李秀美,劉蘇濤,張力方,閆軍輝,范寶偉

(信陽(yáng)師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院/河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 信陽(yáng) 464000)

0 引言

過(guò)去2000 a是氣候變化研究中極為重要的時(shí)段,是銜接地質(zhì)記錄和器測(cè)、歷史文獻(xiàn)資料的時(shí)間窗[1]。這一時(shí)段氣候變化歷史涵蓋了以北歐地區(qū)最為典型的幾個(gè)特征時(shí)期,如黑暗時(shí)代冷期(Dark Age Cold Period, DACP)、中世紀(jì)溫暖期(Medieval Warm Period, MWP)、小冰期(Little Ice Age, LIA)和工業(yè)革命以來(lái)的快速增溫期(Current Warming Period, CWP)。揭示該時(shí)段氣候變化歷史與規(guī)律,可為辨識(shí)氣候自然變化率以及人類活動(dòng)在全球氣候變化中的作用提供重要依據(jù),對(duì)目前全球增溫可能引發(fā)的氣候?yàn)?zāi)變具有重要的預(yù)警意義[2-3]。

青藏高原平均海拔在4000 m以上,是全球氣候變暖最強(qiáng)烈的地區(qū)。深入研究青藏高原過(guò)去2000 a氣候變化可以為預(yù)測(cè)全球變暖背景下青藏高原水資源的變化趨勢(shì)提供依據(jù),亦可為人類如何適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供歷史借鑒[3]。過(guò)去十幾年來(lái),研究者通過(guò)不同的氣候載體已經(jīng)對(duì)青藏高原晚全新世古溫度重建做了大量研究工作。然而,目前對(duì)于過(guò)去2000 a青藏高原溫度變化的時(shí)空特征還不甚清晰;關(guān)于中世紀(jì)暖期、小冰期以及現(xiàn)代暖期的起止時(shí)間以及溫度變幅在不同的研究結(jié)果中也不一致[4-7]。近年來(lái),反映青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化的高分辨率重建序列逐漸增多,有助于更加深入和細(xì)化地認(rèn)識(shí)該區(qū)溫度變化的時(shí)空特征。本研究對(duì)青藏高原過(guò)去2000 a最新的溫度代用序列(主要包括樹(shù)輪、湖泊沉積物和冰芯等)進(jìn)行收集,通過(guò)區(qū)域?qū)Ρ纫约凹煞治龇椒?深入分析青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化的基本特征。

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

對(duì)青藏高原已經(jīng)發(fā)表的過(guò)去2000 a溫度代用序列進(jìn)行整理,選擇年代可靠、代用指標(biāo)氣候指示意義明確的古溫度記錄進(jìn)行研究。對(duì)溫度記錄的選取主要依據(jù)以下6條標(biāo)準(zhǔn):(1)代用序列的采樣點(diǎn)位置必須位于青藏高原或其毗鄰地區(qū);(2)代用序列長(zhǎng)度至少達(dá)到1500 a,并且記錄連續(xù)沒(méi)有間斷;(3)代用序列必須具有明確的氣候指示意義,可以明確地反映溫度變化;(4)序列的時(shí)間分辨率至少為30 a,但對(duì)于高分辨率記錄非常稀缺的地區(qū),可以采用分辨率相對(duì)較低的溫度記錄作為支持證據(jù);(5)代用序列變化主要受溫度變化驅(qū)動(dòng),而不是受人類活動(dòng)控制;(6)如果時(shí)間序列是基于放射性14C定年法,過(guò)去2000 a中至少需要包含2個(gè)可靠的定年結(jié)果,且最終年齡應(yīng)為碳庫(kù)效應(yīng)校正后的日歷年齡。基于上述原則,本文共收集到了16條溫度記錄[8-19]。各溫度代用序列的地理位置見(jiàn)圖1,序列的基本特征見(jiàn)表1(表1中樣點(diǎn)字母編號(hào)與圖1對(duì)應(yīng))。其中祁連山樹(shù)輪年表記錄的溫度雖然只有1343 a,但由于其明確的氣候指示意義以及極高的分辨率也被選中作為青藏高原東北部的溫度序列。

