安芷生，孫有斌，蔡演軍，周衛(wèi)健，沈 吉

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

亞洲季風(fēng)變遷與全球氣候的聯(lián)系

安芷生1，孫有斌1，蔡演軍1，周衛(wèi)健1，沈 吉2

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008

通過(guò)研究冰期-間冰期至百年尺度亞洲季風(fēng)的演變特征，闡明了季風(fēng)變化同南北半球冰量、太陽(yáng)輻射、大洋環(huán)流、熱帶輻合帶等氣候系統(tǒng)內(nèi)外部因子的動(dòng)力聯(lián)系。在海-陸-氣相互作用的框架下提出了“冰期-間冰期印度季風(fēng)變化動(dòng)力學(xué)”新理論，揭示大西洋經(jīng)向環(huán)流對(duì)東亞季風(fēng)突變事件的影響和動(dòng)力過(guò)程，探討了全新世亞洲季風(fēng)變化的時(shí)空特征和控制因素。該項(xiàng)成果以亞洲季風(fēng)變遷歷史和機(jī)理為主線，從地球系統(tǒng)科學(xué)的視角，將亞洲古季風(fēng)研究拓展為多尺度與多動(dòng)力因子、區(qū)域與全球相結(jié)合的集成研究，推動(dòng)了與季風(fēng)相關(guān)的過(guò)去全球變化科學(xué)的發(fā)展。

1 研究背景和意義

亞洲季風(fēng)可視為連接高-中-低緯氣候變化的關(guān)鍵紐帶，是全球氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有鮮明的區(qū)域特色和重要的全球意義。亞洲季風(fēng)變遷既與氣候系統(tǒng)外部的太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)，又受到氣候系統(tǒng)內(nèi)部海-陸-氣相互作用的復(fù)雜調(diào)制。因此，在以氣候變暖為主要特征的當(dāng)代全球變化背景下，從地球氣候系統(tǒng)科學(xué)的角度研究亞洲季風(fēng)不同子系統(tǒng)的變化過(guò)程和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，不僅有助于揭示圈層相互作用下的多尺度季風(fēng)演變與全球氣候變化的聯(lián)系，理解區(qū)域與全球氣候變化的聯(lián)系，而且可為我國(guó)制定未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的宏觀戰(zhàn)略提供自然背景理解，具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

近10年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)施大陸環(huán)境科學(xué)鉆探，在西南季風(fēng)區(qū)云南鶴慶、內(nèi)陸干旱區(qū)羅布泊、黃土高原及青海湖地區(qū)獲取了累計(jì)上萬(wàn)米的巖心，同時(shí)采集了多個(gè)泥炭、石筍等地質(zhì)生物樣本（圖1），系統(tǒng)研究了亞洲季風(fēng)變遷特征和機(jī)理。整合亞洲不同環(huán)境單元、不同類型的高質(zhì)量地質(zhì)生物記錄，建立了東亞季風(fēng)區(qū)和內(nèi)陸干旱區(qū)的高質(zhì)量代表性氣候環(huán)境演化序列，探討了冰期-間冰期亞洲季風(fēng)變化同太陽(yáng)輻射、南極溫度和北半球冰量變化的關(guān)系，指出大西洋徑向環(huán)流對(duì)冬季風(fēng)突變的影響，探討了全新世氣候變化趨勢(shì)和特征事件的全球一致性及區(qū)域差異性。將傳統(tǒng)第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)與全球變化研究相融合，將亞洲古季風(fēng)研究拓展為區(qū)域與全球相結(jié)合的集成研究，從地球系統(tǒng)科學(xué)的視角推動(dòng)了與季風(fēng)相關(guān)的過(guò)去全球變化科學(xué)的發(fā)展。

