过去两千年青藏高原百年尺度温度变化的时空格局

李秀美,刘苏涛,张力方,闫军辉,范宝伟

(信阳师范大学 地理科学学院/河南省水土环境污染协同防治重点实验室, 河南 信阳 464000)

0 引言

过去2000 a是气候变化研究中极为重要的时段,是衔接地质记录和器测、历史文献资料的时间窗[1]。这一时段气候变化历史涵盖了以北欧地区最为典型的几个特征时期,如黑暗时代冷期(Dark Age Cold Period, DACP)、中世纪温暖期(Medieval Warm Period, MWP)、小冰期(Little Ice Age, LIA)和工业革命以来的快速增温期(Current Warming Period, CWP)。揭示该时段气候变化历史与规律,可为辨识气候自然变化率以及人类活动在全球气候变化中的作用提供重要依据,对目前全球增温可能引发的气候灾变具有重要的预警意义[2-3]。

青藏高原平均海拔在4000 m以上,是全球气候变暖最强烈的地区。深入研究青藏高原过去2000 a气候变化可以为预测全球变暖背景下青藏高原水资源的变化趋势提供依据,亦可为人类如何适应未来气候变化提供历史借鉴[3]。过去十几年来,研究者通过不同的气候载体已经对青藏高原晚全新世古温度重建做了大量研究工作。然而,目前对于过去2000 a青藏高原温度变化的时空特征还不甚清晰;关于中世纪暖期、小冰期以及现代暖期的起止时间以及温度变幅在不同的研究结果中也不一致[4-7]。近年来,反映青藏高原过去2000 a温度变化的高分辨率重建序列逐渐增多,有助于更加深入和细化地认识该区温度变化的时空特征。本研究对青藏高原过去2000 a最新的温度代用序列(主要包括树轮、湖泊沉积物和冰芯等)进行收集,通过区域对比以及集成分析方法,深入分析青藏高原过去2000 a温度变化的基本特征。

1 研究数据与研究方法

1.1 研究数据

对青藏高原已经发表的过去2000 a温度代用序列进行整理,选择年代可靠、代用指标气候指示意义明确的古温度记录进行研究。对温度记录的选取主要依据以下6条标准:(1)代用序列的采样点位置必须位于青藏高原或其毗邻地区;(2)代用序列长度至少达到1500 a,并且记录连续没有间断;(3)代用序列必须具有明确的气候指示意义,可以明确地反映温度变化;(4)序列的时间分辨率至少为30 a,但对于高分辨率记录非常稀缺的地区,可以采用分辨率相对较低的温度记录作为支持证据;(5)代用序列变化主要受温度变化驱动,而不是受人类活动控制;(6)如果时间序列是基于放射性14C定年法,过去2000 a中至少需要包含2个可靠的定年结果,且最终年龄应为碳库效应校正后的日历年龄。基于上述原则,本文共收集到了16条温度记录[8-19]。各温度代用序列的地理位置见图1,序列的基本特征见表1(表1中样点字母编号与图1对应)。其中祁连山树轮年表记录的温度虽然只有1343 a,但由于其明确的气候指示意义以及极高的分辨率也被选中作为青藏高原东北部的温度序列。

表1 青藏高原过去2000 a温度记录信息Tab. 1 Information of temperature records over the Tibetan Plateau during the past two millennia

图1 青藏高原过去2000 a温度代用资料分布图(大写字母为各温度记录编号,温度记录的详细信息见表1)Fig. 1 Distribution and types of proxy record during the past two millennia (Capital letters represent serial number of temperature records. Tab. 1 for details of these proxies)

1.2 研究方法

根据所有序列集成的温度记录,将青藏高原过去2000 a温度变化粗略地划分为4个典型的冷暖期。然后,根据以下步骤,将每条温度记录各冷暖期进一步划分为暖、适度温暖、适度寒冷和冷等4个级别:(1)对于大部分指标,数值越大指示温度越高,但亦存在一些指标其数值越大指示温度越低(比如卡拉库里湖的磁化率指标),本文将这类序列取相反数,从而使气候序列值与温度正相关;(2)每条温度序列按照各自过去2000 a的平均分辨率进行线性插值,以避免原始数据分布不均匀对最终结果造成的影响;(3)将上述插值后的温度值与过去2000 a整个序列的平均值进行比较,在各典型冷暖期内,如果插值数据在每个时期内有2/3高(低)于整个序列的平均值,就归类为“暖期(冷期)”,如果超过1/2,但少于2/3的温度值比过去2000 a序列的平均值高(低),则归类为“适度温暖期(适度寒冷期)”。

