Period，简称MWP，800~1300A.D.)和小冰期(Little Ice Age，简称LIA，1300~1800A.D.)[1~3]。由于MWP是距现代暖期最近的一次显著气候增暖时期，且发生在工业革命以前，被认为是在气候自然变率下产生的暖期，因而成为与现代暖期相比较的历史相似型，受到气候学家们的广泛关注[2~3]。LIA是距现代最近的全球性典型寒冷气候期[1, 4]，因此LIA时期不同区域的气候变化特征及其动力学机制研究是学术界的研究热点[5~7]。DACP是发生于LIA之前的一次气候转冷过程，对比研究DACP与LIA的气候变化特征将有助于我们更好地认识冷期的季风行为特征和动力学机制。然而，这些气候期在不同记录中的起止时间和持续时间存在差异，各阶段的季风气候特征也未达成一致认识[8~10]。甘肃万象洞石笋记录[11]与陇西地区干湿指数重建结果[12]显示中世纪暖期季风降水增加，以湿润气候为主；小冰期时期季风降水减少，以干旱气候为主。Paulsen等[13]利用陕西Buddha洞石笋重建了中国中部1270年来的气候变化，石笋δ 18O和δ 13C记录均显示中世纪暖期干燥，小冰期湿润。另有研究显示，中国东部季风区北方地区中世纪暖期较湿润，小冰期较干燥，南方则相反，呈现南北两极降水模式[6~7, 14~15]。上述典型气候期的季风降水模式被认为与热带太平洋海气耦合过程密切相关[6~7, 14~15]。赤道东太平洋海表温记录则显示950~1250A.D.(对应北半球的中世纪暖期)期间海表温偏冷，为类拉尼娜模态；1400~1700A.D.(对应北半球的小冰期)期间海温偏暖，类似于厄尔尼诺模态[1, 16]。因而，了解各阶段的季风降水特征及其与海气相互作用的关系对于评估未来降水变化和水资源管理具有重要意义。
近年来，石笋在最近2000年高分辨率气候重建研究中取得迅速发展，百年-年代尺度，甚至年际尺度季风变率已被大量高分辨率石笋记录所捕获，但关于百年-年代尺度季风变化规律及其机理仍然存在不确定性。大量季风重建记录显示在长时间尺度上不同记录之间具有较好的一致性[17~21]，但在短时间尺度上，不同记录之间则表现出一定的区域差异性[14, 22~23]。其原因可能与不同尺度气候变化的控制因子不同有关：轨道尺度季风演变可能直接响应于太阳辐射变化[18, 21]，千年尺度季风突变可能响应于南北高纬气候变化[19~20]，百年-十年尺度变化可能受控于太阳活动和海气相互作用[24~25]，年际尺度变化可能响应于热带海气耦合过程[26~27]。例如，中国董哥洞石笋δ 18O序列与大气14 C记录对比发现，二者在百年-十年尺度变化特征上高度相似，揭示了亚洲季风变化与太阳活动之间的紧密联系[24~25]，这一发现也得到了其他太阳活动指标记录的进一步证实[28]。由于近2000年以来太阳活动变率较小，太阳活动能否直接驱动气候变化仍然存在较大争议。近年来，大量研究发现气候系统内部变率对季风变化具有重要影响，海气相互作用被认为是太阳活动信号的放大机制和传输机制，进而在百年-年代际尺度上影响季风气候变化[6, 9, 14, 29~31]。然而，关于最近2000a东亚季风快速变化的特征及其成因机制尚不明确，需要高分辨率、高定年精度的代用指标进行深入研究。
本文选取位于长江中游湖北落水洞精确定年的高分辨率石笋(LS45)记录，探讨近2000年来典型气候期季风演化特征，重点关注黑暗时代冷期向中世纪暖期的季风快速转型过程，分析在自然变率背景下季风突变行为的动力学机制，从而为模拟和预测未来气候变化提供数据支撑与理论依据。
1 材料和方法本文研究样品LS45采集于湖北恩施咸丰县落水洞(29°44′N，109°7′E；图 1)。落水洞位于大巴山脉南坡，洞口海拔约975m，洞穴发育在二叠纪灰岩上。该区域属于亚热带季风区北缘，夏季高温多雨，年均降雨量约1500mm，年均温约14℃。降水主要集中在5~8月份，达到900mm，占全年总降水量约60 % (http://data.cma.cn/site/index.html)。落水洞洞穴内部温度较为稳定，约14.5℃，与洞外年均温度相似。洞穴内相对湿度约97 %。目前已探测的落水洞长度大约为1071m，洞穴盖板厚度大约为30m，上覆土壤厚度较薄，洞外植被主要为灌木和草本植物[32]。
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图 1 湖北落水洞与其他洞穴地理位置示意图 底图为850mb风场图(1948~2018年6~8月平均)，风速为13m/s，数据来源为https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/getpage.pl Fig. 1 Locations of the Luoshui Cave and other sites mentioned in the paper. The base map is the 850mb wind field figure(average from June to August, 1948~2018), the wind speed is 13m/s, and the data source is https://www.esrl.noaa.gov/psd/cgi-bin/data/getpage.pl |
