贵州七星洞全新世石笋的氧同位素记录及其指示的季风气侯变化

对贵州七星洞的石笋进行了TIMS铀系测年和氧同位素组分分析,建立了最近7.7ka石笋δ^18O值的变化序列。重建了贵州地区7.7kaBP以来的季风气候变化：7.7-5.8kaBP,适宜期内的夏季风强盛期;5.8-3.8kaBP,夏季风的稳定减弱期;3.8-0.15kaBP,减弱的夏季风及 气候大幅波动期。并指出7.7kaBP以来石笋δ^18O值增加趋势既反映了北半球夏季太阳辐射减少引起的夏季风减弱,也反映了西南季风降雨对该地区的贡献相对减少,这与模拟结果所表明的西南季风强度变化相一致;δ^18O值大幅度的波动变化则可能表明与降雨量变化相联系的不同季风降水云团对该地区降雨贡献的剧烈变化。     

季风降水中δ18O与高空风速关系

统计分析了西南季风区IAEA/WMO降水观测站曼谷、孟买、新德里、昆明及拉萨夏季降水中δ¹⁸O资料及各站高空大气风速资料发现, 高空风速与δ¹⁸O之间存在显著的正相关关系. 分析表明, 季风期间季风区上空存在一个季风水汽层, 雨滴在下落过程中通过这一水汽层并与季风水汽发生稳定同位素交换, 是导致高空风速和δ¹⁸O正相关的主要原因. 在西南季风区除温度和降水量外, 高空风速也是影响季风降水中δ¹⁸O变化的一个主要因子.     

近50 a来青藏高原东部高海拔洞穴现代石笋氧同位素组成及其含义

基于²¹⁰Pb和²³⁰Th两种定年方法, 并结合黄龙洞石笋d ¹⁸O测试数据建立了青藏高原东部近半个世纪以来平均分辨率达到年际的亚洲季风变化序列. 通过对黄龙洞石笋氧同位素体系的研究, 表明现代洞穴滴水与洞穴周围大气降水的氧同位素具有一致性, 石笋方解石与洞穴滴水是在同位素平衡分馏状态下沉积的. 与器测数据对比分析发现, 黄龙洞石笋δ¹⁸O的轻重变化主要受西南季风(印度季风)带来的降水量效应所控制, 受温度的影响比较弱. 石笋δ ¹⁸O在短时间尺度上的轻重变化主要反映了季风降水δ ¹⁸O的信息, 指示了西南季风的年际变化. 最近50 a来, 四川黄龙洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势, 即逐渐变得相对富集¹⁸O, 与亚洲季风区其他石笋δ ¹⁸O具有相同的变化趋势, 而且也与东亚、南亚季风指数所指示的季风减弱趋势相一致, 与全球季风指数密切相关. 这种亚洲季风的减弱趋势主要受太阳辐射变化的影响, 并紧密地匹配于高空平流层的温度变化.     

天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化

根据丽江2003年夏季日降水中δ¹⁸O资料, 结合日平均NCEP/NCAR再分析资料, 研究天气尺度下季风降水中δ¹⁸O变化. 研究发现, 丽江夏季日降水中δ¹⁸O变化具有显著的“降水量效应”, 而“温度效应”不存在. 季风活跃期和不活跃期的交替出现可能对天气尺度下δ¹⁸O的变化具有显著的影响, 同时季风降水的再循环过程可能对季风末期降水中δ¹⁸O变化具有显著的影响. 这些影响对季风降水中稳定同位素所特有的“降水量效应”产生严重干扰. 另外, 研究表明丽江夏季天气尺度下δ¹⁸O变化主要受大尺度印度低压系统控制. 研究结果对于季风区稳定同位素“降水量效应”以及本区古气候的研究具有重要意义.     

季风降水中δ18O与季风水汽来源

利用稳定同位素瑞利分馏模型, 根据季风区可降水量与源区可降水量的比率f与季风降水中δ¹⁸O之间存在反相关关系这一基本假设, 提出了一种确定季风水汽来源的新方法. 应用西南季风区典型代表站新德里和东南季风区典型代表站香港夏季同位素资料, 对此方法的可行性进行了实例分析验证. 结果表明, 利用此方法确定的两站点季风降水的水汽来源与基本大气环流背景相吻合. 研究结果对于追踪季风水汽来源具有重要意义.     

