全新世氣候對千年尺度太陽活動的可能響應

尹志強 韓延本 王博

（中國科學院國家天文臺，北京 100012）

全新世氣候對千年尺度太陽活動的可能響應

尹志強 韓延本 王博

（中國科學院國家天文臺，北京 100012）

利用熟知的山洞石筍資料及重建的太陽黑子數獲取的時間序列，討論了長時間尺度上氣候對太陽活動變化的可能響應。小波分析顯示氣候變化與太陽活動變化在約1000及約2000年周期上具有一致性，這可能反映了全新世時期太陽活動的調制作用。另外，小波功率譜顯示在公元前2000年附近缺失千年周期，這種突變及氣候條件的長期變化可能給許多地區帶來社會性影響。

古氣候，太陽黑子數，全新世

1 引言

眾所周知，氣候系統受許多因素的影響，例如地球軌道變化、太陽活動變化、大型熱帶火山噴發、地面覆蓋差異及溫室氣體等。其中，太陽活動的變化是關鍵因素之一。目前有許多有關太陽活動變化與各種氣候記錄相關性的研究成果，但涉及千年時間尺度的太陽活動驅動氣候變化的機制與該驅動下氣候系統響應之間關系的研究相對較少[1-4]。

由于缺少更長時間的直接觀測或儀器記錄數據，我們只能依靠代用指標來研究全新世時期的古氣候。例如，樹木年輪、珊瑚、鐘乳石及冰芯等代用指標通常能很好地反映太陽活動、氣溫、濕度及季風強度等[5-7]。也有許多學者曾嘗試從陸地及海洋代用指標中獲取十年至百萬年時間尺度的氣候變化，研究太陽活動對氣候變化的驅動[3,7]。

對于千年周期尺度的氣候變化，格陵蘭冰芯及北大西洋的巖芯很好地記錄了全新世期間氣候變化[8-9]。許多學者也在古氣候資料，例如在Big Lake沉積物記錄[10]、加拿大[11]、北美花粉記錄[12]中找到了這些變化周期。Clemens等[13]認為千年尺度的氣候變化是由太陽活動世紀周期外差得來的。Bütikofer等[14]研究表明，全新世氣候記錄的典型特征是寬波段的準周期變化，而不具有某一顯著的譜峰。

本文對收集到的一些數據做了小波分析，以進一步研究全新世千年尺度的氣候變化，并討論存在的周期振蕩及氣候對太陽活動可能響應的時變特征。

2 數據及分析方法

2.1 重建的太陽黑子數

我們可以使用宇宙成因核素（如14C，10Be等）含量變化的高頻分量作為太陽活動變化的代用指標。宇宙成因核素是由宇宙線輻射與大氣分子相互作用形成的，其含量受太陽活動強度變化的調制。Solanki等[15]根據中緯度地區樹木年輪10年采樣間隔的高精度14C資料分析獲取的δ14C記錄，給出了覆蓋全新世的太陽黑字數（SSN）的重建結果。該數據在公元1600年之后的結果與實際觀測有很好的一致性。雖然10年采樣間

隔的數據不能用來分析太陽活動的高頻波動，但足以分析百年及更長的周期性振蕩。

2.2δ18O記錄

從冰芯、有孔蟲殼或石筍中獲取的穩定的氧同位素比值（18O/16O）記錄被廣泛用于古氣候的研究。千年尺度變化的分析對數據的要求更為嚴格，我們需要更長時間跨度及更高分辨率的信息。根據Fleitmann等[16]的分析報告，選取了兩個高分辨率及較長時間跨度的低緯度δ18O記錄。其中，董哥（Dongge）洞（25°17′N，108°5′E）的數據被認為記錄了過去9千年亞洲季風的信息，數據采樣間隔從1年至10年不等，平均采樣間隔為4年。該記錄與大氣14C記錄的十年至百年尺度的互相關分析顯示，該頻率的一些季風變化被認為是由太陽活動的變化引起的[1,17]。為了便于進一步分析，我們利用分段3次Hermite方法對該數據做了內插處理，得到5年間隔的數據序列。另一個從阿曼北部與南部及也門的4個山洞的全新世石筍中獲取的高分辨率δ18O數據，其提供了沿12°—23°N方向的沉積作用的詳細波動信息[16,18-19]。我們同樣利用分段3次Hermite方法以10年分辨率對該數據做了內插處理。下文中這兩個代用指標分別簡稱為Dongge及Qunf。圖1繪出了所有數據的曲線，以展示強或弱的突變事件。