表1 青藏高原過(guò)去2000 a溫度記錄信息Tab. 1 Information of temperature records over the Tibetan Plateau during the past two millennia

圖1 青藏高原過(guò)去2000 a溫度代用資料分布圖(大寫字母為各溫度記錄編號(hào),溫度記錄的詳細(xì)信息見(jiàn)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

根據(jù)所有序列集成的溫度記錄,將青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化粗略地劃分為4個(gè)典型的冷暖期。然后,根據(jù)以下步驟,將每條溫度記錄各冷暖期進(jìn)一步劃分為暖、適度溫暖、適度寒冷和冷等4個(gè)級(jí)別:(1)對(duì)于大部分指標(biāo),數(shù)值越大指示溫度越高,但亦存在一些指標(biāo)其數(shù)值越大指示溫度越低(比如卡拉庫(kù)里湖的磁化率指標(biāo)),本文將這類序列取相反數(shù),從而使氣候序列值與溫度正相關(guān);(2)每條溫度序列按照各自過(guò)去2000 a的平均分辨率進(jìn)行線性插值,以避免原始數(shù)據(jù)分布不均勻?qū)ψ罱K結(jié)果造成的影響;(3)將上述插值后的溫度值與過(guò)去2000 a整個(gè)序列的平均值進(jìn)行比較,在各典型冷暖期內(nèi),如果插值數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)期內(nèi)有2/3高(低)于整個(gè)序列的平均值,就歸類為“暖期(冷期)”,如果超過(guò)1/2,但少于2/3的溫度值比過(guò)去2000 a序列的平均值高(低),則歸類為“適度溫暖期(適度寒冷期)”。

2 過(guò)去2000 a青藏高原典型冷暖時(shí)段的劃分

基于青藏高原16條溫度記錄集成的溫度序列變化如圖2所示。青藏高原過(guò)去2000 a可以大體劃分為4個(gè)典型的冷暖時(shí)期,即 0—600 AD 和 1400—1900 AD 的冷期、600—1400 AD和20世紀(jì)的暖期(圖2)。其中1400—1900 AD和600—1400 AD可分別對(duì)應(yīng)于歐洲的小冰期和中世紀(jì)暖期。本研究以這4個(gè)冷暖時(shí)段為基礎(chǔ),探究各時(shí)段內(nèi)青藏高原氣候冷暖干濕變化的區(qū)域特征。

圖2 青藏高原過(guò)去2000 a標(biāo)準(zhǔn)化溫度集成序列(虛線為集成溫度序列的平均值)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 過(guò)去2000 a青藏高原溫度變化的時(shí)空特征

過(guò)去2000 a不同時(shí)段青藏高原溫度變化的空間分布見(jiàn)圖3。0—600 AD,高原西北部、東北部和東部大部分研究點(diǎn)表現(xiàn)為冷或相對(duì)寒冷(圖3a)。然而,西部夏達(dá)錯(cuò)、東北部青海湖和中部普若崗日冰芯指標(biāo)指示該時(shí)段氣候相對(duì)溫暖,中部達(dá)則錯(cuò)在此時(shí)段氣候溫暖。600—1400 AD,青藏高原大部分研究點(diǎn)的古氣候記錄表現(xiàn)為氣候溫暖(圖3b),因而該時(shí)段可看作青藏高原的中世紀(jì)暖期。值得說(shuō)明的是,該時(shí)段高原東北部庫(kù)賽湖不同指標(biāo)重建的溫度記錄表現(xiàn)出不一致的變化特征,庫(kù)賽湖沉積物紋層厚度指示氣候溫暖[19];然而,該湖泊沉積物孢粉[15]和甘油二烷基甘油四醚類化合物指標(biāo)(Glycerol dialkyl glycerol tetraethers, GDGTs)指標(biāo)[20]指示氣候寒冷。上述差異可能與不同指標(biāo)指示氣候變化的季節(jié)性差異有關(guān)。與大部分湖泊和樹(shù)輪記錄指示的暖期不同,高原上4條冰芯(古里雅、敦德、達(dá)索普和普若崗日冰芯)氧同位素記錄均指示600—1400 AD氣候較寒冷(圖3b)。因此,中世紀(jì)暖期青藏高原溫度變化存在明顯區(qū)域差異。