LS45石笋(图 2)全长237mm，柱状。沿生长轴切开并抛光后发现，石笋剖面的前半部分(约0~130mm)颜色较浅，后半部分(130~237mm)颜色较深，岩性基本一致，由纯净透明的方解石组成，颜色以灰白色为主，硬度均一，顶部生长段有溶孔。距顶约130mm处存在显著的暗色条带(图 2)，从岩性特征上基本可以判定为沉积间断，因此本文集中研究距顶130mm部分。
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图 2 落水洞石笋LS45抛光面 红色圆点为采样点，石笋LS45顶部溶孔照片(a)及其暗色条带放大图(b) Fig. 2 Polished surface of sample LS45. The red dots are the sampling points, dissolved pores at the top of sample LS45 (a) and higher magnification view of dark band (b) |
样品抛光后，采用直径0.9mm的牙钻钻头分别在抛光面上距顶5mm、64mm、80mm和130mm处钻取4个粉末样品用于U-Th测年分析，测试仪器为多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)，由南京师范大学石笋同位素实验室完成，化学分离和分析测试方法参照Shao等[33]和Shen等[34]，年龄误差为±2σ。在抛光面上距顶11mm、37mm、55mm和85mm处另钻取4个粉末样品用于U-Th测年分析，测试仪器MC-ICP-MS，由南洋理工大学新加坡地球观测台同位素地球化学实验室完成，测试方法参照Shen等[35]和Cheng等[36]。采用直径0.5mm的牙钻钻取氧碳同位素样品，沿生长中心轴每间隔0.5mm取样，共获取260个样品。牙钻钻取法采样量少且深度浅，采样相对方便，不易受污染且不容易串层。采用碳酸盐自动进样系统(Kiel Carbonate Device)和Finnigan-MAT253质谱仪联机对同位素进行分析测试，测试过程中平均约每12个测试样品间插入1个国际标准样品(NBS-19)，VPDB标准。δ 18O的测试精度优于0.06 ‰，δ 13C的测试精度优于0.05 ‰，由南京师范大学地理科学学院同位素质谱实验室内完成。
2 结果 2.1 时标的建立本文U/Th测年结果显示，LS45石笋238 U含量较高(630~1048 ug/L)，232 Th含量变化较大(174~2779 ng/L)，年代误差基本在±9~19 a内。其中85mm处样品可能受到本底污染，测年误差较大，导致时标不确定性大幅增加，故本文仅采用7个年龄点模式(表 1)。LS45石笋在本文研究时段岩性均一，生长连续，沉积速率较稳定(平均速率为0.083mm/a，图 3)，因此本文选用MOD-AGE[37]函数模型建立时间标尺及其置信度范围，以减少年龄点之间内插时标可能导致的误差。模拟时标显示LS45样品生长在280~1850A.D.时段，持续约1570 a，平均分辨率为6a，覆盖包括DACP、MWP和LIA这3个典型气候期。
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图 3 MOD-AGE模型[37]建立的LS45石笋年龄模式图 黑点及垂直误差棒分别为实测年龄及对应2σ误差；中间红线为年龄模式，黑线为95 %置信度范围，蓝线为线性内插年龄模式 Fig. 3 Age model of stalagmite LS45 reconstructed by MOD-AGE program[37]. he black dots and vertical bars mark 230Th ages and 2σ errors, respectively. The red, black and blue lines indicate the modeled age frame, the corresponding 95 % confidence level and the linear interpolation frame, respectively |
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表 1 样品LS45石笋230Th年龄结果* Table 1 230Th dating results of sample LS45 from Luoshui Cave |
LS45石笋δ 18O序列的波动范围在-8.2 ‰ ~-7.3 ‰之间，平均值约-7.7 ‰，最大振幅为约0.9 ‰，百年-十年际尺度振荡旋回显著(图 4)。根据δ 18O序列变化特征，可以大致分为3个主要时段，主要包括：两个δ 18O值整体偏正时段，即280~800A.D.大致对应DACP和1400~1850A.D.大致对应于LIA；一个δ 18O值整体偏负时段，发生在800~1400A.D.，大致对应于MWP(图 4)。