2 研究成果

2.1 研究了冰期-間冰期至歲差尺度亞洲季風(fēng)的變化特征，揭示了南北半球冰量和太陽(yáng)輻射對(duì)亞洲季風(fēng)變遷的共同影響

利用中國(guó)大陸環(huán)境科學(xué)鉆探工程在青藏高原東南緣鶴慶盆地獲取的666 m湖泊沉積巖心，建立了第一條高分辨率陸相古湖記錄的最近2.6 Ma印度季風(fēng)演化序列，發(fā)現(xiàn)更新世的早期和晚期印度夏季風(fēng)變率較小，而中更新世變率增大；間冰期時(shí)印度夏季風(fēng)最大值與全球冰量最小值同步，而在冰期印度夏季風(fēng)增強(qiáng)提前于全球冰量最大值。揭示出北半球冰量控制的印度低壓和南極溫度影響的馬斯克林高壓相對(duì)變化引起的跨赤道氣壓梯度，是印度夏季風(fēng)變化的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，提出了冰期-間冰期印度夏季風(fēng)變遷的北半球熱力牽引和南半球氣壓推動(dòng)的新機(jī)制（An et al，2011）。

通過(guò)國(guó)際大陸環(huán)境鉆探計(jì)劃（ICDP）資助和中美合作完成了青海湖高質(zhì)量巖心的獲取，依據(jù)高分辨率AMS14C年代學(xué)測(cè)定和多個(gè)代用指標(biāo)測(cè)量，重建了最近32 ka東亞夏季風(fēng)和西風(fēng)強(qiáng)度變化歷史，揭示出在冰期-間冰期尺度上西風(fēng)和東亞夏季風(fēng)呈明顯的反相位關(guān)系，在冰期時(shí)段西風(fēng)環(huán)流對(duì)青海湖地區(qū)氣候變化起主導(dǎo)作用，多次表現(xiàn)為較強(qiáng)的沙塵排放和寒冷的氣候事件；在全新世青海湖地區(qū)受東亞夏季風(fēng)影響顯著，表現(xiàn)為逐漸減弱的變化趨勢(shì)。通過(guò)探討季風(fēng)-西風(fēng)氣候的相互作用模式，揭示出西風(fēng)環(huán)流和東亞季風(fēng)在聯(lián)接高-中-低緯氣候變化中的重要作用（An et al，2012）。

在青藏高原南部海拔4700 m的天門(mén)洞開(kāi)展洞穴石筍記錄研究，發(fā)現(xiàn)末次間冰期和全新世石筍氧同位素記錄與葫蘆洞和董哥洞石筍δ18O記錄相一致，確認(rèn)了在歲差尺度上西南印度季風(fēng)與北半球夏季太陽(yáng)輻射的密切聯(lián)系（Cai et al，2010a）。在黃土高原西部高分辨率黃土序列中，古土壤磁化率變化同樣清晰地揭示間冰期歲差尺度的東亞夏季風(fēng)波動(dòng)，確認(rèn)了北半球夏季太陽(yáng)輻射對(duì)東亞夏季風(fēng)的顯著影響（Sun et al，2006）。

圖1 大陸環(huán)境鉆探位置、現(xiàn)場(chǎng)及巖心庫(kù)Fig.1 The locations and scenes of Continental Environmental Drill Programme,drill core storage

基于長(zhǎng)期瞬變模擬評(píng)估了日射強(qiáng)迫對(duì)亞洲季風(fēng)變化的影響，探討了南北半球日射變化對(duì)歲差尺度印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)的不同影響。通過(guò)數(shù)值模擬揭示出歲差引起的南半球日射變化對(duì)印度夏季風(fēng)具有遠(yuǎn)程影響，發(fā)現(xiàn)南半球日射的增加可以通過(guò)增強(qiáng)越赤道水汽輸送顯著加強(qiáng)印度夏季風(fēng)降水，確認(rèn)了南半球潛熱輸送對(duì)印度夏季風(fēng)的影響（Liu et al，2006）。瞬變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，北半球日射變化對(duì)東亞的降水影響表現(xiàn)出較大的空間差異，東亞夏季風(fēng)降水受到了古ENSO變化的顯著反饋?zhàn)饔?，造成了歲差尺度中國(guó)南北方夏季降水的反相關(guān)系（Shi et al，2010）。

2.2 通過(guò)地質(zhì)證據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)合研究，分析了大西洋經(jīng)向環(huán)流和南極溫度對(duì)亞洲季風(fēng)突變 事件的影響