圖3 青藏高原過(guò)去2000 a 4個(gè)時(shí)段溫度變化的空間分布圖Fig. 3 Spatial distribution map of temperature changes over the Tibetan Plateau in four periods during the past two millennia

1400—1900 AD,除了古里雅冰芯記錄之外,青藏高原其他記錄均表現(xiàn)為冷期(圖3c)。這一時(shí)段可被稱為青藏高原的小冰期。古里雅冰芯記錄獨(dú)特的氣候特征可能與記錄的年代問(wèn)題有關(guān)[21]。此外,庫(kù)賽湖不同指標(biāo)指示的氣候特征存在差異,該湖紋層指標(biāo)指示1400—1900 AD氣候適度寒冷,但湖泊孢粉和GDGTs指標(biāo)指示此時(shí)段氣候溫暖。20世紀(jì)高原大部分氣候記錄表現(xiàn)為暖期(圖3d)。與其他記錄顯著變暖的氣候特征相比,達(dá)則錯(cuò)和尕海20世紀(jì)表現(xiàn)為適度溫暖,而蘇干湖和夏達(dá)錯(cuò)則表現(xiàn)為寒冷。庫(kù)賽湖GDGTs、紋層和孢粉指標(biāo)分別指示20世紀(jì)區(qū)域氣候溫暖、適度溫暖和寒冷。

上述分析表明青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化存在區(qū)域差異。古氣候記錄的季節(jié)性偏差可能是上述氣候差異的重要原因,很有必要對(duì)青藏高原過(guò)去2000 a溫度記錄的季節(jié)性偏差進(jìn)行探討。

4 過(guò)去2000 a青藏高原溫度變化的季節(jié)性差異

青藏高原過(guò)去2000 a各溫度代用序列的時(shí)間變化如圖4(黑色虛線為原始數(shù)據(jù),紅色實(shí)線為30 a滑動(dòng)數(shù)據(jù))。孢粉(圖4c)[15]、冰芯δ18O(圖4g)[10]、磁化率(圖4d)[8]和GDGTs(圖4e、 f)[9, 12]等多指標(biāo)記錄了青藏高原過(guò)去2000 a的年均溫度變化。不同指標(biāo)重建的年均溫度變化特征并不一致。例如,青藏高原4條冰芯集成的溫度記錄表明過(guò)去2000 a氣溫整體呈變暖趨勢(shì)(圖4g)。該冰芯記錄沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的MWP或者LIA,但20世紀(jì)變暖是顯著的且前所未有的。天才湖GDGTs(圖4f)和卡拉庫(kù)里湖磁化率(圖4d)指標(biāo)重建的年均溫度也體現(xiàn)出了空前的20世紀(jì)變暖現(xiàn)象。然而,夏達(dá)錯(cuò)GDGTs(圖4e)以及庫(kù)賽湖孢粉(圖4c)指標(biāo)重建的年均溫度顯示20世紀(jì)為冷期。此外,卡拉庫(kù)里湖、夏達(dá)錯(cuò)和天才湖的年均溫度記錄均表現(xiàn)出約600—1400 AD溫暖的MWP,以及1400—1900 AD寒冷的LIA。但庫(kù)賽湖孢粉重建的年均溫度(圖4c)變化與之相反,即600—1400 AD氣候寒冷而1400—1900 AD氣候溫暖。整體而言,過(guò)去2000 a青藏高原年均溫度變化還存在爭(zhēng)議。未來(lái)亟需更多定年可靠、且能準(zhǔn)確指示年均溫度變化的指標(biāo)來(lái)揭示青藏高原年均溫度的變化特征。