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图 4 石笋LS45δ 18O与δ 13C记录对比 紫色误差棒为采样点误差 Fig. 4 Comparison of stalagmite LS45δ 18O and δ 13C records. The purple bars are the sampling point error |
石笋δ 18O作为气候代用指标的首要条件为石笋沉积过程中δ 18O达到平衡分馏[38]。依据Hendy准则[38]，在石笋LS45分别选取5个不同的生长层，每层自生长轴心向两侧以2mm间距取5个样品进行氧碳同位素分析。如图 5所示，每个生长层δ 18O值变化基本一致，其标准差均落在0.05 ‰ ~0.10 ‰范围内。相关性分析结果显示，在同一生长层上δ 18O与δ 13C之间的相关系数在0.2~0.3之间，表明无显著相关。同时，沿生长轴方向δ 18O与δ 13C之间也没有显著的相关性(R2=0.09)(图 5)。因此，石笋LS45受动力分馏影响较小，δ 18O信号接近于平衡分馏。进一步将落水洞记录与同位于湖北地区相距约300km的和尚洞石笋HS4记录[8]进行重现性检验(图 6d)。在测年误差范围内，两者重叠时段(约280~1850A.D.)的变化特征相似，如在DACP和LIA时期石笋δ 18O值整体偏正，而MWP时期δ 18O值整体负偏，在这3个特征气候期内部还存在相似的数十年尺度振荡旋回；在DACP向MWP转换时期均呈现显著的δ 18O值快速偏负过程。上述重现性对比结果进一步支持δ 18O作为古气候重建代用指标的可靠性，而同一区域不同洞穴石笋δ 18O信号的相似性也说明两者可能受控于相同的气候因子[39]。
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图 5 石笋LS45的Hendy检验结果 Fig. 5 Hendy test results for stalagmite LS45 |
中国季风区洞穴石笋δ 18O信号的气候意义仍存在争议[40~45]，目前关于石笋氧同位素较为一致的认为是在轨道-千年尺度上石笋δ 18O能反应亚洲夏季风(ASM)强弱的变化[24, 46]，而短尺度(百年尺度-年际尺度)气候意义可能较为复杂[26, 40]。理解石笋δ 18O的机制成因必须追溯洞穴外部信号输入，洞穴石笋δ 18O主要继承了洞外降水δ 18O变化。全球现代降水同位素时空变化研究表明，降水δ 18O可能受到多种“效应”的影响，包括温度效应、海拔效应、大陆效应、环流效应、雨量效应[47~49]。落水洞顶板较厚，洞穴环境较为封闭，洞内温度较为稳定，因此石笋在沉积过程中受温度效应影响较小。由于洞穴位置比较固定，相对于同一洞穴石笋而言，大陆效应和海拔效应对石笋氧同位素的影响可以不予考虑。现代器测数据显示，年降雨量和雨季降水量仅在500km范围内变化一致[43]，但雨水同位素组成可在更大空间尺度上保持一致[50]，降水δ 18O信号可能反映了大尺度大气环流过程。和尚洞石笋研究发现δ 18O记录与反映区域降水变化的微量元素数据对比具有很好的相似性[51]，同时与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数和太平洋年代际振荡指数具有较好的相关性，由此认为石笋δ 18O信号在百年-十年尺度上响应于东亚夏季风环流及其降水变化[51~52]。基于落水洞石笋δ 18O记录和和尚洞记录的相似性，本文支持长江中游石笋δ 18O记录反映东亚夏季风强度和/或夏季风降水的观点，季风降水增加δ 18O偏负，反之亦然[46, 51]。
3 讨论 3.1 近2000年的季风变化特征及其机制LS45记录显示过去2000年东亚夏季风强度整体呈现减弱趋势(图 6e)，在长期减弱趋势上叠加了3个典型气候期，分别对应于DACP、MWP和LIA，这一特征与亚洲季风区其他地质记录(和尚洞HS4石笋、万象洞WX42B石笋和印度Dandak洞石笋)[8, 11, 53]以及Laguna Pallcacocha沉积物红度记录[54]存在较好的一致性(图 6)。LS45石笋δ 18O值在DACP时期整体偏正，指示东亚夏季风强度偏弱，且该时段内季风呈显著减弱趋势，这一特征得到同一区域和尚洞石笋记录[8]和中国北方万象洞石笋记录[11]的支持，表明在DACP时期，东亚夏季风呈现出比较一致的减弱趋势。不同的是，中国北方万象洞石笋记录[11]的DACP似乎比长江中下游落水洞和和尚洞记录[8]晚约180a，这可能有两方面的原因，一是由于区域气候环境可能存在差异，万象洞位于东亚季风边缘区，季风水汽输送距离更远，且受西风急流影响较大，而落水洞和和尚洞所在长江中游地区可能受梅雨气候的影响较大；二是因为不同石笋记录年代学的不确定性，同位素分辨率及其信噪比不一致。印度Dandak洞记录[53]同样显示该时期石笋δ 18O整体偏正，印度夏季风强度相对较弱。