亚洲季风的多尺度变化规律及其与全球气候变化的关系

宗保云，李向磊，KATHAYAT Gayatri，杜文静，沙丽娟，李瀚瑛

研究亮点

亚洲季风的多尺度变化规律及其与全球气候变化的关系

宗保云，李向磊，KATHAYAT Gayatri，杜文静，沙丽娟，李瀚瑛

西安交通大学 全球环境变化研究院，西安 710054

在科技部“973”计划和国家自然科学基金委的资助下，西安交通大学全球环境变化研究院程海教授带领研究团队利用中国、印度、乌兹别克斯坦等地的洞穴石笋，重建了目前全球最长的，有绝对年代控制的高分辨率亚洲季风和中亚核心区气候变化的石笋记录，深入研究了不同时间尺度上亚洲季风的变化规律、影响机制及其与全球气候变化的关系。直接验证了10万年的冰期循环是4—5个岁差周期的平均，发现了高低纬气候系统之间的“简洁”关系，进一步证实亚洲季风与太阳辐射变化在岁差尺度上没有显著的相位差，揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合分异，研究了历史时期百到十年尺度的季风降水变化并尝试预估未来变化趋势。以上成果为全球气候变化研究提供了重要标尺，加强了对于气候系统相互作用、强迫因子及其响应机制的理解，为全球气候事件研究和模拟工作提供了重要的新线索，也为相关政府部门制定水资源的长期规划提供了科学依据。

1 研究背景和意义

亚洲季风是全球气候系统的重要组成部分，对人口密集的亚洲地区的生产、生活具有直接影响。亚洲季风的变化规律、趋势及其与全球气候变化的联系一直是备受关注的科学问题。研究亚洲季风的变化规律和动力学机制，不仅有助于深入理解季风演变与全球气候变化的关系，还可以为我国经济发展和生态环境保护提供参考依据，具有非常重要的理论和现实意义。洞穴石笋由于具有分布范围广泛、可利用U-Th定年方法获得高精度的绝对年龄时标、蕴含多种指标、保存信息完整、氧同位素记录具有全球可比对性等优点，成为了亚洲季风乃至全球气候变化研究的重要地质记录载体，可用于重建不同时间尺度上的气候变化历史，也使得中国石笋记录研究在国际晚第四纪气候变化研究领域占重要位置。

西安交通大学全球环境变化研究院同位素实验室拥有世界领先水平的铀系测年技术和实验方法（Cheng et al，2013a），以及先进的超净实验室和多接收电感耦合等离子质谱仪（Nuptune Plus），是世界上一流的铀系年代实验室之一。实验室还拥有稳定质谱仪（MAT253和253 plus）及匹配的Kiel-Ⅳ碳酸盐进样系统、Micromill采样装置等仪器，在氧同位素测量方面也有所创新。研究团队创建了国内一流、国际领先的石笋研究平台，将研究目标定位于亚洲大陆，研究视角为全球气候变化。为了更好地理解全球气候变化的背景，研究团队在全球范围内进行野外考察和采样。除了在中国、印度和中亚等地区获得了重要的石笋样品并重建了相应的气候记录外，还通过合作在南半球毛里求斯、马达加斯加、巴西、秘鲁、哥伦比亚、亚马逊流域、非洲摩洛哥、地中海黎巴嫩、北美等地区获得了大量的石笋样品并取得了重要的研究成果（Cheng et al，2013b）。近10年来，研究团队凭借全球多地的高质量石笋样品、全球范围的研究视角、先进的仪器设备和实验方法，重建了目前全球最长的东亚季风、印度季风和中亚核心区气候变化的石笋记录，深入研究了不同时间尺度上亚洲季风的变化规律及其与全球气候的联系，并取得了一系列重要成果，这些工作也为确立中国石笋研究在国际上的领先地位做出了贡献。