通過(guò)對(duì)黃土高原西北部靖遠(yuǎn)和古浪黃土剖面開(kāi)展高分辨率光釋光測(cè)年和粒度分析，重建了最近六萬(wàn)年來(lái)冬季風(fēng)強(qiáng)度變化。與石筍和冰芯記錄對(duì)比，確認(rèn)了末次冰期冬季風(fēng)強(qiáng)度、夏季風(fēng)降水和格陵蘭溫度具有高度相似性的千年尺度氣候波動(dòng)。開(kāi)展了北大西洋淡水注入試驗(yàn)，分析了大西洋經(jīng)向環(huán)流減弱對(duì)東亞季風(fēng)的影響，發(fā)現(xiàn)大西洋經(jīng)向環(huán)流變化通過(guò)影響北半球西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度和熱帶輻合帶（Intertropical convergence zone，ITCZ）南北擺動(dòng)，造成東亞地區(qū)風(fēng)場(chǎng)和降水的變化，闡述了千年尺度東亞季風(fēng)變化同高緯氣候聯(lián)系的機(jī)理（Sun et al，2012）。

通過(guò)對(duì)云南彌勒小白龍洞石筍的鈾系測(cè)年和氧、碳同位素組成分析，厘定了距今36 — 52 ka印度季風(fēng)突變事件的年代，發(fā)現(xiàn)云南石筍δ18O記錄的印度季風(fēng)變化和南京葫蘆洞石筍δ18O記錄的東亞季風(fēng)變化十分相似，明確了東亞季風(fēng)和印度季風(fēng)千年尺度變化的同相位特征。通過(guò)與南極冰芯記錄的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)云南石筍δ18O記錄的季風(fēng)突變事件同南極冰芯δD記錄的溫度變化在趨勢(shì)上基本一致，指出南半球氣候變化可通過(guò)穿赤道氣流和水汽傳輸對(duì)印度季風(fēng)產(chǎn)生重要影響（Cai et al，2006）。

對(duì)中國(guó)西北地區(qū)典型湖相沉積和紅柳沙包序列綜合研究，查明末次冰期晚期以來(lái)千年尺度的氣候事件特征及其與季風(fēng)-西風(fēng)相互作用的聯(lián)系。青海湖沉積物揭示了末次冰期晚期時(shí)段的多次強(qiáng)沙塵事件，全新世多次小幅度的季風(fēng)減弱事件，與高緯地區(qū)的降溫事件有良好對(duì)應(yīng)關(guān)系，確認(rèn)了西風(fēng)環(huán)流在高中緯地區(qū)氣候變化的動(dòng)力聯(lián)系中扮演的重要角色（An et al，2012）。受西風(fēng)影響的新疆烏倫古湖環(huán)境代用指標(biāo)變化表明，全新世經(jīng)歷了多次冷暖干濕的變化過(guò)程和湖面大幅波動(dòng)，表明西風(fēng)氣候變化的不穩(wěn)定特征（Jiang et al，2007）。在新疆羅布泊地區(qū)的紅柳沙包沉積中，植物殘?bào)w的碳同位素變化表明在小冰期時(shí)段相對(duì)冷濕的氣候特征，揭示出區(qū)域水循環(huán)主要受控于西風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)（Liu et al，2011）。

圖2 大陸環(huán)境鉆探關(guān)鍵鉆孔和重要石筍位置及主要成果示意圖Fig.2 The sites of the main drills and stalagmites about the Continental Environmental Drilling Programme,and the primary discoveries

2.3 通過(guò)不同環(huán)境單元的分析與綜合集成，研究全新世亞洲季風(fēng)氣候變化的時(shí)空特征和影響因素

通過(guò)綜合中國(guó)南北不同地區(qū)石筍記錄，發(fā)現(xiàn)全新世以來(lái)石筍δ18O值都具有增加趨勢(shì)，確認(rèn)了太陽(yáng)輻射對(duì)亞洲夏季風(fēng)的調(diào)控作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)石筍δ18O變化指示的夏季風(fēng)降水開(kāi)始減少的時(shí)間自南向北逐漸變晚，揭示全新世夏季風(fēng)減弱趨勢(shì)與北半球太陽(yáng)輻射變化一致，但季風(fēng)降水開(kāi)始減弱的時(shí)間有空間差異。通過(guò)與西太平洋海面溫度變化記錄進(jìn)行對(duì)比，并考慮全球氣候模式不同時(shí)段的氣候模擬結(jié)果，提出受海陸溫差調(diào)制的副熱帶高壓變化對(duì)夏季風(fēng)降水有重要影響（Cai et al，2010b）。