2 过去2000 a青藏高原典型冷暖时段的划分

基于青藏高原16条温度记录集成的温度序列变化如图2所示。青藏高原过去2000 a可以大体划分为4个典型的冷暖时期,即 0—600 AD 和 1400—1900 AD 的冷期、600—1400 AD和20世纪的暖期(图2)。其中1400—1900 AD和600—1400 AD可分别对应于欧洲的小冰期和中世纪暖期。本研究以这4个冷暖时段为基础,探究各时段内青藏高原气候冷暖干湿变化的区域特征。

图2 青藏高原过去2000 a标准化温度集成序列(虚线为集成温度序列的平均值)Fig. 2 Composite temperature series of the Tibetan Plateau during the past two millennia (Dashed line represents the mean values of the composite temperature record)

3 过去2000 a青藏高原温度变化的时空特征

过去2000 a不同时段青藏高原温度变化的空间分布见图3。0—600 AD,高原西北部、东北部和东部大部分研究点表现为冷或相对寒冷(图3a)。然而,西部夏达错、东北部青海湖和中部普若岗日冰芯指标指示该时段气候相对温暖,中部达则错在此时段气候温暖。600—1400 AD,青藏高原大部分研究点的古气候记录表现为气候温暖(图3b),因而该时段可看作青藏高原的中世纪暖期。值得说明的是,该时段高原东北部库赛湖不同指标重建的温度记录表现出不一致的变化特征,库赛湖沉积物纹层厚度指示气候温暖[19];然而,该湖泊沉积物孢粉[15]和甘油二烷基甘油四醚类化合物指标(Glycerol dialkyl glycerol tetraethers, GDGTs)指标[20]指示气候寒冷。上述差异可能与不同指标指示气候变化的季节性差异有关。与大部分湖泊和树轮记录指示的暖期不同,高原上4条冰芯(古里雅、敦德、达索普和普若岗日冰芯)氧同位素记录均指示600—1400 AD气候较寒冷(图3b)。因此,中世纪暖期青藏高原温度变化存在明显区域差异。

图3 青藏高原过去2000 a 4个时段温度变化的空间分布图Fig. 3 Spatial distribution map of temperature changes over the Tibetan Plateau in four periods during the past two millennia

1400—1900 AD,除了古里雅冰芯记录之外,青藏高原其他记录均表现为冷期(图3c)。这一时段可被称为青藏高原的小冰期。古里雅冰芯记录独特的气候特征可能与记录的年代问题有关[21]。此外,库赛湖不同指标指示的气候特征存在差异,该湖纹层指标指示1400—1900 AD气候适度寒冷,但湖泊孢粉和GDGTs指标指示此时段气候温暖。20世纪高原大部分气候记录表现为暖期(图3d)。与其他记录显著变暖的气候特征相比,达则错和尕海20世纪表现为适度温暖,而苏干湖和夏达错则表现为寒冷。库赛湖GDGTs、纹层和孢粉指标分别指示20世纪区域气候温暖、适度温暖和寒冷。

上述分析表明青藏高原过去2000 a温度变化存在区域差异。古气候记录的季节性偏差可能是上述气候差异的重要原因,很有必要对青藏高原过去2000 a温度记录的季节性偏差进行探讨。

