過去3ka我國寒冷變化的集成分析

過去3ka我國寒冷變化的集成分析

在全球變化研究中，“一體化”研究已被igbp確定為未來全球變化研究的重點(diǎn)。IGBP認(rèn)為,“集成”的關(guān)鍵是通過對(duì)所有主題的各個(gè)方面的研究結(jié)果進(jìn)行綜合,以獲取新的概念,并使(原有)認(rèn)識(shí)水平提高到一個(gè)新的高度?！凹伞睘檫^去全球變化研究提供了一種新的認(rèn)識(shí)論和方法論。在過去全球變化中,由于每種記錄在不同時(shí)期的準(zhǔn)確程度有所不同,不同記錄所記載的氣候變化信息也各不相同,任何一種記錄都不一定比其它記錄更準(zhǔn)確。因而從集成的思想出發(fā),通過把不同精度、不同分辨率、不同類型、不同環(huán)境意義的記錄相互校核、取長補(bǔ)短,有可能減少重建過去氣候變化的不確定性,獲得更為準(zhǔn)確合理的認(rèn)識(shí)。為實(shí)踐這一思想,同時(shí)為更清楚地揭示中國歷史時(shí)期的氣候變化狀況及當(dāng)前全球增暖過程所處的歷史位置,本文從最近我國所發(fā)表的大量文獻(xiàn)中,廣泛地收集了有關(guān)我國過去3ka冷暖變化的自然代用資料,嘗試對(duì)不同類型、不同分辨率的序列進(jìn)行了歸并和“集成”,進(jìn)而概括出中國過去3ka的冷暖階段及其變化特點(diǎn)。1采樣高效測量數(shù)據(jù)處理自然代用資料是重建歷史時(shí)期氣候變化的重要信息源。在我國近來的歷史氣候變化研究中,自然代用資料的采集和應(yīng)用得到了迅速發(fā)展,不僅類型增加、地域擴(kuò)大,而且采樣的分辨率和測試精度也均顯著提高。這些從自然界中所采集的代用資料與歷史文獻(xiàn)記錄相互獨(dú)立,且大多分布在歷史文獻(xiàn)記載相對(duì)貧乏的地區(qū),對(duì)其進(jìn)行綜合分析不但對(duì)揭示我國歷史時(shí)期的氣候變化特征有重要意義,而且也可與歷史文獻(xiàn)資料相互補(bǔ)充與驗(yàn)證。1.1環(huán)境意義的解釋不同的自然信息所記錄氣候變化信息和適用的時(shí)間尺度都是不同的。按反映環(huán)境變化分辨率的高低,我國目前已開發(fā)利用的自然信息可分為3種類型。(1)分辨率在年至10年以下的,如樹木年輪、石筍紋層、高分辨率湖泊沉積記錄。(2)分辨率在10年至100年左右的,如孢粉。(3)分辨率在100年以上的不連續(xù)事件,如冰川與冰緣現(xiàn)象、湖泊地貌。在上述自然信息中,分辨率在100年以上的不連續(xù)事件記錄通常對(duì)應(yīng)于持續(xù)數(shù)百年的氣候狀態(tài),盡管其分辨率較低且不連續(xù),但其與氣候變化的關(guān)系較直接,環(huán)境意義較明確,因此用其來解釋氣候變化的性質(zhì),甚至變化的定量特征,往往具有較高的準(zhǔn)確性。高時(shí)間分辨率、高測試精度信息源在準(zhǔn)確地確定環(huán)境變化事件的時(shí)間和揭示高頻的環(huán)境變化過程方面具有明顯的優(yōu)勢,但高分辨率氣候變化信息在較能詳盡地反映較高頻變化的同時(shí),也存在對(duì)低頻變化構(gòu)成干擾,甚至掩蓋低頻變化的問題,在用高分辨率信息分析低頻變化時(shí),需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡屯V波處理。高分辨率信息環(huán)境意義的解釋也存在一些問題,經(jīng)分析測試所得到的代用氣候變化信息往往是多種環(huán)境因素共同作用所形成的復(fù)合信息,在用其對(duì)所關(guān)注的氣候變化特征進(jìn)行解釋時(shí),尚不能有效地剔除其它環(huán)境因素的干擾;這些自然信息均需要通過適當(dāng)?shù)姆绞睫D(zhuǎn)換為指示氣候變化的參數(shù),但目前除樹木年輪信息的轉(zhuǎn)換有較明確的物理意義和成熟的方法外,其它信息均有待完善。另外,由于年代測定方法的局限,有些信息盡管可以取得高分辨率的樣品,但事實(shí)上這些樣品的精確定年仍存在較大誤差。