2 研究成果

2.1 重建了目前全球最长尺度绝对年龄控制的高分辨率亚洲季风石笋记录，揭示了亚洲季风的多尺度变化规律、影响机制及其与全球气候的联系

基于在中国中部神农架三宝洞内新获得的洞穴石笋样品，利用高精度U-Th定年和稳定同位素测试分析，将亚洲季风的洞穴石笋氧同位素记录从过去37万年延伸至过去64万年，即到达了U-Th测年方法的年龄上限（Cheng et al，2016a）。该研究清晰刻画了过去7个“经典”冰期-间冰期的气候变化及其与其他千年气候事件的内在联系和共性。通过与海洋沉积和南极冰芯记录进行对比，发现在过去64万年中每隔4—5个岁差循环发生一次冰期终止，直接验证了10万年的冰期循环是4 — 5个岁差周期的平均（Raymo，1998）。考虑到中国石笋δ18O记录与北半球夏季太阳辐射的变化非常一致，将石笋δ18O记录去除太阳辐射信号便得到一个残余石笋δ18O记录（Δδ18O）。将南极冰芯温度记录（δD）去除长期变化趋势后，便得到一个去趋势的南极冰芯记录（ΔδD）。Δδ18O和ΔδD记录清晰刻画了全球千年气候事件的时间序列（图1），两者呈“双极跷跷板”（bi-polar seesaw）关系，均具有显著的岁差周期，并分别与6月21日的太阳辐射变化呈现反相位和同相位关系（图2）。揭示了太阳辐射对千年事件（包括冰期终止事件）的影响，从而解决“10万年周期困惑”（“100 ka problem”）这一直悬而未决的经典科学问题（Hays et al，1976）。

图1 东亚季风石笋记录和南极冰芯记录对比图Fig.1 Comparison of East Asian monsoon stalagmite records and Antarctic temperature variations

牛顿有过著名论断“自然界喜欢‘简洁’（simplicity）”，即自然界中的许多复杂现象的本质常常可以用一个简单关系进行表述，例如牛顿定律。在未对亚洲季风和南极温度记录进行数据处理和对比之前，很难想象如此遥远且不同的两个气候系统之间竟会有如此密切的内在联系。该研究通过对亚洲季风记录进行太阳辐射信号的剥离、南极温度记录进行去趋势处理，惊奇地发现处理后的千年或亚轨道尺度亚洲季风Δδ18O和南极温度ΔδD变化极其相似（图1D），且二者具有非常显著的反相位岁差及地轴倾角周期（图2），这一结果进一步揭示了南半球高纬度地区与北半球中低纬度季风（包括亚洲季风）气候变化之间的“简洁”关系，“值得气候模拟学界进行深入研究”（Wilson，2016）。

图2 交叉谱分析的对比图Fig.2 Cross-spectral comparison, ompared are insolation, AM, detrended (suborbital) AM and detrended (suborbital) Antarctic δD records over the past 640 ka BP

该研究还首次精确界定了亚洲季风MIS11阶段的起始时间和划分（Cheng et al，2016a）。由于地球轨道的三大参数在深海氧同位素11阶段（MIS11）时与全新世时期非常接近，这为研究全新世并预测未来的亚洲季风变化提供了典型的自然相似型，也为气候模拟研究提供了重要的背景参考。研究还发现最近2000年亚洲夏季风增强趋势与北半球夏季太阳辐射逐渐减弱的变化趋势并不相符，提出该季风异常及其全球气候变化背景类似于过去64万年中频繁发生的千年尺度气候事件，并将其命名为“2000年漂移”（2-ka shift），认为其触发机制很可能与北大西洋经向翻转流变化有关。这为有关的气候事件研究和模拟工作开拓了新的研究思路。

2.2 进一步证实亚洲季风与太阳辐射变化没有显著的岁差上的相位差，支持“季风降水响应于夏季太阳辐射变化”的经典预测

东亚季风和印度季风作为亚洲季风的两个子系统，二者与北半球太阳辐射以及二者之间是否存在岁差上的相位差一直存在很大争议。研究团队利用印度东北部Bittoo洞穴内的石笋，重建了第一条印度次大陆最长的、有绝对年龄控制的高分辨率印度季风石笋记录（从过去3万年拓展到28万年）（Kathayatet al，2016）。通过与中国境内的东亚季风石笋记录进行对比，发现东亚季风与印度季风变化在千年 — 轨道尺度上基本一致，而且二者与太阳辐射变化也基本同步，从而进一步证实东亚季风与印度季风在千年 — 轨道尺度上的相似变化、亚洲季风与北半球夏季太阳辐射变化没有显著岁差上的相位差。验证了35年前John Kutzbach关于“季风降水响应于夏季太阳辐射变化”的经典预测。