上述对比结果表明在DACP时期，亚洲夏季风变化在较大区域内存在较好的一致性(图 6)。在MWP时期，亚洲季风区石笋δ 18O记录整体偏负，指示亚洲季风强度整体偏强，并显示出MWP存在快速开始，相对缓慢结束的特征(图 6)。然而，这些石笋记录也存在一定的差异，如MWP内部印度Dandak洞、和尚洞和万象洞记录显示2~3个百年尺度波动，而LS45记录百年尺度波动特征不明显，但呈现数十年尺度的高频振荡特征，这种差异的原因尚不清楚，可能与洞穴区域气候环境或者岩溶系统导致的信噪比差异相关。LS45记录显示在LIA时期(1400~1850A.D.)石笋δ 18O整体偏正，指示夏季风显著减弱，这一特征与亚洲季风区石笋记录具有较好的一致性(图 6)。这些石笋记录显示在LIA期间δ 18O均值整体较DACP更为偏正，指示其为过去2000年亚洲季风最弱时期。LIA期间温度和降水量显著降低，低温干旱导致粮食产量显著减少，可能导致严重的社会动荡，并最终致使明王朝的灭亡[11]。
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图 6 不同洞穴石笋δ 18O记录对比 (a)Laguna Pallcacocha沉积物红度数据[54]；(b)印度Dandak洞δ 18O记录[53]；(c)甘肃万象洞WX42B石笋δ 18O记录[11]；(d)湖北和尚洞HS4石笋δ 18O记录[8]；(e)湖北落水洞LS45石笋δ 18O记录灰色阴影部分指示DACP，红色阴影部分指示LIA，黄色阴影代表DACP-MWP快速转型 Fig. 6 Comparison of different stalagmite δ 18O records from multiple caves. (a)A record of red colour intensity of sedimentation in Laguna Pallcacocha[54]; (b)Stalagmite δ 18O records from Dandak Cave in India[53]; (c)δ 18O records of stalagmite WX42B from Wanxiang Cave in Gansu Province[11]; (d)δ 18O records of stalagmite HS4 from Heshang Cave in Hubei Province[8]; (e)Stalagmite δ 18O record of stalagmite LS45 from Luoshui Cave in Hubei Province(this study). The grey, red and yellow shadows indicate DACP, LIA and the DACP-MWP transition event, respectively |
亚洲季风区石笋记录揭示了过去2000年季风降水变化存在3个持续数百年的典型气候期[11]，然而对典型气候期内部的短尺度振荡旋的认识仍存在不足[4, 22]。在DACP时期，LS45石笋δ 18O记录显示在季风持续偏弱的背景下至少存在3次显著的偏正过程，持续时间约40~100 a，变化幅度约0.5 ‰ (图 6e)。这些弱季风事件在和尚洞[8]和万象洞石笋记录[11]中均有显示(图 6c和6d)。尽管没有记录到完整的DACP，印度Dandak洞石笋记录[53]也清晰地显示存在3次δ 18O值快速偏正时期(图 6b)。MWP以季风增强为主要特征，但是其内部仍存在多次季风强弱波动。LS45δ 18O记录显示在MWP存在多次十年际尺度振荡旋回，幅度约0.4 ‰，持续时间约60~100 a。中国和尚洞[8]和万象洞石笋记录[11]，以及印度Dandak洞石笋记录[53]均显示在MWP期间存在2~3次百年尺度季风波动(图 6)。虽然在MWP期间石笋记录的内部振荡频率可能存在差异，至少说明MWP期间季风强度变化并不稳定。之前研究显示在LIA亚洲季风变化并不是持续减弱，其内部存在季风增强过程[8~9, 55]。LS45石笋记录显示LIA内部也呈现显著的不稳定状态，存在多次数十年尺度的强弱振荡旋回，振幅约0.6 ‰ (图 6e)。在LS45记录中，δ 18O值在约1590A.D.和约1700A.D.达到最大值(图 7f)，指示过去2000年来东亚夏季风最弱时期。同区域和尚洞石笋记录中也发现LIA期间δ 18O值存在两个极大值[8]，但是两个记录对比结果发现在年龄上存在显著差异，和尚洞石笋记录的LIA第一个极大值比落水洞记录早约70a，第二个极大值比落水洞记录早约120a。这可能与石笋测年结果的不确定性和所采用建立时标模式不同有关，就测年结果而言，近千年的石笋样品，越年轻则230Th测年准确度和精确度的误差越大。总体而言，同处于长江中游地区的和尚洞和落水洞石笋记录[8]在百年-十年尺度上表现出更为一致的变化特征，说明东亚夏季风变化可能存在区域性特征，而季风气候的区域差异可能是不同区域石笋记录的差异的重要原因之一。