圖4 青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化曲線Fig. 4 Temperature series over the Tibetan Plateau during the past two millennia

孢粉(圖4h)[18]、紋層厚度(圖4i)[19]以及烯酮指標(biāo)(圖4j)[11, 13-14]重建了青藏高原過(guò)去2000 a夏季溫度變化。青藏高原過(guò)去2000 a夏季溫度變化較為一致,總體表現(xiàn)為0—600 AD的冷期、以800—1000 AD為中心的暖期、以1400—1600 AD為中心的冷期以及20世紀(jì)的暖期,并且20世紀(jì)升溫并不是很顯著,中世紀(jì)暖期才是過(guò)去2000 a中升溫最顯著且最溫暖的時(shí)段。不同指標(biāo)重建的夏季溫度變化曲線之間各冷暖時(shí)段的時(shí)間差異,可能與溫度指標(biāo)的敏感性差異以及年代問(wèn)題有關(guān)。

阿尼瑪卿山樹(shù)輪重建的4—6月最大溫度曲線(圖4a)表明過(guò)去2000 a溫度最高的時(shí)段為890—947 AD,而非20世紀(jì)[16]。與之不同,祁連山樹(shù)輪重建的1—8月最低溫度曲線(圖4b)表現(xiàn)出20世紀(jì)空前的增溫現(xiàn)象[17]。二者的不同可能與研究者重建的方法有關(guān),也可能與樹(shù)輪所重建溫度的季節(jié)差異有關(guān)。這兩條樹(shù)輪溫度曲線均沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的中世紀(jì)暖期,可能因?yàn)闃?shù)輪在重建高分辨率的氣候變化上有優(yōu)勢(shì),但在百年甚至更低時(shí)間分辨率的氣候變化上存在不確定性[22]。

每種代用指標(biāo)重建氣候變化時(shí)都有自己獨(dú)特的重建方法和重建過(guò)程,轉(zhuǎn)換函數(shù)的選取、溫度指標(biāo)的季節(jié)性差異、定年誤差等因素均可能導(dǎo)致重建的溫度序列存在不確定性[23]。目前,青藏高原夏季溫度變化特征較為一致,但年均溫度變化特征還不明確,不同年均溫度記錄變化存在不一致性。未來(lái),在青藏高原很有必要重建更多高質(zhì)量(高分辨率、有準(zhǔn)確的年齡控制、明確的季節(jié)性以及精確地氣候指示意義)的古溫度記錄,特別是更多高質(zhì)量的年均溫度記錄,以更深入地揭示高原的古溫度變化特征。

5 結(jié)論

基于湖芯、冰芯和樹(shù)輪等16條古溫度記錄,綜合評(píng)估了青藏高原過(guò)去2000 a的百年際氣候變化特征。研究表明,高原過(guò)去2000 a百年際尺度氣溫變化大體可以劃分為4個(gè)典型時(shí)期:0—600 AD和1400—1900 AD的冷期、600—1400 AD和20世紀(jì)的暖期。1400—1900 AD和600—1400 AD兩個(gè)時(shí)段可分別視為青藏高原的小冰期和中世紀(jì)暖期。青藏高原過(guò)去2000 a溫度變化的季節(jié)性差異十分顯著,表現(xiàn)為年均溫變化存在明顯分歧,但夏季溫度變化特征較為一致。此外,基于不同指標(biāo)重建的同一區(qū)域過(guò)去2000 a溫度變化趨勢(shì)也存在顯著差異。代用指標(biāo)的多解性和季節(jié)性、溫度轉(zhuǎn)換方程的適用性、定年誤差以及溫度記錄的空間異質(zhì)性等因素均可能導(dǎo)致重建的溫度序列存在不確定性。青藏高原面積廣大,未來(lái)有待于增加溫度記錄的空間覆蓋度,填補(bǔ)研究薄弱區(qū),重建更多高質(zhì)量的古溫度記錄,以更全面地揭示青藏高原溫度變化的時(shí)空特征。