亞洲夏季風DO12 氣候事件的響應模式
——來自山西石筍的證據

張晗，黃偉，蔣瑩，陳子元，沈川洲，董進國

1.南通大學地理科學學院，江蘇南通 226007

2.宜春學院地理科學系，江西宜春 336000

3.臺灣大學地質科學系，中國臺北 10617

0 引言

一系列千年尺度突變事件是末次冰期氣候重要特征之一[1]，其中Dansgaard-Oeschger（DO）旋回成為古氣候學家關注的焦點。盡管DO 事件在空間分布上具有全球性特征[2]，但其變化模式和結構特征存在時空差異。在時間上，DO 事件的持續時間不盡相同，如格陵蘭冰芯記錄的DO3 間冰階持續時間為100 a，DO12 則為2 600 a[3]。在深海氧同位素（MIS）4階段，DO 氣候事件表現為“低頻高幅”特征；在MIS3階段則表現為“高頻高幅”并達到鼎盛期[4]，這可能與該時段中等大陸冰蓋規模、太陽輻射量、大氣CO2濃度等氣候邊界條件有關[5-6]。在這種氣候背景下，全球氣候邊界條件接近閥值狀態，易引發各種氣候要素快速變化[7]。

在空間上，兩極冰芯記錄在DO氣候旋回中表現出固定的變化模式，即格陵蘭冰芯以突變形式開始的“類直角梯形”，而南極冰芯呈現出緩慢升溫、緩慢降溫的“類等腰三角形”[8]。盡管目前研究已經建立了亞洲季風記錄與北大西洋氣候的聯系，揭示了北高緯氣候對低緯水文循環的驅動機制[9-11]，但亞洲季風對DO 事件的響應模式仍然存在多種可能性。Duanet al.[12]通過中國北方年紋層石筍記錄研究認為，其δ18O 記錄的DO15.2和14事件開始階段無論是持續時間還是突變特征均與格陵蘭冰芯記錄高度一致。然而，中國南方石筍記錄則表明，其在DO 事件起始過程中普遍呈現出類南極冰芯的“緩變”響應特征[13-17]。另外，經棚黃土剖面記錄的DO12 事件呈現出不對稱的“兩峰一谷”形態[18]，神農架大九湖泥炭記錄與之類似[19]，但重建的大氣濕度變化則呈現出四個“冷暖旋回”的高頻變化。在石筍記錄中，湖北永興洞在DO12 事件過程中呈現出一系列百年尺度的次級波動[20-21]，廣西響水洞則刻畫了“雙峰”形態[22]；在Heinrich 1 事件（簡稱H1 事件）向冰消階段轉型過程中，石筍指示的夏季風變化呈現“兩相位”模式[23]，其可能在其他氣候轉換時段也存在類似的變化特征。由此，目前面臨的問題是：季風響應的類DO 事件是否具有統一的變化模式和過程？如果的確存在區域差異，其背后的驅動機制又是什么？

黃土高原位于現代東亞夏季風影響的邊緣區，對東亞夏季風強/弱變化非常敏感。本文利用山西龍洞（編號：L2）高分辨率石筍δ18O 序列重建了MIS3 中期東亞夏季風的演化歷史，嘗試解析千年尺度DO12事件的變化模式，并初步探討高、低緯氣候系統聯系的動力學機制。

1 研究區域

山西省地處大陸東岸中緯度內陸，是典型黃土廣泛覆蓋的山地高原，其地勢東北高西南低，有利于東亞夏季風的入侵。同時，該區域又位于東亞夏季風影響的邊緣區，對冬、夏季風環流的進退變化非常敏感[24]。

太行龍洞（36o46?N，113o16?E，圖1）位于山西省長治市東南60 km 處，洞口海拔為1 600 m。洞長約1 000 m，洞內實測溫度為11 ℃，濕度接近100%（2014 年7 月測量結果）。受東亞夏季風影響，區域年平均降雨量約為530 mm，集中分布在5—10月，約占全年降雨量的87%。洞穴外部植被覆蓋較好，主要由灌木和喬木組成。

圖1 山西龍洞（五角星）與其他洞穴的地理位置（圖中灰色帶箭頭曲線代表850 hpa 夏季高空水汽流線）Fig.1 Location of Dragon Cave (star) and other caves (circles)