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图 7 LS45δ 18O记录与其他代用指标对比 (a)厄尔尼诺/南方涛动[54]；(b)南方涛动指数(SOIproxy)[59]；(c)北半球温度[67]；(d)大西洋海表温度[65]；(e)太阳总辐射量(TSI)变化[28]；(f)湖北落水洞LS45石笋δ 18O记录蓝色阴影部分指示MWP，黄色阴影指示DACP-MWP快速转型 Fig. 7 Comparison of the records of LS45δ 18O and other records (a)El Niño-Southern Oscillation(ENSO)[54]; (b)Southern oscillation index (SOI)[59]; (c)Northern Hemisphere temperature[67]; (d)Atlantic sea surface temperature(SST)[65]; (e)Total solar irradiance(TSI)variation[28]; (f)Stalagmite δ 18O record of stalagmite LS45 from Luoshui Cave in Hubei Province(this study). The blue shadow indicates MWP and the yellow shadow denotes the DACP-MWP transition event |
以往研究结果显示东亚夏季风变率可能受到太阳活动、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、大西洋涛动等因素的影响[6~7, 9, 14, 28, 54, 56~59]。LS45石笋记录与太阳活动指标对比结果显示[28]，太阳活动增强时期与夏季风增强时段大致对应，反之亦然(图 7e)。但是由于在晚全新世太阳活动变化较小，仅仅约0.10 % ~0.26 % [56]，因此可能存在其他机制放大了太阳活动信号，进而对亚洲夏季风产生影响[59~60]。ENSO被认为可能是太阳活动信号的放大和传输机制[9, 24]。现代器测和地质记录研究均显示亚洲夏季风变化在多个尺度上与ENSO态变化存在较好的相关关系[61~64]。LS45石笋记录和南方涛动指数[59]对比发现(图 7b)，两者峰谷变化基本一致，显示了显著的相关性(r=0.58，n=263，p < 0.01)，表明反映东亚夏季风环流在百年尺度上可能受控于ENSO态的变化[24]。大西洋海表温度变化呈现出多年代际震荡特征，温度变幅约0.4℃，且存在65~80a周期，被称为大西洋多年代际震荡(Atlantic Multidecadal Oscillation，简称AMO)[65]。LS45石笋记录与AMO记录对比显示在百年尺度上两者存在相似的变化特征(r=-0.29，n=175，p < 0.01)，AMO偏正(负)与亚洲夏季风增强(减弱)相对应(图 7d)。这一对比结果支持AMO可能通过罗斯贝波和西风带对亚洲季风产生影响的观点[66]。
3.2 中世纪温暖期季风突变及可能机制落水洞LS45石笋记录显示亚洲夏季风从DACP向MWP转换过程中呈现出快速、突变的特点，该过程持续约40a，δ 18O变化幅度约0.7 ‰ (图 7f)。这一δ 18O快速偏负、季风迅速增强特征在高分辨率和尚洞[8]、万象洞[11]和Dandak洞石笋记录[53]中均有体现。其中，和尚洞记录的转型过程大约持续25a(变幅约1.3 ‰)[8]，万象洞持续约50a(变幅约0.9 ‰)[11]，Dandak洞持续约40a(变幅约1.5 ‰)[53]。虽然受限于年龄误差和样品分辨率差异，导致这一转型过程时间和振幅的差异，但是上述对比结果说明DACP-MWP快速转型在亚洲夏季风记录中具有普遍性，暗示这一时期可能存在大尺度大气环流重组或海气相互租用转型。
如图 7所示，LS45δ 18O记录与太阳活动[28]、ENSO活动指标[54]、北半球温度[67]和大西洋海表温度[65]记录在百年尺度上存在较为相似的特征，认为活动可能通过气候系统内部变率(如ENSO和AMO)影响亚洲夏季风变化。这里，我们将进一步探讨东亚夏季风DACP-MWP突变转型的可能成因(图 6和7)。将LS45石笋记录和Laguna Pallcacocha湖泊沉积物红度记录[54]对比发现DACP和LIA东亚夏季风减弱时期对应于厄尔尼诺频率较低时期，而MWP夏季风增强时期对应于厄尔尼诺频率增加时期。这一对比结果与LS45石笋记录和ENSO频率指数[54]、南方涛动指数[59]对比结果相一致(图 7a和7b)。尤其值得注意的是，石笋记录的DACP-MWP季风快速增强过程与Laguna Pallcacocha湖泊沉积物红度记录[54]指示的ENSO频率突然增加基本同步(图 6a和图 7a)，表明热带海气耦合的过程可能导致低纬大气环流重组，进而触发东亚夏季风强度快速突变。在DACP向MWP过渡时期，ENSO活动增强，事件频率突然增加[54, 68]，此时西太平洋暖池海温异常偏低，西太平洋副热带高压强度增强，位置从西向南移动，导致长江中下游流域受持续的梅雨锋控制，东亚夏季风降水快速增加。