那曲河流域季风结束前后大气水汽中δ 18O变化特征

在青藏高原中部那曲河流域2004年8~10月收集了大气水汽样品. 研究结果表明, 该流域大气水汽中 δ ¹⁸O值存在一定的波动, 尤其在季风撤退前后, 波动最为显著. 而且大气水汽中δ ¹⁸O与露点温度的波动趋势是明显反向的. 降水事件对该流域大气水汽中δ ¹⁸O波动具有绝对的影响. 在整个大气水汽样品收集时段, 降水发生时, 大气水汽中δ ¹⁸O都为低值. 不同的水汽来源对该流域大气水汽中δ ¹⁸O具有一定的影响, 特别是强烈的西南季风活动带来的海洋性水汽导致该流域大气水汽中δ ¹⁸O出现相对低值, 而当该流域主要受大陆性水汽影响时, 大气水汽中δ ¹⁸O相对较高.     

东非大裂谷埃塞俄比亚段内C3植物叶片δ13C和δ15N及其环境指示意义

在中国科学探险协会的资助下, 对东非大裂谷埃塞俄比亚段内不同区域植物叶片稳定碳(δ¹³C)和氮(δ¹⁵N)同位素比率进行了分析, 探讨了植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的分布特征及其与环境要素之间的关系. 结果表明在冷湿环境下C₃植物叶片δ¹³C的平均值为(-26.7±0.4)‰; 温暖湿润环境下为(-29.7±0.6)‰; 干热环境下为(-26.9±1.2)‰. 植物叶片δ¹⁵N的分布区间为(-1.4±1.7)‰~(14.3±0.1)‰, 生长在干燥炎热环境的植物表现为较高的δ¹⁵N, 温暖湿润环境的δ¹⁵N居中, 高海拔冷湿环境植物δ¹⁵N最小. 植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N之间的关系型可分为3类: 分别代表寒冷湿润、温暖湿润和干燥炎热的生长环境, 反映了植物生长环境的异质性. 植物δ¹⁵N与年均降雨量和海拔均为极显著负相关(P < 0.001); 与年均温度显著正相关(P < 0.01). 年降雨量每增加100 mm, 海拔每增加1000 m, 植物δ¹⁵N分别偏负1.0‰和2.0‰; 年均温度每增加1℃, δ¹⁵N平均值则偏正0.5‰. 降水和温度与氮同位素存在相关关系, 解释方差分别为53.6%和31.8%, 因此降水和温度对C₃植物氮同位素分馏起主要作用. 植物δ¹³C与年均温度呈弱正相关关系, 但与年平均降水和海拔的关系均表现为二次曲线型. 当降雨量低于1019.3 mm, 海拔低于2400 m时, δ¹³C随降雨量和海拔的增加而偏负, 而当降雨量与海拔高于此值时, δ¹³C随二者的增加而偏正. 研究结果说明海拔变化引起水热条件的改变对植物碳同位素分馏的影响存在一个转换点.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

全新世黔北降水特征的石笋记录及适宜期结束时间在亚洲季风区的不等时性

基于黔北石膏洞两支石笋(SG1 和SG2)的12 个高精度²³⁰Th 年龄(误差为±2.5~55 a)和479 个氧同位素数据, 建立了全新世9.9 ka BP (相对1950 AD) 至今较高分辨率的东亚季风和印度季风交汇区季风降水序列. 石膏洞δ¹⁸O 记录表明: 9.9~6.6 ka BP, 季风降水处于降水丰沛的湿润期; 6.6~1.6 ka BP, 该时段为降水逐渐减弱时期; 1.6 ka BP 至今石笋δ¹⁸O 最为偏正, 季风降水整体处于较弱期, 其长期演变趋势整体追随30°N 夏季太阳辐射能量变化曲线. 利用时序分析方法, 对石膏洞与已发表的高分辨率石笋δ¹⁸O 记录分析发现, 石笋所揭示的全新世适宜期结束时间在不同季风区存在显著差异: 统计分析结果显示印度季风区的阿曼为7.2~7.4 kaBP, 东亚季风下的华中地区为5.6~5.8 ka BP, 而地处于两季风交汇处的西南一带则介于其中约为6.6~7.0 ka BP. 我们认为供应东亚季风水汽来源的热带西太平洋海水表面温度变化, 是可能造成亚洲不同地区全新世适宜期结束时间不一致的原因.     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ18O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测,发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水;3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小,分别在0～-10‰,-2‰～-9‰和-6‰～-8‰之间;3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律:雨季偏轻,旱季偏重;地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上.计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡,利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的,但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用。     