2 材料與方法

L2 采集時已停止生長，高約250 mm，外表皮光滑且顏色泛白。樣品呈柱形尖頭狀，底部直徑約為84 mm。取其一半打磨剖光，在日光下可見清晰水平狀生長層。樣品自上而下均由純凈碳酸鹽方解石組成，巖性致密無溶孔。在拋光面上，用直徑為0.9 mm牙鉆沿石筍地層順序鉆取13 個年代樣，每個樣品重量約為100~200 mg，化學分析和測試在臺灣大學高精度質譜與環境變遷實驗室完成測試[25]，采用同位素稀釋法修正質量偏差，測定U-Th 含量和同位素組成[26]，U-Th 半衰期數值參照Chenget al.[27]；分析儀器為多接收器電感耦合等離子體質譜儀（MC-ICP-MS Neptune），年齡分析誤差為±2σ，結果見表1。同時，沿石筍生長中心軸采用0.3 mm的鉆頭，以1 mm為間距獲取239 個氧同位素數據。使用碳酸鹽自動進樣裝置（KIEL CARBONATE DEVICE Ⅲ），將磷酸與CaCO3反應提取CO2，其經純化后送入MAT-253 質譜儀上進行加速離子化檢測，每批測試樣品插入4個標準樣品（NBS-19）進行儀器狀態監測。分析誤差小于±0.06‰，實驗標準為VPDB，由南京師范大學地理科學學院同位素實驗室完成。

表1 石筍L2的MC?ICP?MS 測年結果Table 1 MC?ICP?MS230Th dates for stalagmite L2

3 結果

3.1 石筍時標序列的建立

由表1 可知，石筍238U 含量相對較高（0.8~1.9）×10-6，而232Th 含量相對較低（0.003~0.45）×10-9，因此測年精度整體較高。本文所測年齡均按沉積先后序列排列，通過對實測年齡點線性等間距內插建立MIS3中期48~41 ka B.P.時段石筍沉積演化時間序列（圖2c）。同時，考慮到L2樣品沉積速率不穩定（圖2d），筆者根據Hercmanet al.[28]提出的深度—年齡算法，重構了模擬時標（圖2e）。對比結果顯示：模擬時標與同一洞穴L30石筍時間序列相對更為吻合（圖2a，e）。因此，本文利用模擬時標建立了石筍L2δ18O 時標序列。

3.2 石筍氧同位素記錄

石筍L2δ18O 在-9.7‰~-7.1‰之間波動（圖2c），振幅約為2.6‰。在46.9 ka B.P.，δ18O值突然變輕（振幅達到1‰），指示H5 事件的結束；隨后δ18O 值持續偏輕，在45 ka B.P.時達到最小值（-9.5‰）。在此期間，石筍δ18O 值在亞千年—百年尺度上存在明顯波動。在42.9 ka B.P.，δ18O 值由-8.5‰負偏至-9.7‰，可能對應于DO11事件，最后在42.2 ka B.P.左右正偏至-8‰。

4 討論

4.1 龍洞δ18O記錄及其與北高緯氣候的聯系

來自同一洞穴L30 的δ18O 記錄[24]在測年誤差范圍內與L2共同記錄了H5，DO12和DO11等千年尺度氣候事件，表明龍洞石筍記錄具有重要的氣候參考意義。然而，兩支石筍記錄也存在一些細節差異，主要表現為：1）L30記錄的DO11事件始于43.5 ka B.P.，并持續了1 ka左右；而L2記錄的時間則較晚，持續時間明顯受到“壓縮”（圖2c）。2）在DO12 事件期間，L30δ18O值逐漸偏負，并在45.3 ka B.P.開始轉為逐漸偏正（至-8.3‰）的過程；而L2δ18O 值則整體呈現出持續偏負的過程，在結束時開始快速正偏，并呈現出明顯的次級波動信號。3）在H5 事件內部，L30δ18O值持續偏正，變幅達到1‰；相反，L2δ18O則呈現出偏負趨勢。筆者基于測年點計算出了兩支石筍的沉積速率變化，結果顯示（圖2b，d），L30 石筍沉積速率偏低（均值為16.5 μm/a），但較為穩定，大部分在4.7~29.4 μm/a范圍波動，只有在46.5~46.2 ka B.P.時段的沉積速率顯著上升（51.8 μm/a）；L2 石筍的沉積速率則較高（均值為43.8 μm/a），但不穩定，在17~130 μm/a 范圍波動。因此，考慮到洞穴巖溶系統不同位置滲水通道差異所引起的石筍生長速率的快慢變化，結合本文采用的模擬時間序列（圖2c），石筍各階段真實的沉積速率并不能完全反映出來。同時，石筍沉積速率變率太大也會導致其沉積過程中存在不同程度的同位素動力分餾效應[29]，這些洞內非氣候因素可能是造成同一洞穴兩支相同生長時段石筍δ18O 記錄存在細節差異的原因之一。然而，正如圖3所示，在千年—亞千年尺度氣候事件和長期趨勢變化方面，L2 和L30 記錄之間具有良好的對應性和協同性，即δ18O 變化主要取決于洞穴外界氣候環境的變化。