此外，过去研究结果显示东亚气候在百年-年代际尺度上可能与AMO存在密切的关系[69~70]，如Wang等[70]研究显示在过去1000年，中国温度变化与AMO存在显著的相关性，温度偏高时期与AMO的正相位相对应。器测数据研究也显示AMO变化是影响长江中下游区域降水量的重要因素[71~72]。LS45石笋记录与北大西洋海表温度(SST)数据[65]的对比显示，除了在百年尺度上两者存在相似的变化特征(图 7d)，DACP-MWP转型时期海表温快速上升与季风快速转型过程也具有较好的一致性，表明AMO的相位转型可能通过大气遥相关机制影响东亚夏季风变化。观测和模拟结果显示AMO相位变化和中纬度西风急流强度密切相关[73~74]。大西洋上空的负气压异常延伸到中纬度欧亚大陆，中纬度欧亚大陆近地面低压削弱了西伯利亚-蒙古高压，减弱了东亚冬季风的强度，可能导致次年的夏季风增强[73]。诊断模拟结果显示AMO暖相位，对流层上层存在一个从大西洋向欧亚大陆延伸的罗斯贝波，这意味着大西洋较高的海表温度可以直接导致亚洲对流层中上部升温，从而影响东亚夏季风强度及其降水变化[74]。LS45石笋记录与北半球温度重建对比结果[67]也显示了相似的对应关系(图 7c)，即北半球温度升高，东亚夏季风增强，DACP-MWP阶段北半球温度快速上升也与季风突变增强过程相一致。北半球快速增温将导致热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，简称ITCZ)快速北移，赤道气流增强，长江中下游流域的水汽输送增加，对应于东亚夏季风降水快速增加[54, 75]。石笋LS45记录与用冰芯和树轮指标重建的太阳活动记录[28]对比(图 7e)，结果显示太阳活动增强时，东亚夏季风强度增强，季风降水增多。DACP-MWP季风快速增强过程也大致对应于太阳辐射增加时期。总体而言，LS45石笋记录指示的东亚夏季风变化与气候系统内部变率(如ENSO和AMO)的相关关系比与太阳辐射的对比关系更为紧密。综合上述对比关系，我们发现东亚夏季风变化，包括季风突变转型过程，与太阳活动、北半球温度、大西洋涛动和ENSO等气候系统内外部因素密切相关，其中气候系统内部变率(如ENSO和AMO)可能是太阳活动调控东亚夏季风变化的重要放大机制和传输机制。
4 结论基于7个高精度230Th年龄和高分辨率δ 18O测试结果，落水洞LS45石笋提供了280~1850A.D.期间分辨率达6a的东亚夏季风强度演化序列。δ 18O序列的波动范围在-8.2 ‰ ~-7.3 ‰之间，最大振幅约0.9 ‰，整体上表现为逐渐偏正趋势，指示近2000年来东亚夏季风强度存在减弱趋势。在此长期趋势上叠加了百年至十年尺度振荡旋回：在280~800A.D.和1400~1850A.D.两个时段，δ 18O值整体偏正，指示弱东亚夏季风阶段，分别对应于DACP和LIA；800~1400A.D.期间，δ 18O值整体偏负，指示强东亚夏季风阶段，对应于MWP。同时，DACP、MWP和LIA期间并非是持续几个世纪的稳定季风时期，LS45石笋δ 18O记录显示其内部呈现显著的数十年尺度的强弱振荡旋回，振幅范围约为0.4 ‰ ~0.6 ‰。相似的百年-十年尺度变化特征也在亚洲季风区其他洞穴石笋记录(如和尚洞、万象洞和印度Dandak洞)中得到体现，虽然这些记录各自年代学都存在不确定性。
在DACP向MWP转换时期，LS45石笋δ 18O记录都出现了清晰的快速偏负过程，持续时间约40 a，变化幅度约0.7 ‰，指示亚洲夏季风突然增强。这一特征在和尚洞、万象洞和印度Dandak洞也有相似的表现，说明DACP-MWP转型过程中可能存在大尺度大气环流的重组，进而导致亚洲夏季风环流的突变。LS45δ 18O记录与太阳活动、ENSO活动指标、北半球温度和北大西洋海表温记录在百年-数十年尺度上存在较为相似的变化特征。在DACP-MWP转换时期，ENSO活动增强，事件发生频率突然增加，可能导致西太副高偏强，位置偏西偏南，长江中下游流域受梅雨锋持续控制，因而东亚夏季风降水快速增加。大西洋海表温快速上升与季风快速转型过程也具有较好的一致性，表明AMO的相位转型可能通过大气遥相关机制影响东亚夏季风变化。北半球快速增温也将导致ITCZ快速北移，穿赤道气流增强，长江中下游流域的水汽输送增加。DACP-MWP季风快速增强过程也大致对应于太阳辐射增加时期。本文认为太阳活动可能通过气候系统内部变率，如ENSO和AMO，进而调控东亚夏季风降水变化。
致谢: 感谢匿名审稿人和编辑部杨美芳老师提出的宝贵修改意见。
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,
Zhao Kan1,2,3
,
Cui Yingfang4,
Liang Yijia1,2,3,
Yang Shaohua1,2,3,
Wang Yongjin1,2,3
2 Key Laboratory of Virtual Geographic Environment(Nanjing Normal University), Ministry of Education, Nanjing 210023, Jiangsu;