2.3 小波分析

為了估計一些數據頻率的非平穩性，Morlet提出了小波變換。小波是一類用于對一給定的函數在空間及時間域上做局部化分析的函數。Morlet小波將三角函數與高斯函數相結合，通過時頻域上的小波濾波，將時間序列的信號與噪聲分離開。這樣可以有效消除噪聲的影響[20-22]。我們在研究中利用小波變換的方法對上述代用指標的時變信息在時間及頻率域上分別進行了估計。

圖1 SSN（紅）、Dongge（藍）及Qunf（黑）時間序列的變化曲線

3 結果及討論

圖2給出了SSN，Dongge及Qunf數據序列的小波變換結果。由于本文主要對百年及千年尺度長期波動的變化特征做研究，故把小波分析的周期范圍選為64～4096年。小波圖（圖2a，2c，2e）中，背景置為白色，由藍色至紅色表示能量由低到高的變化。利用時間序列的協方差對小波功率做了歸一化處理，以給出功率相對白噪聲的大小。圖2b，2d，2f分別給出了3個序列的全局小波譜。

圖2a顯示全新世期間SSN時間序列具有明顯的長周期波動（包括約220，517，1000及2000年等）。雙世紀周期的變化在190～220年之間，千年周期長度的變化在900～1100年之間，2000年周期長度的變化幅度為2040～2400年。圖2b的全局小波變換顯示所有的周期都在置信水平以上。圖2c—d顯示Dongge時間數據具有類似的特征。Dongge序列的主要周期約為210，567，1000，2320年。Qunf序列的分析顯示其幾個顯著的周期約為：1000，1820及2400年（如圖2e—f）。幾乎所有的δ18O的主要變化周期與SSN的變化周期接近。

全新世的十年與百年尺度上的10Be及14C中的約90年的Gleisberg周期及約200年的Suess周期以及其他太陽活動的記錄，同樣很好地在環境代用指標記錄中展現出來[7,23-28]。在百年及千年尺度上的小波分析顯示SSN的約200年周期幅度較大的時段主要為公元前約8000—6000年間、公元前約4000—2700年間、公元前約700—50年間，以及公元1500年前后的幾個時段內。

Dongge記錄同樣顯示出約200年的周期（圖2c）。雖然該記錄的譜分析顯示出顯著的208年及86年的太陽周期，且認為其受太陽驅動活動的影響[17]，但局部小波功率譜分析顯示該周期在Dongge與SSN數據中時間不一致（圖2a與2c）。圖2e顯示了Qunf序列的時變特征，我們發現在置信水平之上并不存在約200年周期（圖2f）。

上述的分析表明，約1000年及2000年的周期波動是SSN，Dongge及Qunf序列的更長期的變化特征，其都在置信水平之上。與其他波動相比，這些振蕩似乎更加穩定。尤其是3個序列的約1000年周期幾乎在整個時間跨度上一直存在。另外，Dongge的周期長度在公元前600年附近較短，在公元前2000年之后稍微變長。對Qunf記錄，在公元前2000年之前，該周期長度更為穩定，隨后稍微變短。這3個時間序列的局部小波功率譜顯示，在公元前2000年附近，約1000年周期有明顯的下降（圖2）。Debret等[29]給出了14C含量[10]