4 过去2000 a青藏高原温度变化的季节性差异

青藏高原过去2000 a各温度代用序列的时间变化如图4(黑色虚线为原始数据,红色实线为30 a滑动数据)。孢粉(图4c)[15]、冰芯δ18O(图4g)[10]、磁化率(图4d)[8]和GDGTs(图4e、 f)[9, 12]等多指标记录了青藏高原过去2000 a的年均温度变化。不同指标重建的年均温度变化特征并不一致。例如,青藏高原4条冰芯集成的温度记录表明过去2000 a气温整体呈变暖趋势(图4g)。该冰芯记录没有表现出明显的MWP或者LIA,但20世纪变暖是显著的且前所未有的。天才湖GDGTs(图4f)和卡拉库里湖磁化率(图4d)指标重建的年均温度也体现出了空前的20世纪变暖现象。然而,夏达错GDGTs(图4e)以及库赛湖孢粉(图4c)指标重建的年均温度显示20世纪为冷期。此外,卡拉库里湖、夏达错和天才湖的年均温度记录均表现出约600—1400 AD温暖的MWP,以及1400—1900 AD寒冷的LIA。但库赛湖孢粉重建的年均温度(图4c)变化与之相反,即600—1400 AD气候寒冷而1400—1900 AD气候温暖。整体而言,过去2000 a青藏高原年均温度变化还存在争议。未来亟需更多定年可靠、且能准确指示年均温度变化的指标来揭示青藏高原年均温度的变化特征。

图4 青藏高原过去2000 a温度变化曲线Fig. 4 Temperature series over the Tibetan Plateau during the past two millennia

孢粉(图4h)[18]、纹层厚度(图4i)[19]以及烯酮指标(图4j)[11, 13-14]重建了青藏高原过去2000 a夏季温度变化。青藏高原过去2000 a夏季温度变化较为一致,总体表现为0—600 AD的冷期、以800—1000 AD为中心的暖期、以1400—1600 AD为中心的冷期以及20世纪的暖期,并且20世纪升温并不是很显著,中世纪暖期才是过去2000 a中升温最显著且最温暖的时段。不同指标重建的夏季温度变化曲线之间各冷暖时段的时间差异,可能与温度指标的敏感性差异以及年代问题有关。

阿尼玛卿山树轮重建的4—6月最大温度曲线(图4a)表明过去2000 a温度最高的时段为890—947 AD,而非20世纪[16]。与之不同,祁连山树轮重建的1—8月最低温度曲线(图4b)表现出20世纪空前的增温现象[17]。二者的不同可能与研究者重建的方法有关,也可能与树轮所重建温度的季节差异有关。这两条树轮温度曲线均没有表现出显著的中世纪暖期,可能因为树轮在重建高分辨率的气候变化上有优势,但在百年甚至更低时间分辨率的气候变化上存在不确定性[22]。

每种代用指标重建气候变化时都有自己独特的重建方法和重建过程,转换函数的选取、温度指标的季节性差异、定年误差等因素均可能导致重建的温度序列存在不确定性[23]。目前,青藏高原夏季温度变化特征较为一致,但年均温度变化特征还不明确,不同年均温度记录变化存在不一致性。未来,在青藏高原很有必要重建更多高质量(高分辨率、有准确的年龄控制、明确的季节性以及精确地气候指示意义)的古温度记录,特别是更多高质量的年均温度记录,以更深入地揭示高原的古温度变化特征。

5 结论

基于湖芯、冰芯和树轮等16条古温度记录,综合评估了青藏高原过去2000 a的百年际气候变化特征。研究表明,高原过去2000 a百年际尺度气温变化大体可以划分为4个典型时期:0—600 AD和1400—1900 AD的冷期、600—1400 AD和20世纪的暖期。1400—1900 AD和600—1400 AD两个时段可分别视为青藏高原的小冰期和中世纪暖期。青藏高原过去2000 a温度变化的季节性差异十分显著,表现为年均温变化存在明显分歧,但夏季温度变化特征较为一致。此外,基于不同指标重建的同一区域过去2000 a温度变化趋势也存在显著差异。代用指标的多解性和季节性、温度转换方程的适用性、定年误差以及温度记录的空间异质性等因素均可能导致重建的温度序列存在不确定性。青藏高原面积广大,未来有待于增加温度记录的空间覆盖度,填补研究薄弱区,重建更多高质量的古温度记录,以更全面地揭示青藏高原温度变化的时空特征。