3 Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, Jiangsu;
4 Nanjing Institute of Tourism&Hospitality, Nanjing 211100, Jiangsu)
Abstract
Here, we derive a precisely 230Th-dated and high-resolution stalagmite δ18O record from the Luoshui Cave (29°44'N, 109°7'E; 1071 m), Enshi, Hubei Province, Central China. This study region is located at the south slope of Daba Mountain Range and the northern edge of the subtropical monsoon region. The mean annual temperature in the cave is approximately 14.5℃ with relative humidity close to 97%.The stalagmite (LS45) was collected in the chamber with a total length of about 237 mm. This sample is divided into two sections of 0~130 mm and 130~237 mm because of growth hiatus at the depth of 130 mm, so, the section of 0 mm to 130 mm is the research area. Besides, the growth rate is stable throughout the entire stalagmite, as is by the 230Th dating results.When halved and polished, it is composed of pure and transparent calcite with homogeneous lithological characteristics. We present a continuous high-resolution record of EASM evolution from 280 A.D. to 1850 A.D., roughly contains three periods of Dark Times Cold Period (DACP), Medieval Warm Period (MWP) and Little Ice Age (LIA). This paleoclimate time sequence was established by 7 precise 230Th dates and 260 stable oxygen isotope ratios (δ18O). The dating measurements were then conducted by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometer (MC-ICP-MS) at the Isotope Laboratory of Nanjing Normal University, the error is ±2 sigma, and Isotope Geochemistry Laboratory at the Earth Observatory of Singapore, Nanyang Technological University. The oxygen isotopic analyses were run at the Isotope Laboratory of Nanjing Normal University with Finnigan MAT-253 mass spectrometer. Precisions for δ18O is ±0.06 ‰ and ±0.05 ‰ for δ13C.The δ18O values of the stalagmite (LS45) vary from -8.2 ‰~-7.3 ‰ and its maximum amplitude is close to 0.9 ‰, the average value is about -7.7 ‰, and the overall fluctuation range is small. The average δ18O values during the periods of 800~1400 A.D. is negative, implying relatively stronger ASM and corresponding