图3 过去28万年以来的东亚季风和印度季风记录对比图Fig.3 Comparison of ISM and EAM records over the past 280 ka

2.3 揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合和差异

研究团队利用中亚乌兹别克洞穴石笋的稳定同位素、微量元素等多项指标，重建了不同时间和空间尺度的西风气候变化历史，揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合与分异关系（Cheng et al，2016b），发现中亚乌兹别克斯坦地区和中国新疆科桑地区的石笋氧同位素组成变化在轨道尺度上与亚洲季风记录均表现出很强的岁差变化韵律，以及叠加的一系列千年尺度气候事件。揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间在大区域尺度上（supra-regional）具有密切的耦合关系（图4），也从气候记录上证实了气候模拟的重要结果：西风急流的强度和相对于青藏高原的位置变化对大范围的亚洲季风-西风带气候变化具有同步的关键影响。但是在另一方面，中亚乌兹别克斯坦地区和中国新疆科桑地区石笋的碳同位素和微量元素记录则指示两个地区的有效湿度变化与其大区域尺度上的变化具有不同模态，包括全新世时期，而且两个地区彼此之间也不尽相同，具有显著的区域差异。这一发现进一步解释了全新世湖泊记录所重建的全新世中亚西风带和亚洲季风在水文气候上的模态差异。

2.4 结合自然和历史记录，研究了汉江上游这一南水北调中线水源区最近500年的季风降雨变化及影响，尝试预估了该区未来降雨变化趋势

汉江上游是“南水北调”中线工程和“引汉济渭”工程的水源补给区。这一地区的降水带来的径流量变化不仅与陕南的环境及经济发展密切相关，也对“南水北调”中线工程和“引汉济渭”工程的水安全有重要影响。课题组通过汉中大鱼洞的石笋重建了最近500年以来汉江上游平均分辨率为1.3年的降雨变化历史。发现小冰期时该区降雨增多，气候湿润，显著不同于我国北方半湿润区的干旱“小冰期”；较早从古气候研究的角度确认了我国季风降雨在十到百年尺度上存在区域差异。

进一步发现大鱼洞内有近百处洞穴题词，题词中清楚记载了最近500年古人有7次因天旱而进洞取水或求雨的场景，年代分别为公元1528年、1596年、1707年、1756年、1839年、1891年和1894年。7次干旱事件都对应于该洞石笋的氧、碳同位素以及Sr/Ca比值的偏正变化（图5），支持大鱼洞石笋氧同位素和当地降雨的负相关关系。结合历史文献记录和石笋记录，揭示历史时期干旱事件，甚至是湿润气候背景下的短暂干旱，能对当地人民造成重要影响，甚至影响到当地社会的稳定。另外，建立数学模型，对石笋氧同位素序列进行了模拟和趋势预测。初步结果显示，汉江上游地区未来的降水量可能低于过去500年平均值。由于这一地区是南水北调中线以及引汉济渭工程的水源区，也是许多珍稀动植物的栖息地，因此，建议政府及早建立适应策略，以应对未来可能的降水减少及干旱事件（Tan et al，2015）。

2.5 从历史角度揭示我国西南地区年代际干旱过程和成因

我国西南地区最近60年季风降雨有下降趋势，伴随着降雨的下降，极端干旱事件频繁发生，造成了严重的社会财产损失。西南近年的干旱在历史上处于什么位置，是什么因素驱动了西南地区降雨的长期变化？未来将会如何发展？这是气候学界和社会关注的重要问题。课题组通过云南小白龙洞一颗石笋样品的氧同位素，在与观测记录对比的基础上，重建了西南地区公元1760年以来的季风降雨变化。发现最近250年，西南地区降雨有长期下降趋势，而2009—2012年的连旱是最近250年西南最干的时期（图6）。提出热带印度洋-太平洋的持续升温减弱了海陆热力差及来自孟加拉湾的水汽输送，可能是造成西南地区降雨长期减少的主要原因。西南地区的年代际干旱事件则主要是受赤道东太平洋海表温度年代际尺度类El Niño分布型的影响（Tan et al，2017）。已有数值模拟结果显示全球变暖情境下，热带海表温度可能继续上升，赤道太平洋也可能出现类型El Niño状态的海表温度分布。基于此，该项研究也警示西南降雨减少趋势继续发展的可能性。