圖2 山西龍洞石筍δ18O 記錄（a，b）L30 δ18O記錄[24]，以及基于年齡控制點計算的沉積速率；（c，d）L2 δ18O記錄（本文）和沉積速率；（e）基于年齡—深度關系模擬的L2年齡模式[28]。圖中黑色實心點和條帶為L2石筍的U/Th年代結果和誤差，灰色陰影部分標注的是千年尺度弱季風事件Fig.2 Comparisons of δ18O record and growth rate from Dragon Cave during the last glacial period for (a, b) L30[24]; (c, d) L2(this study); (e) model age reconstructed for L2 record with depths and dates[28]Black solid dots and bars=U/Th results and dating uncertainties for stalagmite L2Gray shading=millennial scale weak Asian summer monsoon events

過去的研究工作已表明：山西石筍δ18O 值越偏負，指示亞洲夏季風越強，夏季風邊界北移，區域季風降水愈多；反之，δ18O 值越偏正，夏季風降水越少[24,32]。龍洞石筍δ18O記錄（圖3b，c）在軌道趨勢以及千年尺度波動變化特征方面與湖北永興洞（圖3d）、南京葫蘆洞（圖3e）、重慶羊口洞（圖3f）記錄具有很好的一致性，清晰地記錄了3次顯著的弱季風事件和2次強季風事件如DO12和DO11事件。而且，自弱季風事件結束后，中低緯石筍記錄的季風氣候總體呈現短暫的“突變”特征，即本文稱之為“第一相位I”（圖3），與格陵蘭地區氣溫快速增溫過程相對應，暗示其可能受到北高緯氣候的控制[9-10]。例如，在H5事件結束后，L2和L30δ18O值在數十年內從-7.7‰負偏至-8.7‰（圖3c）；同樣，重慶羊口洞（圖3f）、湖北永興洞（圖3c）δ18O振幅在不足100年內也超過了1‰。南京葫蘆洞（圖3e，灰色曲線）的“突變性”特征更加類似格陵蘭冰芯記錄，表明洞穴石筍δ18O信號在氣候過渡階段的高敏感性?？傮w而言，在各自測年誤差范圍內，這些千年尺度的弱、強季風事件與格陵蘭冰芯記錄的冷、暖氣候突變事件在起、止時間上可視為同步變化。這種較好的一致性表明，高、低緯氣候系統之間存在緊密的遙相關聯系，也支持了北大西洋地區通過?！獨怦詈蠈Φ途暭撅L環流起調控作用的觀點[10,33]。

圖3 石筍與格陵蘭冰芯δ18O 記錄對比（a）格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄（GICC05時標）[30]；（b）山西龍洞L30石筍δ18O記錄[24]；（c）山西龍洞L2 石筍δ18O 記錄（模擬時標，本文）；（d）湖北永興洞記錄[20￣21]；（e）南京葫蘆洞MSL（黑色）[10]和HL161（灰色）[31]石筍δ18O記錄；（f）重慶羊口洞記錄[15]。陰影部分表示包括H5 事件等三個千年尺度氣候冷階，圖中標記的羅馬數字和箭頭表示H5/DO12“三相位”變化過程Fig.3 Comparisons between (a) NGRIP ice core δ18O record(GICC05 timescale)[30]; (b) stalagmite δ18O records including L30[28]; (c) L2 (model age, this study); (d) Yongxing Cave[20￣21];(e) stalagmites MSL (black)[10] and HL161 (gray)[31] from Hulu Cave; and (f) from Yangkou Cave[15]Shadedbars=stadials(H5 etc.);I,II,III andarrows=“three￣phase”H5/DO12 transition