1.2將自然信息納入到材料中的證據(jù)中氣候并不是以某一規(guī)范的周期變化,氣候變化一般發(fā)生在多種時(shí)間尺度上,不同尺度上的變化是彼此獨(dú)立的,受不同的驅(qū)動(dòng)力所驅(qū)動(dòng),服從各自的變化規(guī)律,實(shí)際上所見的氣候變化是不同尺度周期譜的疊加。但不同時(shí)間尺度的變化之間也存在密切的關(guān)系,長時(shí)間尺度變化是較短尺度變化的背景,較短尺度的變化疊加在長尺度變化之上。認(rèn)識(shí)過去3ka的冷暖變化規(guī)律,重點(diǎn)是分析百年尺度以上的變化,因此重點(diǎn)是選擇能夠反映百年尺度冷暖變化的證據(jù)。本文所使用的自然信息是從近20年來國內(nèi)主要學(xué)術(shù)刊物上公開發(fā)表的文獻(xiàn)中篩選出來的。這些證據(jù)需滿足的條件包括:第一,能明確地反映冷暖變化。對(duì)分辨率在百年以上事件性信息,除選擇指示寒冷事件的冰川和冰緣證據(jù)之外,古土壤信息盡可能選擇與冰川和冰緣現(xiàn)象在同一區(qū)域的古土壤,沙區(qū)古土壤的發(fā)育主要受水分條件控制,盡管通常情況下古土壤發(fā)育在暖濕時(shí)期,為避免可能出現(xiàn)的不確定性,盡量不予選取;高分辨率序列按照原文作者的分析結(jié)果選取明確反映冷暖變化的指標(biāo)。第二,所選擇的信息要有準(zhǔn)確的定年,對(duì)高分辨率序列其樣本分辨率不低于50～100a。第三,盡可能未受到人類活動(dòng)干擾。一般只有邊遠(yuǎn)地區(qū)才能夠基本滿足這一條件;而華北、太湖等東部平原地區(qū)受人類活動(dòng)干擾太大,資料不宜使用,只有較高山地上所獲得的信息才能勉強(qiáng)滿足要求。按以上條件篩選的結(jié)果,只有有限的信息能夠用來反映過去3ka冷暖變化。1.3對(duì)自然信息區(qū)的重新劃分,確定社會(huì)歷史單一性的基對(duì)我國過去3000年的冷暖變化而言,重點(diǎn)是百年尺度以上的變化。因此,本文首先以指示溫度變化意義明確、但分辨率在百年以上的冰川/冰緣和古土壤證據(jù)為基礎(chǔ),劃分冷暖變化階段,而把高分辨率信息所反映的高頻變化較看成是疊加在冷暖階段上的波動(dòng),在冷暖階段劃分的基礎(chǔ)上分析高分辨率信息所反映的變化。這樣,既發(fā)揮了低時(shí)間分辨率信息環(huán)境意義明確的優(yōu)點(diǎn),也發(fā)揮了高分辨率序列定年相對(duì)精確的長處。各種證據(jù)優(yōu)先性次序?yàn)?首先是冰川和冰緣信息;其次是古土壤信息;再次為孢粉和樹木年輪信息;最后是其它信息。具體方法為:首先,根據(jù)過去3ka來西部地區(qū)山地冰川前進(jìn)和東北、內(nèi)蒙古等北方地區(qū)的冰緣活動(dòng)現(xiàn)象確定主要寒冷階段;其次,將冰川和冰緣進(jìn)退事件與發(fā)生在對(duì)溫度變化敏感區(qū)的古土壤發(fā)育事件相結(jié)合,對(duì)冷暖階段作進(jìn)一步劃分;最后,將所獲得的結(jié)果與能夠反映冷暖變化的孢粉、冰芯、石筍紋層、樹木年輪、湖泊沉積等高分辨率序列相對(duì)比,從而驗(yàn)證冷暖期劃分的準(zhǔn)確性并進(jìn)一步確定每個(gè)冷暖期中的冷暖事件。鑒于影響自然信息形成因素的非單一性、不同類型的自然信息感應(yīng)氣候變化敏感程度的差別、年代測定方法的局限性等諸多因素的影響,目前序列之間的對(duì)比尚達(dá)不到高分辨率、數(shù)量化的水平,只是進(jìn)行在一定時(shí)段內(nèi)相對(duì)趨勢的對(duì)比。在對(duì)比過程中,如果序列之間在±50a之內(nèi)出現(xiàn)相似性質(zhì)的變化事件則認(rèn)為彼此變化是一致的。2自然信息反映了中國過去三個(gè)寒溫階段的冷溫2.1rabsp期中國西部山地冰川前進(jìn)和北方地區(qū)冰緣發(fā)育指示寒冷事件的存在,其中山地冰川前進(jìn)在統(tǒng)計(jì)意義上滯后于氣候變化12～13a,這對(duì)討論百年以上尺度變化時(shí)影響不大,而冰川或冰緣發(fā)育間斷或與冰川/冰緣現(xiàn)象交替出現(xiàn)的古土壤或?qū)囟茸兓容^敏感地區(qū)的古土壤則指示相對(duì)溫暖的狀況。