及10Be[30]的類似分析結果，主要的約1000年周期同樣在5000-0 B.P.呈現衰減。

為了展示這些序列的千年尺度波動，我們對每個時間序列做了歸一化尺度平均小波功率譜，圖3繪出了相應的結果（最大值為1，最小值為0）。千年尺度變化的小波尺度約為900～1100年。

由圖3可以看到，Dongge及Qunf在千年尺度上有明顯的相關性。公元前7000—1000年間，Dongge序列的波動幅度與Qunf非常一致。公元前8500—7000年間，SSN的千年準周期幅度相對較大，隨后變小。雖然Dongge及Qunf的小波譜的平均能量似乎與SSN的相關性較差，它們在公元前2000年附近的最小值可能與上述的SSN千年尺度缺失相關。

連續小波變換結果表明，在過去的11000年期間，連續的千年尺度振蕩周期在1000～2000年左右。它們與在北大西洋發現的全新世約1500年周期不同[9-10]。另外，除Dongge與Qunf記錄的夏季日照的趨勢性變化外，兩數據記錄的許多突變事件也與14C序列相關[1,16,31]，我們的分析認為顯著的約1000年波動以及由這兩個記錄獲取的全新世約2000年波動可能來自于太陽活動的驅動。Debret等[29]同樣給出了北大西洋記錄的類似結果。

圖2 SSN、Dongge及Qunf數據序列的小波變換。（a）、（c）、（e）分別為SSN、Dongge、Qunf時間序列的局部小波功率譜；黑色虛線為Morlet小波變換端部效應的邊界，該邊界以下的小波譜的可靠性較差；黑色實線為95%置信水平的置信線。（b）、（d）、（f）分別為SSN、Dongge、Qunf時間序列的小波全局功率譜，虛線為以白噪聲為背景的95%置信水平的置信線

圖3 SSN、Dongge及Qunf時間序列的歸一化尺度平均小波功率譜

4 結論

通過再分析的中低緯度山洞石筍的δ18O數據序列，小波分析顯示全新世氣候的千年尺度的變化至少存在約一千年和約兩千年的兩個周期波動。我們的結果表明這兩個周期可能由太陽活動驅動。雖然譜分析發現δ18O記錄呈現出顯著的太陽活動百年峰值[17]，然而小波分析顯示它們在同一時間內與太陽活動周期并沒有明顯的相關性。從這一結果來看，全新世期間在千年尺度上，反應亞洲季風的δ18O代用指標，ITCZ或印度夏季季風的平均緯度位置是由太陽活動驅動的。與百年尺度的變化相比，千年尺度可能是氣候系統變

化的更基本的周期，這種波動很少受如復雜地形，地面覆蓋，火山驅動及溫室氣體等其他因素的影響[4]。考慮到在中緯度[32]及高緯度[29]各種氣候代用指標發現的千年尺度太陽驅動[33]，我們認為這種影響可能不是一種局部特征，而是廣泛地存在于整個氣候系統。

致謝:感謝Solanki教授提供重建的太陽黑子數序列，同時感謝NOAA古氣候項目提供替代數據。小波變換程序由C. Torrence及G. Comp開發，可通過如下鏈接獲取：http://paos.colorado.edu/research/wavelets/。

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Possible Response of Climate to Solar Activity on Millennial Scale during the Holocene

Yin Zhiqiang, Han Yanben, Wang bo
(National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012)

Based on well-known series from land-based caves and reconstructed sunspot numbers, the nature of climatic response to solar variability is discussed over a long-time scale. Wavelet analysis reveals coherence between the climatic and solar oscillations with periods of ～1000- and ～2000-yr that may ref l ect a modulation of solar activity during the Holocene. Moreover, the wavelet power spectra present that ～1000-yr cycle of these series is absent around ～2000 BC and this abrupt change and prolonged changes in climatic conditions might have brought about major societal challenges to many regions.

paleoclimate, Sun sunspots, Holocene

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.002

2014年1月1日；

2014年3月14日

尹志強（1979—），E-mail: yinzhq@bao.ac.cn

資助信息：國家重大科學研究計劃項目（2012CB957801）