4.2 DO12事件響應模式區域對比

在DO12事件中，亞洲夏季風強度與格陵蘭溫度變化特征具有趨勢上的顯著差異（圖3，4）。格陵蘭冰芯δ18O 記錄顯示，H5 冷事件結束時當地氣溫快速回升到最高值，后而開始逐漸下降，呈明顯的“類直角梯形”。然而，在中低緯亞洲季風區，山西龍洞兩記錄顯示，東亞夏季風強度在H5事件結束后先是突然增強，而后緩慢地持續增強達到最大，隨后開始逐漸減弱直到下一個冰階的來臨，呈不對稱倒“V”形。同樣，南京葫蘆洞MSL 和HL161 記錄在該時段也呈現倒“V”形（圖3e），盡管HL161δ18O記錄在此過程中表現的不夠明顯。在西南地區，高分辨率的羊口洞石筍記錄在DO12 事件過程也呈現出不對稱倒“V”形（圖3f），而長江中游地區湖北永興洞石筍記錄的這一特征不夠明顯，呈現出相對平穩的狀態（圖3d）。

除了中國季風區的石筍記錄外，其他地區如地中海Sofular 洞[38]、印度北部Bittoo 洞[39]和也門Moomi洞記錄[11]均呈現出相似的不對稱倒“V”形變化模式。無獨有偶，北亞熱帶大西洋海表溫度在DO12期間的變化特征與格陵蘭溫度逐漸下降的趨勢也具有明顯差異（圖4c）。而且眾多海洋鉆孔記錄顯示，末次冰期北大西洋30°~40°區域的間冰階海表溫度變化均呈現出類倒“V”形的相對穩定特征[40]，尤其是冬春季溫度變化表現的更為明顯，可能受到大范圍風場變化的控制。在DO12 期間，科里亞科海盆巖芯反照率指示的熱帶輻合帶（ITCZ）位置在H5 事件結束后快速北進，隨后總體向北逐漸推進，在DO12 事件后半段開始逐步南撤（圖4d），其結構特征也呈不對稱倒“V”形，但整體上保持了相對穩定的水汽輸送能力，為豐沛的低緯季風降水以及活躍的大氣對流活動提供了必要條件。另外，我們也注意到南大西洋海表溫度（圖4e）和南極氣溫（圖4f）在DO12 期間呈持續下降。在Seesaw 模式調控下[41]，南北半球由于溫差和氣壓差導致ITCZ 位置的南北移動，以及越赤道氣流方向和影響范圍的變化[42]，澳—亞季風系統得以建立和維持[43-44]。當DO12 暖階開始時，北大西洋深層流恢復[45]，南大洋不斷將潛熱輸送到亞洲大陸，ITCZ（圖4d）和南半球西風帶逐漸向北移動[46]，北半球快速變暖，亞洲夏季風開始顯著增強（對應于第一相位I）。在此期間，印度季風區得到越赤道氣流帶來的充沛水汽，大氣對流活動顯著增強[35]，季風降水增加。這種持續供給的水汽源通過印度季風和東亞季風環流向我國北部輸送，帶來大范圍降水（對應于第二相位Ⅱ）。相反，到DO12 暖階后期，南大洋熱量積累逐漸被釋放，導致越赤道氣流規模和強度有所減弱；而且，格陵蘭地區氣溫持續降低可能導致北半球西風帶強度增強，致使低緯ITCZ 的位置隨之南移，亞洲夏季風強度開始呈下降趨勢（對應于第三相位Ⅲ），即表現為石筍δ18O 記錄中的倒“V”形模式。這一推測能夠解釋華北和西南兩處跨越數千公里的洞穴石筍δ18O 記錄共同響應了DO12 期間亞洲夏季風從持續增強到逐漸減弱的歷史（圖3，4）。