通過(guò)對(duì)我國(guó)西南到東北斷面末次冰消期以來(lái)泥炭的生物標(biāo)記化合物記錄進(jìn)行綜合分析，重建了全新世溫度和有效濕度的空間變化特征，揭示中國(guó)南北方在溫度變化一致的背景下，有效濕度變化的空間模式并不相同。重建的東北地區(qū)溫度變化趨勢(shì)和日本海海表面溫度變化一致，認(rèn)為日本海海表面溫度可能通過(guò)影響東北地區(qū)陸地表面溫度，再通過(guò)地表蒸發(fā)影響區(qū)域的有效降水（Zhou et al，2010a）。通過(guò)對(duì)紅原泥炭開(kāi)展綜合研究，揭示出當(dāng)?shù)刂脖谎莼?jīng)歷了不同階段，反映出高山生態(tài)系統(tǒng)對(duì)南亞和東亞季風(fēng)系統(tǒng)的不同響應(yīng)（Zhou et al，2010b），發(fā)現(xiàn)全新世冬、夏季風(fēng)演化存有此消彼長(zhǎng)和同時(shí)消長(zhǎng)兩種基本模態(tài)（Yu et al，2006）。

研究青藏高原東緣泥炭和南部石筍記錄的全新世千年-百年尺度的印度季風(fēng)氣候變化，及其與ITCZ南北移動(dòng)、高北緯地區(qū)冷事件和太陽(yáng)活動(dòng)變化的聯(lián)系。青藏高原南部石筍記錄同樣揭示了早中全新世可與董哥石筍、Cariaco盆地元素及格陵蘭地區(qū)溫度記錄良好對(duì)比的印度季風(fēng)突變事件，相對(duì)較大的石筍δ18O變率表明高海拔地區(qū)記錄對(duì)氣候快速變化更為敏感，認(rèn)為北半球高緯地區(qū)變冷引起的ITCZ南移是印度季風(fēng)變?nèi)醯闹饕T因（Cai et al，2012）。石筍和泥炭纖維素氧同位素記錄均顯示出顯著的百年-十年尺度太陽(yáng)活動(dòng)周期，揭示出太陽(yáng)活動(dòng)可能是青藏高原南部降水和東北部溫度變化的主控因子（Cai et al，2012；Xu et al，2006）。

3 影響及評(píng)價(jià)

提出的“冰期-間冰期印度季風(fēng)動(dòng)力學(xué)”理論，入選2011年度“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”和“十大地質(zhì)科技進(jìn)展”，并以Article形式發(fā)表在《Science》上，同期專題評(píng)論認(rèn)為（鶴慶）古湖沉積物的分析對(duì)印度季風(fēng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)；《Nature China》以研究亮點(diǎn)進(jìn)行了報(bào)道，認(rèn)為印度夏季風(fēng)的新觀點(diǎn)對(duì)我們理解全球氣候是重要的，強(qiáng)調(diào)了全球變暖對(duì)季風(fēng)變率的潛在影響?！按笪餮蠼?jīng)向環(huán)流對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響”被《Nature China》作為研究亮點(diǎn)進(jìn)行評(píng)論，認(rèn)為該工作暗示全球變暖造成的格陵蘭地區(qū)融冰變化，可能會(huì)直接影響到東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度、粉塵粒度和夏季風(fēng)降水?！叭率纴喼藜撅L(fēng)變化時(shí)空特征及控制因素”的研究，確認(rèn)了太陽(yáng)輻射對(duì)季風(fēng)強(qiáng)度變化的宏觀調(diào)控，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)赤道太平洋的海溫變化通過(guò)影響副熱帶高壓調(diào)制季風(fēng)鋒面的擺動(dòng)。