to the period of MWP. And the average δ18O values during the periods of 280~800 A.D. and 1400~1850 A.D. is positive, implying relatively weaker ASM, corresponding to the period of DACP and LIA respectively. The general trend of δ18O record from stalagmite LS45 is temporally consistent with the stalagmite records from the Heshang Cave in Hubei, the Wanxiang Cave in Gansu, the Dandak Cave in India and a record of red colour intensity of sedimentary in Laguna Pallcacocha within dating errors.The LS45 δ18O record shows that the intensity of Asian summer monsoon (ASM) has decreased in the past 2000 years in general. Three episodes reflected in our record show weak-strong-weak pattern of monsoon, and is punctuated by several centennial-interannual scale oscillations throughout the entire studied interval. It is observed that ASM is strongly weakened during the DACP and LIA. However, we found that DACP and LIA were not continuous cold periods lasting for several centuries, and there were regular secondary fluctuations of warm and cold times within them. These two episodes, also recognized in other stalagmite records, corresponds to weak solar activities. But the factors of the monsoon system on the centennial-decadal scale are very complicated. Besides, at the transition from DACP to MWP, ASM strengthened abruptly, taking place in about 40 years, indicating a rapid atmospheric circulation transition. This fast process is also mirrored in Heshang Cave, Wanxiang Cave, Dandak Cave records and a record of red colour intensity of sedimentary in Laguna Pallcacocha, within dating errors. The abrupt monsoonal shift is consistent with a fast warming in the Atlantic sea surface temperature (SST) and Northern Hemisphere temperature, a sharp strengthening of both El-Niño activities and solar activities, this indicates that this mutation process is related to the increase of solar activity, Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) and the increase of El Niño -Southern Oscillation (ENSO) activity. In addition, ENSO and AMO may be important amplification mechanisms and transmission mechanisms of solar activity signals regulating the East Asian summer monsoon.