過去兩千年青藏高原百年尺度溫度變化的時空格局

李秀美,劉蘇濤,張力方,閆軍輝,范寶偉

(信陽師范大學 地理科學學院/河南省水土環境污染協同防治重點實驗室, 河南 信陽 464000)

0 引言

過去2000 a是氣候變化研究中極為重要的時段,是銜接地質記錄和器測、歷史文獻資料的時間窗[1]。這一時段氣候變化歷史涵蓋了以北歐地區最為典型的幾個特征時期,如黑暗時代冷期(Dark Age Cold Period, DACP)、中世紀溫暖期(Medieval Warm Period, MWP)、小冰期(Little Ice Age, LIA)和工業革命以來的快速增溫期(Current Warming Period, CWP)。揭示該時段氣候變化歷史與規律,可為辨識氣候自然變化率以及人類活動在全球氣候變化中的作用提供重要依據,對目前全球增溫可能引發的氣候災變具有重要的預警意義[2-3]。

青藏高原平均海拔在4000 m以上,是全球氣候變暖最強烈的地區。深入研究青藏高原過去2000 a氣候變化可以為預測全球變暖背景下青藏高原水資源的變化趨勢提供依據,亦可為人類如何適應未來氣候變化提供歷史借鑒[3]。過去十幾年來,研究者通過不同的氣候載體已經對青藏高原晚全新世古溫度重建做了大量研究工作。然而,目前對于過去2000 a青藏高原溫度變化的時空特征還不甚清晰;關于中世紀暖期、小冰期以及現代暖期的起止時間以及溫度變幅在不同的研究結果中也不一致[4-7]。近年來,反映青藏高原過去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化地認識該區溫度變化的時空特征。本研究對青藏高原過去2000 a最新的溫度代用序列(主要包括樹輪、湖泊沉積物和冰芯等)進行收集,通過區域對比以及集成分析方法,深入分析青藏高原過去2000 a溫度變化的基本特征。

1 研究數據與研究方法

1.1 研究數據

對青藏高原已經發表的過去2000 a溫度代用序列進行整理,選擇年代可靠、代用指標氣候指示意義明確的古溫度記錄進行研究。對溫度記錄的選取主要依據以下6條標準:(1)代用序列的采樣點位置必須位于青藏高原或其毗鄰地區;(2)代用序列長度至少達到1500 a,并且記錄連續沒有間斷;(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)序列的時間分辨率至少為30 a,但對于高分辨率記錄非常稀缺的地區,可以采用分辨率相對較低的溫度記錄作為支持證據;(5)代用序列變化主要受溫度變化驅動,而不是受人類活動控制;(6)如果時間序列是基于放射性14C定年法,過去2000 a中至少需要包含2個可靠的定年結果,且最終年齡應為碳庫效應校正后的日歷年齡?；谏鲜鲈瓌t,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圖1,序列的基本特征見表1(表1中樣點字母編號與圖1對應)。其中祁連山樹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 青藏高原過去2000 a溫度代用資料分布圖(大寫字母為各溫度記錄編號,溫度記錄的詳細信息見表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

根據所有序列集成的溫度記錄,將青藏高原過去2000 a溫度變化粗略地劃分為4個典型的冷暖期。然后,根據以下步驟,將每條溫度記錄各冷暖期進一步劃分為暖、適度溫暖、適度寒冷和冷等4個級別:(1)對于大部分指標,數值越大指示溫度越高,但亦存在一些指標其數值越大指示溫度越低(比如卡拉庫里湖的磁化率指標),本文將這類序列取相反數,從而使氣候序列值與溫度正相關;(2)每條溫度序列按照各自過去2000 a的平均分辨率進行線性插值,以避免原始數據分布不均勻對最終結果造成的影響;(3)將上述插值后的溫度值與過去2000 a整個序列的平均值進行比較,在各典型冷暖期內,如果插值數據在每個時期內有2/3高(低)于整個序列的平均值,就歸類為“暖期(冷期)”,如果超過1/2,但少于2/3的溫度值比過去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 過去2000 a青藏高原典型冷暖時段的劃分

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。青藏高原過去2000 a可以大體劃分為4個典型的冷暖時期,即 0—600 AD 和 1400—1900 AD 的冷期、600—1400 AD和20世紀的暖期(圖2)。其中1400—1900 AD和600—1400 AD可分別對應于歐洲的小冰期和中世紀暖期。本研究以這4個冷暖時段為基礎,探究各時段內青藏高原氣候冷暖干濕變化的區域特征。

圖2 青藏高原過去2000 a標準化溫度集成序列(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 過去2000 a青藏高原溫度變化的時空特征