收集已發(fā)表的有關(guān)過去3ka有關(guān)冰川/冰緣活動(dòng)和古土壤發(fā)育的證據(jù),結(jié)果如表1所示。把冰川/冰緣事件集中出現(xiàn)的時(shí)期確定為冷期,把冰川/冰緣活動(dòng)停滯、古土壤發(fā)育的時(shí)期確定為暖期,綜合對(duì)比冰川/冰緣事件與古土壤事件發(fā)生的時(shí)間,可把過去3ka冷暖變化過程劃分如下:3.1～2.7kaBP為冷期;2.7～2.5kaBP為暖期;2.5～2.3kaBP為冷期;2.3～1.95kaBP暖期;1.95～1.4kaBP冷期;1.4～1.15kaBP為暖期;1.15～0.95kaBP為冷期;950～650aBP為暖期;650～50aBP為冷期(圖1)。3.1～2.7kaBP的冷期中,在海洋性冰川區(qū)和大陸性冰川區(qū)均發(fā)現(xiàn)冰川前進(jìn)的證據(jù),大興安嶺伊圖里河一級(jí)階地上有冰楔發(fā)育。2.5～2.3kaBP冷期的證據(jù)包括:祁連山冷龍嶺和貢嘎山東坡海螺溝的冰川前進(jìn),大興安嶺伊圖里河的冰楔,內(nèi)蒙古岱海、鄂爾多斯和錫林浩特的冰卷泥。區(qū)分3.1～2.7kaBP和2.7～2.5kaBP兩個(gè)冷期的主要證據(jù)是,青海湖湖積平原上反映寒冷環(huán)境的泥炭土在2.74kaBP之后為栗鈣土所取代,2.7～2.6kaBP期間祁連山北山、若爾蓋瑪曲和內(nèi)蒙古大青山古土壤發(fā)育。在2.3～1.95kaBP的暖期中,青海湖黑馬河、若爾蓋瑪曲、內(nèi)蒙古大青山和岱海老虎山均有古土壤發(fā)育。在1.95～1.4kaBP的冷期中,冰川再次前進(jìn),其證據(jù)主要見于藏東南和川西海洋性冰川類型區(qū),與此對(duì)應(yīng)的冰緣現(xiàn)象見于內(nèi)蒙古岱海和大青山地區(qū)、甘肅馬銜山、大興安嶺北部,1.8～1.3kaBP北方寒溫性針葉林南進(jìn)。1.8kaBP前后,內(nèi)蒙古岱海老虎山和若爾蓋瑪曲有古土壤發(fā)育,其中,岱海老虎山1840±70aBP的古土壤層與其下1970±70aBP的古土壤層之間夾有明顯的黃土沉積,對(duì)應(yīng)1.9kaBP的前后存在冷期,1.5kaBP前后,內(nèi)蒙古大青山、烏鞘嶺、青海共和古土壤發(fā)育,顯示相對(duì)溫暖階段的存在。1.4～1.15kaBP期間,青海的貴南和共和、內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)鄂溫克旗等地古土壤發(fā)育,顯示總體上為溫暖的環(huán)境。在1150～950aBP冷期中,1150±80aBP以后藏東南阿扎冰川前進(jìn),940aBP以前川西海螺溝冰川前進(jìn)。950～700aBP期間,青海湖、內(nèi)蒙古大青山、若爾蓋瑪曲等地發(fā)育古土壤,指示溫暖的環(huán)境。650～50aBP的冷期中,我國西部及臨近地區(qū)的山地再次出現(xiàn)冰川活動(dòng)。冰川前進(jìn)最早見于650aBP前后。450～50aBP期間冰川前進(jìn)尤其顯著,在各地均留下3～4次冰川活動(dòng)的記錄,其時(shí)間主要集中在500～400aBP、300～250aBP,180～50aBP(其間可進(jìn)一步區(qū)分出180～130aBP和80～50aBP兩個(gè)冰川前進(jìn)階段)。若爾蓋瑪曲220aBP的古土壤和青海共和110aBP的古土壤分別處在冰川前進(jìn)的間歇期。2.2在暖期中的作用上述冷暖階段可以與孢粉、石筍紋層、湖泊沉積和樹木年輪等分辨率較高的自然證據(jù)序列對(duì)比,但顯著程度隨序列和時(shí)段的不同而有差異,在只考慮波動(dòng)過程、忽略變化趨勢差別的情況下與古里雅冰芯記錄也是可以對(duì)比的(圖1)。