图4 过去14万年以来亚洲季风、西风带气候和模拟结果的对比分析Fig.4 Comparison of climatic records and model results over the past 140 ka

图5 最近500年大鱼洞洞穴题词记录的干旱事件和石笋氧同位素（A）、碳同位素（B）以及Sr/Ca比值（C）的对比Fig.5 Comparison of drought events recorded in the inscriptions with speleothem δ18O (A), δ13C (B) and Sr/Ca records (C) in Dayu Cave during the last 500 years

图6 我国西南地区公元1760以来的降雨变化Fig.6 Precipitation variations in southwestern China since 1760 AD as recorded by stalagmite δ18O

3 影响及评价

（1）重建了目前全球最长尺度绝对年龄控制的高分辨率亚洲季风石笋记录（从过去的37万年拓展到64万年），揭示了亚洲季风的多尺度变化规律、影响机制及其与全球气候的联系。文章以Article形式在《Nature》上发表，入选2016年度“中国高校十大科技进展”。《Nature》同期专题评论（Meckler，2016）认为：如此长尺度高精度的亚洲季风石笋记录不但为其他古气候记录提供了高精度的绝对年代控制，而且加强了对于目前气候系统相互作用、强迫因子及其响应机制的理解；该研究发现去除轨道信号的亚洲季风亚轨道变化仍具有显著的岁差周期，这将为研究气候事件的发生机制提供重要线索。美国资深编辑针对本论文在著名期刊《Physics Today》上发表评论（Wilson，2016）：得益于西安交通大学程海教授和美国明尼苏达大学Lawrence Edwards教授在样品制备和离子质谱测试分析方面的极大贡献，他们将亚洲季风记录延伸至过去64万年，并达到了前所未有的精度；去除轨道信号的亚洲季风亚轨道尺度变化仍然具有岁差周期，这一重要发现以及其他气候事件之间的对应关系，足以让气候模拟学家在未来数年中进行深入的模拟工作了。

（2）重建了第一条印度次大陆最长尺度绝对年龄控制的高分辨率印度季风石笋记录（从过去3万年拓展到28万年），进一步验证了印度季风与东亚季风在千年 — 轨道尺度上同步变化、与北半球夏季太阳辐射变化没有显著的相位差，证实了北半球高、低纬度之间气候变化具有更为密切的联系。重建了第一条中亚核心区最长尺度绝对年龄控制的高分辨率西风带气候变化石笋记录（从过去的0.5万年拓展到13.5万年），揭示了西风带气候变化的规律和影响机制及其与亚洲季风的耦合关系，很好地解释了有关西风带-亚洲季风密切联系的气候模拟结果不同于地质记录所揭示的西风带-亚洲季风全新世气候模态这一先前的悖论。以上两条记录分别于2016年4月、11月发表于《Scientifi c Reports》上，提供了印度季风、中亚地区气候变化乃至全球气候变化研究的重要标尺。

（3）研究了一些典型地区历史时期百到十年尺度季风降雨变化过程、影响和驱动机制，尝试进行未来降雨变化趋势预估，为相关政府部门制定水资源的长期规划提供科学基础。在国内外首次发现洞穴题词中可记录重要的气候变化信息，揭示这一新的研究方向的潜力；并第一次在同一个洞穴中发现对比良好的历史记录和石笋记录，验证了洞穴矿物质沉积、干旱事件和社会动荡之间的密切联系。同时，尝试进行了汉江上游这一南水北调中线工程水源区的未来降雨变化趋势预测。该研究于2015年8月发表于《Scientifi c Reports》上，并被选为Nature出版集团当周研究亮点。美国地球物理学会EOS（Wendel，2015）、美国自然历史博物馆Natural History Magazine（Rice，2015）、英国剑桥大学等都迅速对这一研究做了专题报道。研究成果同时也引起了国内外著名媒体的广泛关注，如英国BBC新闻、独立报和每日邮报等、美国新闻周刊、纽约时报和科学美国人等、丹麦周末报、中国科学报、北京日报都做了采访报道。致谢：感谢科技部“973计划”全球变化专项《我国大陆典型温暖期的气候变率及驱动机制》第二课题《石笋记录的温暖期气候变化过程、事件特征及驱动机制》（2013CB955902）的资助。感谢程海教授、张海伟、谭亮成、宁有丰提供相关资料和帮助，感谢李向磊、Kathayat Gayatri、沙丽娟、杜文静、李瀚瑛、许瑶、赵欣楠、赵景耀、张帆、段鹏珍、王毛毛等为本课题所做的贡献。