本成果以亞洲季風(fēng)變遷機(jī)理為主線，從地球系統(tǒng)科學(xué)的視角將東亞古季風(fēng)研究，拓展為多尺度與多動(dòng)力因子、區(qū)域與全球相結(jié)合的“亞洲季風(fēng)變遷與全球氣候的聯(lián)系”集成研究。獲得了冰期-間冰期至千年尺度季風(fēng)變化動(dòng)力的新認(rèn)識(shí)，引領(lǐng)我國(guó)黃土、第四紀(jì)研究與全球環(huán)境變化科學(xué)相融合，推動(dòng)了與季風(fēng)相關(guān)的過(guò)去全球變化科學(xué)的發(fā)展，榮獲2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

致謝：該工作受到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)際大陸鉆探計(jì)劃、中美重大國(guó)際合作計(jì)劃的聯(lián)合資助。除主要完成人外，劉曉東、劉衛(wèi)國(guó)、金章東、于學(xué)峰、徐海、石正國(guó)、鮮鋒、汶玲娟、強(qiáng)小科、程鵬、董吉寶、鄭艷紅、肖霞云、蔣慶豐等也做出了貢獻(xiàn)。

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Asian monsoon change and its links to global climate

AN Zhisheng1,SUN Youbin1,CAI Yanjun1,ZHOU Weijian1,SHEN Ji2
1.State Key Laborotary of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710061,China
2.Nanjing Institute of Geography and Limnologyineces,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China

As an integral part of the global climate system,the Asian monsoon has played a key role in linking climatic changes between high- and low-latitude regions.Monsoon-induced precipitation changes have signi fi cant impacts on the living environment in densely populated East Asia,especially in the context of global warming.Thus,investigating natural variability and dynamics of the Asian monsoon is essential for promoting a sustainable global future,because the monsoon-related hydrological cycle plays a critical role in global ecological and social systems.This project focuses on past monsoon variability and its dynamical links to global climate,and attempts to provide a natural analog for the current interglacial climate and a scienti fi c basis for future climate projections.The major fi ndings are as follows:By investigating Chinese loess,speleothem,lake and peat deposits,the research team employed multiple proxies to reconstruct Indian and East Asian monsoon variability on glacial-interglacial to centennial timescales.The team generated a high-resolution continental record of the Indian monsoon variability spanning the last 2.6 Ma from a paleolake in southwestern China; demonstrated the high degree of similarity between abrupt temperature-wind-precipitation changes during the last glaciation between high- and middle-latitudes; and produced a synthesis of speleothem-lake-peat records in order to address the spatiotemporal variability of the Holocene summer monsoon.Through integration of various proxies and model results,the team addressed the importance of interhemispheric forcing in driving Indian summer monsoon variability on glacialinterglacial timescales; confirmed the influence of Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) on abrupt monsoon changes; and deciphered the asynchronous nature and drivers of the weakening of the Holocene monsoon.These findings demonstrate that multiscale monsoon variability is dynamically linked to external (Solar insolation and outputs) and internal (e.g.,Antarctic temperature,Ice volume,AMOC) factors.Based upon integrated understanding of regional and global climate changes,the research team expanded past research on monsoon variability and dynamics to produce a new perspective on earth system science,as well as thoroughlyconsidering the interplay among different timescales and various forcing factors.These results were published in high pro fi le journals such asScience,Nature Geoscience,Geology,andEarth and Planetary Science Letters.Twenty major publications were cited more than 500 times by paleoclimate and modeling communities.In particular,a new theory on “Glacial-interglacial Indian Summer monsoon dynamics” was regarded as a challenge to traditional views of Indian monsoon dynamics and was listed among the “Top Ten Scienti fi c Progress of China”and the “Ten Geological Science and Technology Progress of the Geological Society of China” in 2011.This work won a Second Class National Natural Science Awardwas award in 2016.

安芷生,孫有斌,蔡演軍,等.2017.亞洲季風(fēng)變遷與全球氣候的聯(lián)系[J].地球環(huán)境學(xué)報(bào),8(1): 1– 5.

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10.7515/JEE201701001