2kaBP以前可對(duì)比的序列主要是麥里的孢粉序列和臺(tái)灣的湖泊序列,這兩個(gè)序列顯示,3.1～2.7kaBP的冷期是開始于3.3～3.25kaBP的冷期的延續(xù),3.3～2.7kaBP期間存在3kaBP和2.8kaBP2個(gè)相對(duì)溫暖事件把冷期分為3段;2.7～2.5kaBP的暖期中在2.6kaBP前后偏冷;2.5～2.3kaBP的冷期中在2.37kaBP前后存在相對(duì)暖期;2.3～1.95kaBP的暖期在兩個(gè)序列中都很明顯,在臺(tái)灣的湖泊序列中該暖期是最顯著的,期間至少存在3次寒冷事件,分別在2.26kaBP、2.2kaBP和2.1kaBP。2～1kaBP可對(duì)比的序列為黑龍江密山和內(nèi)蒙古科爾沁麥里的孢粉序列、臺(tái)灣的高山湖泊沉積序列和古里雅冰芯序列。1.95～1.4kaBP的冷期在上述4個(gè)序列中均有表現(xiàn),除古里雅冰芯在時(shí)間上對(duì)應(yīng)較好外,其它序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系不如其他時(shí)段好。其中1.8kaBP前后的溫暖事件在4個(gè)序列中均有表現(xiàn),1.5kaBP的溫暖事件在臺(tái)灣湖泊序列中表現(xiàn)顯著,在內(nèi)蒙古科爾沁麥里的孢粉序列中也有表現(xiàn)。1.4～1.15kaBP的暖期中,4個(gè)序列均顯示1.3kaBP存在相對(duì)變冷事件,將此暖期分為兩個(gè)偏暖階段階段,前一個(gè)階段在黑龍江密山孢粉序列表現(xiàn)明顯,后一個(gè)暖期在內(nèi)蒙古科爾沁麥里的孢粉序列和臺(tái)灣的高山湖泊沉積序列中表現(xiàn)明顯。1150～950kaBP的冷期在4個(gè)序列中都存在,并且可以看出在1kaBP附近有一個(gè)變暖事件。1kaBP以來,黑龍江密山、科爾沁和秦嶺太白山的孢粉,北京的石筍紋層,內(nèi)蒙古岱海和臺(tái)灣的湖泊沉積等各序列都顯示存在中世紀(jì)暖期,且總體上暖于過去2ka中的其它時(shí)段,中世紀(jì)暖期開始的時(shí)間一般在1000～900aBP,結(jié)束的時(shí)間在650～550aBP,中世紀(jì)暖期中可識(shí)別出在880aBP、820aBP和750aBP附近存在3次寒冷事件。650～50aBP的冷期在各序列中都很明顯,并對(duì)期間的波動(dòng)有更為精確細(xì)致的記載,550aBP以來的3個(gè)冰川前進(jìn)階段分別與580～430aBP(包括580～530aBP和500～430aBP兩個(gè)冷谷)、380～230aBP(包含380～330aBP和300～230aBP兩個(gè)冷谷)、180～50aBP(包含180～130aBP和100～50aBP兩個(gè)冷谷)的顯著偏冷的時(shí)段相對(duì)應(yīng)。3暖期變化的特征第一,按表2所列方式對(duì)過去3ka的冷暖階段進(jìn)行歸納,結(jié)果顯示過去3ka的冷暖變化呈1.3～1.35ka的重現(xiàn)周期,期間包括4個(gè)相繼出現(xiàn)的冷暖階段:暖期(Ⅰ),持續(xù)300～350a;冷期(Ⅰ),持續(xù)550～600a;暖期(Ⅱ),持續(xù)200～250a;冷期(Ⅱ),持續(xù)200a左右。第二,根據(jù)冰川/冰緣活動(dòng)強(qiáng)度、古土壤發(fā)育程度,以及各序列指標(biāo)值的相對(duì)變化幅度推斷,在冷暖變化幅度上,300～350a的暖期(Ⅰ)較200～250a的暖期(Ⅱ)顯著,550～600a的冷期(Ⅰ)較200a左右(Ⅱ)的冷期顯著。第三,每個(gè)冷暖期中包含若干個(gè)相對(duì)冷暖事件。在每個(gè)300～350a的暖期(Ⅰ)中可區(qū)分出3個(gè)顯著的寒冷事件;在每個(gè)550～600a的冷期(Ⅰ)中至少包括2個(gè)較為顯著的溫暖事件,在資料較為詳細(xì)的1300～1900AD,可以識(shí)別出5次以冰川前進(jìn)為標(biāo)志的極端寒冷事件;在200～250a的暖期(Ⅱ)中可識(shí)別出1個(gè)主要寒冷事件;而在200a左右的冷期(Ⅱ)中可識(shí)別出1個(gè)溫暖事件。1.3～1.35ka周期在冷暖事件發(fā)生