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Asian monsoon variability on multiple timescales in the context of global climate changes

ZONG Baoyun, LI Xianglei, KATHAYAT Gayatri, DU Wenjing, SHA Lijuan, LI Hanying
Institute of Global Environmental Change, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710054, China

With the support of the Ministry of Science and Technology and the National Natural Science Foundation of China, a research team led by Prof. Hai Cheng at the Institute of Global Environmental Change, Xi’an Jiaotong University, have now extended the Chinese cave δ18O record to cover the full uranium/thorium dating range, the past 640000 years. The new composite record provides an unprecedented characterization of Asian monsoon variability on a wide range of timescales. The comparison of the monsoon record to marine and polar ice core records reveals that the terminations during the past 640000 years are indeed separated by four or fi ve precession cycles, thus confi rming the idea that the “100000-year” ice age cycle is an average of discrete numbers of precession cycles. Furthermore, since the cave δ18O variability closely follows boreal summer insolation, removal of insolation component from the Chinese δ18O record generates a residual cave record. By design, the residual record contains a history of suborbital-scale variations of Asian monsoon as well as of as any additional orbital-scale variability that does not correlate with boreal summer insolation. The analysis of residual record suggests the monsoon rainfall variability on a suborbital timescale exhibits a striking similarity to detrended Antarctic temperature variance — a result demonstrating a natural simplicity. The spectral powers of the residual record show signifi cant precession and obliquity signals that are much stronger than eccentricity signal and nearly anti-phased with summer boreal insolation and Antarctic temperature. These observations indicate that insolation, in part, sets the pace of the occurrence of millennial-scale events, including those associated with terminations and “unfi nished terminations” and thus provide new insight into the longstanding classic issue, “the100 ka problem”. Another salient aspect of their studies is it reinforces the idea that temporal variations in Chinese and Indian cave δ18O records follows the boreal summer insolation closely. They explained this observation in terms of changes in spatially integrated monsoon rainfall between the tropical monsoon sources and the cave site. As such, their fi nding supports the classic prediction by John Kutzbach ~35 years ago that monsoon rainfall should respond to changes in summer solar insolation. The new record also characterized for the first time the Asian monsoon variance during the MIS 11 and suggested that the monsoon has increased overall in an anomalous fashion relative to the downward trend in boreal summer insolation in the past 2 ka, manifesting a “2-ka shift” with a possible mechanism similar to millennial-scale events observed throughout much of the past several hundred thousand years. These results provide a new view regarding the Holocene climate variations. In addition, the research show that the supra-regional climate variance in Westerly Central Asia exhibits a precessional rhythm, punctuated by millennial-scale abrupt climate events, suggesting a close coupling with the Asian monsoon, while the local hydroclimatic variability at the cave sites shows climate variations that are distinctly different from their supra-regional modes. These observations reconcile the apparent out-of-phase hydroclimatic variability, inferred from the Holocene lake proxy records, between Westerly Central Asia and Monsoon Asia.

宗保云，E-mail: zby1015@xjtu.edu.cn Corresponding Author: ZONG Baoyun, E-mail: zby1015@xjtu.edu.cn

宗保云, 李向磊, KATHAYAT Gayatri, 等. 2017. 亚洲季风的多尺度变化规律及其与全球气候变化的关系[J]. 地球环境学报, 8(3): 18–5 193.

: Zong B Y, Li X L, KATHAYAT G, et al. 2017. Asian monsoon variability on multiple timescales in the context of global climate changes [J]. Journal of Earth Environment, 8(3): 185 – 193.