過去2000 a不同時段青藏高原溫度變化的空間分布見圖3。0—600 AD,高原西北部、東北部和東部大部分研究點表現為冷或相對寒冷(圖3a)。然而,西部夏達錯、東北部青海湖和中部普若崗日冰芯指標指示該時段氣候相對溫暖,中部達則錯在此時段氣候溫暖。600—1400 AD,青藏高原大部分研究點的古氣候記錄表現為氣候溫暖(圖3b),因而該時段可看作青藏高原的中世紀暖期。值得說明的是,該時段高原東北部庫賽湖不同指標重建的溫度記錄表現出不一致的變化特征,庫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(Glycerol dialkyl glycerol tetraethers, GDGTs)指標[20]指示氣候寒冷。上述差異可能與不同指標指示氣候變化的季節性差異有關。與大部分湖泊和樹輪記錄指示的暖期不同,高原上4條冰芯(古里雅、敦德、達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,中世紀暖期青藏高原溫度變化存在明顯區域差異。

圖3 青藏高原過去2000 a 4個時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為冷期(圖3c)。這一時段可被稱為青藏高原的小冰期。古里雅冰芯記錄獨特的氣候特征可能與記錄的年代問題有關[21]。此外,庫賽湖不同指標指示的氣候特征存在差異,該湖紋層指標指示1400—1900 AD氣候適度寒冷,但湖泊孢粉和GDGTs指標指示此時段氣候溫暖。20世紀高原大部分氣候記錄表現為暖期(圖3d)。與其他記錄顯著變暖的氣候特征相比,達則錯和尕海20世紀表現為適度溫暖,而蘇干湖和夏達錯則表現為寒冷。庫賽湖GDGTs、紋層和孢粉指標分別指示20世紀區域氣候溫暖、適度溫暖和寒冷。

上述分析表明青藏高原過去2000 a溫度變化存在區域差異。古氣候記錄的季節性偏差可能是上述氣候差異的重要原因,很有必要對青藏高原過去2000 a溫度記錄的季節性偏差進行探討。

4 過去2000 a青藏高原溫度變化的季節性差異

青藏高原過去2000 a各溫度代用序列的時間變化如圖4(黑色虛線為原始數據,紅色實線為30 a滑動數據)。孢粉(圖4c)[15]、冰芯δ18O(圖4g)[10]、磁化率(圖4d)[8]和GDGTs(圖4e、 f)[9, 12]等多指標記錄了青藏高原過去2000 a的年均溫度變化。不同指標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去2000 a氣溫整體呈變暖趨勢(圖4g)。該冰芯記錄沒有表現出明顯的MWP或者LIA,但20世紀變暖是顯著的且前所未有的。天才湖GDGTs(圖4f)和卡拉庫里湖磁化率(圖4d)指標重建的年均溫度也體現出了空前的20世紀變暖現象。然而,夏達錯GDGTs(圖4e)以及庫賽湖孢粉(圖4c)指標重建的年均溫度顯示20世紀為冷期。此外,卡拉庫里湖、夏達錯和天才湖的年均溫度記錄均表現出約600—1400 AD溫暖的MWP,以及1400—1900 AD寒冷的LIA。但庫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,過去2000 a青藏高原年均溫度變化還存在爭議。未來亟需更多定年可靠、且能準確指示年均溫度變化的指標來揭示青藏高原年均溫度的變化特征。

圖4 青藏高原過去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(圖4j)[11, 13-14]重建了青藏高原過去2000 a夏季溫度變化。青藏高原過去2000 a夏季溫度變化較為一致,總體表現為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世紀的暖期,并且20世紀升溫并不是很顯著,中世紀暖期才是過去2000 a中升溫最顯著且最溫暖的時段。不同指標重建的夏季溫度變化曲線之間各冷暖時段的時間差異,可能與溫度指標的敏感性差異以及年代問題有關。

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

每種代用指標重建氣候變化時都有自己獨特的重建方法和重建過程,轉換函數的選取、溫度指標的季節性差異、定年誤差等因素均可能導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,在青藏高原很有必要重建更多高質量(高分辨率、有準確的年齡控制、明確的季節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 結論

基于湖芯、冰芯和樹輪等16條古溫度記錄,綜合評估了青藏高原過去2000 a的百年際氣候變化特征。研究表明,高原過去2000 a百年際尺度氣溫變化大體可以劃分為4個典型時期:0—600 AD和1400—1900 AD的冷期、600—1400 AD和20世紀的暖期。1400—1900 AD和600—1400 AD兩個時段可分別視為青藏高原的小冰期和中世紀暖期。青藏高原過去2000 a溫度變化的季節性差異十分顯著,表現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,基于不同指標重建的同一區域過去2000 a溫度變化趨勢也存在顯著差異。代用指標的多解性和季節性、溫度轉換方程的適用性、定年誤差以及溫度記錄的空間異質性等因素均可能導致重建的溫度序列存在不確定性。青藏高原面積廣大,未來有待于增加溫度記錄的空間覆蓋度,填補研究薄弱區,重建更多高質量的古溫度記錄,以更全面地揭示青藏高原溫度變化的時空特征。