圖4 高、低緯不同區域地質記錄對比（a）格陵蘭NGRIP 冰芯δ18O 記錄[30]；（b）山西龍洞δ18O 記錄（模擬時標，本文）；（c）北亞熱帶大西洋海表溫度記錄[34]；（d）卡里亞科海盆巖芯反照率記錄[35]；（e）南大西洋海表溫度記錄[36]；（f）南極EDML 冰芯δ18O 記錄[37]。陰影部分表示包括H5 事件等三個千年尺度氣候冷階，圖中標記的羅馬數字和箭頭表示H5/DO12“三相位”變化過程Fig.4 Comparisons of multi￣proxy records for the DO12 stage from high to low latitudes(a)NGRIP ice core δ18O record[30];(b)L2(model age,this study);(c)sea surface re￣cord(SST)from the subtropical North Atlantic Ocean[34];(d)reflectance record from Cariaco Sea Basin[35];(e)SST record of the South Atlantic[36];and(f)EDML ice core δ18O record[37].Shaded bars=stadials(H5 etc.);I,II,III and arrows=“three￣phase”H5/DO12 transition

以龍洞等為代表的亞洲季風區洞穴石筍記錄在千年尺度冷暖事件轉型上具有鮮明的特征。以DO12事件為例，山西石筍記錄的夏季風狀態呈現出先快速上升（Ⅰ），再逐漸平穩變化達到最大值（Ⅱ）后開始逐漸減弱（Ⅲ）的“三相位”特征（圖3，4），這與以往中國中部和西南地區的石筍記錄特征相一致[15,47]。除此之外，諸如DO1、DO8、DO12、DO17、DO19、DO20、DO22等持續較長時間的千年尺度事件在南方石筍記錄中均呈現“三相位”轉型模式[10,14,20,23,47-50]；在靠近南大洋一側的貴州和湖北西南部石筍記錄顯示，持續時間較短的DO事件也詳細印刻了此類特征的痕跡[51-52]。在北方地區，具有年紋層時標控制的高分辨率河北興隆洞石筍δ18O記錄顯示，持續時間較長的DO14強季風事件也具有類似的“三相位”變化特征[12]。石筍XL-1δ18O 值在DO15 冷階結束后十幾年內突然偏負，隨后緩慢持續負偏至-10‰，后又在DO14下半階段開始呈現逐漸偏正過程[12]，與龍洞記錄的DO12，14事件一樣具有倒“V”形結構特征[24]。

綜上所述，亞洲季風區石筍δ18O記錄的DO事件“第一相位I”突變特征與格陵蘭冰芯記錄的快速增溫過程相一致，體現了北高緯氣候對低緯季風環流的調控作用。同時，其“第二相位Ⅱ”緩變特征與南大洋溫度變化趨勢相似，暗示了南大洋水文過程對低緯季風的影響，隨后“第三相位Ⅲ”緩變特征又與格陵蘭地區持續降溫過程相類似，表明了北高緯氣候再次對低緯季風環流的主導調控作用。為此，低緯夏季風強度變化響應的DO 事件表現為南北半球的“混合模式”。

5 結論

地處現代季風邊緣區的山西龍洞石筍記錄了MIS3 中期（48~41 ka B.P.）以來東亞夏季風強度演化歷史。通過高精度鈾釷定年，建立了高分辨率的石筍δ18O時間序列，清晰記錄了類H5，DO12和DO11等千年尺度氣候事件，并初步得出以下結論：

（1）龍洞石筍δ18O 記錄與中國其他地區的石筍記錄在變化趨勢和千年尺度變化特征方面具有較好的一致性，表明了大區域范圍內中國石筍δ18O氣候信號的真實性和可靠性；山西石筍記錄的千年尺度季風事件響應于格陵蘭地區氣溫的冷暖波動，進一步支持北大西洋氣候通過?！獨怦詈蠙C制對低緯季風環流的調控作用。

（2）在H5/DO12 或者冷階/暖階轉型階段，石筍記錄的亞洲夏季風表現為“三相位”變化特征；在DO事件過程的變化模式上，低緯水文過程總體呈現出不對稱倒“V”形模式。DO12 期間，L2δ18O 值在突變后呈“階梯式”持續偏負，并在臨近結束時快速偏正，與中國中部、東部和西南地區的記錄相似，但與格陵蘭冰芯記錄不同，體現了低緯季風所記錄的南北半球信號的“混合模式”，這可能與南大洋潛熱釋放以及ITCZ南北移動施加的影響有關。

致謝 感謝兩位評審專家提出的建設性修改意見。