北方季风边缘区洞穴石笋δ18O序列预测初步研究

基于时域组合模型建立了中国北方季风边缘区万象洞及黄爷洞石笋δ¹⁸O时间序列的动态模型, 并对未来20年的降水变化趋势进行了预测. 研究结果表明, 时域组合模型较好地提取了时间序列的周期信息, 用其拟合实测数据精度较高; 用其预测时间序列的变化情况, 和现代气象观测记录相吻合, 具有一定的可信度. 同时通过中国北方季风边缘区树轮的预测结果对比显示, 该地区在2012~2013年前后降水最少, 随后20年里将呈现先升后降的变化趋势.     

黔北石笋记录的MIS 5d/5c季风突变过程

基于黔北三星洞石笋(SX29)9个铀钍年龄和420个氧同位素分析,获得了113.6±0.3~106.2±0.4 ka BP(相对于1950年)10年际分辨率的?18O时间序列.该石笋?18O时间序列记录了MIS 5d/5c转换时亚洲夏季风强度变化的突变过程.根据突变过程中间点的年龄确定MIS5d/5c突变时间为108.1±0.3 ka BP.石笋记录对MIS 5d/5c突变时间的精确标定可以作为MIS 5阶段重要的年龄控制点,用以校正南北极冰芯记录和深海沉积记录的时间标尺.季风MIS5d/5c转换阶段也表现为类似过去4个冰消期的2个阶段变化过程:阶段Ⅰ为夏季风较弱时期,而南极温度缓慢上升;阶段Ⅱ为夏季风快速增强时期,与甲烷浓度突变同步,南极温度则上升至最高值.     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ18O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测, 发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水; 3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小, 分别在0~-10‰, -2‰~-9‰和-6‰~-8‰之间; 3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律: 雨季偏轻, 旱季偏重; 地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上. 计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡, 利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的, 但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用.     

中国南沙群岛滨珊瑚δ18O的高分辨率气候记录

利用海温和气温计重建了南沙群岛永暑礁海区近50年和季分辨率的温度变化,将南沙群岛永暑礁器测的气候资料延长了40年.发现珊瑚δ¹⁸O与气温之间存在气温升高1℃, δ¹⁸O降低0.24%的对应关系.     

印度季风水汽对青藏高原降水和河水中δ18O高程递减率的影响

根据青藏高原上建立的TORP(Tibetan Observation and Research Platform)平台的28个站点获取的降水δ¹⁸O的研究, 探讨了季风期河水δ¹⁸O的海拔递减率, 也讨论了全年河水δ¹⁸O的高程效应. 研究发现, 青藏高原内部降水δ¹⁸O广泛受到不同水汽来源的影响. 印度季风对青藏高原降水及河水δ¹⁸O的组成起着重要作用. 总体而言, 受季风影响地区水体中δ¹⁸O比西风影响区的水体δ¹⁸O更贫化, 反映了西南来的海洋水汽在长途传输和随喜马拉雅山爬升过程使δ¹⁸O逐步贫化. 由于季风环流对高原南部气候的控制, 季风期河水δ¹⁸O随海拔的递减率更大. 综合考虑季风期和非季风期河水δ¹⁸O的高程效应发现, 其河水δ¹⁸O的海拔递减率大于不考虑季风期河水同位素组成的海拔递减率. 因为青藏高原上河水和降水的高程效应是季风和非季风期水汽共同作用的结果, 因此在利用稳定氧同位素恢复古高度时, 需要考虑季风期高原水体中δ¹⁸O的组成和高程效应.     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为&#8722;23.8‰~&#8722;20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为&#8722;8.5‰~&#8722;3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.