石筍的氧同位素組成(δ18O)已被廣泛用于重建夏季風(fēng)變率,然而,太陽(yáng)活動(dòng)與季風(fēng)系統(tǒng)之間的關(guān)系尚不清楚。本研究基于中國(guó)中部雞冠洞2010-2022年13年間的降水、洞穴滴水和現(xiàn)代洞穴堆積物的δ18O值監(jiān)測(cè)活動(dòng)。通過(guò)分析不同厄爾尼諾事件下的水汽環(huán)流和當(dāng)?shù)亟邓€(xiàn)(LMWL)發(fā)現(xiàn),在季節(jié)-年際時(shí)間尺度上,降水量 δ18O值反映了大氣水汽環(huán)流,此外我們利用交叉小波變換分析研究了太陽(yáng)黑子數(shù)(SSN)和亞洲夏季季風(fēng)(ASM)之間的周期關(guān)系,因?yàn)樘?yáng)活動(dòng)是對(duì)ASM最重要的外部影響之一。我們研究區(qū)域的石筍δ18O數(shù)據(jù)反映了由太陽(yáng)活動(dòng)引起的當(dāng)?shù)亟邓哪甏H變化。與δ18O值相關(guān)的關(guān)鍵因素包括太陽(yáng)活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和與enso相關(guān)的海溫異常。我們推測(cè)是太陽(yáng)活動(dòng)的變化引起的熱帶海溫梯度異常,通過(guò)改變ENSO和印度洋偶極子(IOD)的變率影響中國(guó)中部水循環(huán),最終導(dǎo)致石筍δ18O的變化記錄。
太陽(yáng)是地球氣候系統(tǒng)的重要能源,控制著地球水文系統(tǒng)和地表輻射能量平衡,是影響氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)鍵因素。氣候變化已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題。因此,通過(guò)對(duì)古氣候變化的研究,了解過(guò)去的氣候變化模式,揭示其動(dòng)態(tài)機(jī)制,對(duì)預(yù)測(cè)未來(lái)的氣候變化具有重要意義。
雞冠洞(111?34′E, 33?46′N) 和石巖洞位于河南西部灤川縣黃土高原(秦嶺東部分支)的東南邊緣,這兩個(gè)洞穴相距約300米。研究區(qū)位于黃河和長(zhǎng)江分水嶺的北麓,處于濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)的邊界,對(duì)ASM的變化很敏感。巖溶系統(tǒng)是一個(gè)異質(zhì)且高度復(fù)雜的水文地質(zhì)系統(tǒng)。雞冠洞上覆基巖相對(duì)較?。?0–40 米厚),主要由震旦系綠泥質(zhì)大理巖組成(圖1),降水從巖石裂縫中滲透下來(lái)。
圖1 研究區(qū)域的地理位置(a)。 (b)雞冠洞地形圖。(c)雞冠洞示意圖。
1、樣本收集
使用自動(dòng)降水和粉塵采樣器(模型APS-3D)以及降水收集器收集并記錄了2010年至2022年的每個(gè)降水事件。如果在某個(gè)氣象站記錄了一個(gè)降水事件,但我們沒(méi)有收集到它,那么它就不被認(rèn)為是一個(gè)降水事件。樣品采集于雞冠洞監(jiān)測(cè)的5個(gè)洞穴水點(diǎn),包括2個(gè)滴水點(diǎn)、2個(gè)池水點(diǎn)和1個(gè)地下水點(diǎn)(DTH)。在采集樣品之前,用于收集水樣的聚丙烯瓶在1:1鹽酸和去離子水中沖洗,并在60℃的烘箱中干燥。瓶子一旦裝滿(mǎn)就被蓋住,用薄膜密封運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室,儲(chǔ)存在4℃冰箱里。2010年至2019年4月每?jī)蓚€(gè)月采樣一次,2019年4月至2022年每隔一個(gè)月采樣一次?,F(xiàn)代洞穴標(biāo)本通過(guò)在兩個(gè)滴水點(diǎn)下方放置直徑為10厘米的干凈玻璃板進(jìn)行收集,并每2個(gè)月更換一次。用干凈的刀從玻璃板上的現(xiàn)代洞穴標(biāo)本中刮取粉末樣品,并測(cè)量穩(wěn)定的氧同位素組成。
2、穩(wěn)定同位素分析
使用水同位素分析儀(IWA-35d-EP,LGR)對(duì)2010-2016年收集的水樣進(jìn)行分析,以確定水的δD和δ18O值。2017年至2022年采集的樣本使用福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室中心的液體同位素分析儀(L2140-i CRDS,Picarro)進(jìn)行分析。使用三個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)(δ18O:-19.13‰、-8.61‰和-0.15‰;δD:-144‰、-63.4‰和-1.7‰)作為參考標(biāo)準(zhǔn)。所有結(jié)果均以相對(duì)于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(V-SMOW)的每密耳(‰)為單位報(bào)告。δ18O和δD的儀器精度分別為±0.08‰和±0.5‰。
3、數(shù)據(jù)和分析方法
欒川地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)由Vantage Pro現(xiàn)場(chǎng)氣象站和欒川縣氣象站記錄(1957–2022)。灤川縣氣象站位于灤川縣東部,它距離雞冠洞8.4公里,海拔742.4米。我們計(jì)算了1957–2022年的降水異常百分比數(shù)據(jù)(表S1)。計(jì)算公式如下:
1、降水的氧同位素
監(jiān)測(cè)期間降水的δ18O和δD值范圍分別為−16.4‰~8.1‰(平均−5.8‰ ),−122.‰~45.8‰(平均−37.2‰)。δ18Op具有顯著的季節(jié)變化,最大負(fù)值出現(xiàn)在雨季(7月至9月),更小的負(fù)值出現(xiàn)在旱季(10月至6月),這與全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIP) 在長(zhǎng)時(shí)間尺度上的監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。根據(jù)降水的δ18O和δD值,確定當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(xiàn)(LMWL)的方程為
δD=7.64δ18O+7.34,相關(guān)系數(shù)R=0.99(P<0.01)。
2、洞穴水的氧同位素
洞穴水的δ18O值變化明顯,瞬時(shí)滴水的δ18O值在−11.1‰至−6.5‰之間,多年平均值為−9.2‰。洞穴滴水δ18O值的變化小于降水δ18O值的變化。
3、現(xiàn)代洞穴沉積物和石筍的氧同位素
現(xiàn)代洞穴沉積物的δ18O值范圍為−10.0‰~−5.0‰(LYXS平均為−9.0‰)和−10.0‰~−6.9‰(TGBD平均為−8.7‰)。與降水δ18O不同,現(xiàn)代洞穴沉積物的δ18O沒(méi)有表現(xiàn)出季節(jié)性變化,除了2010年和2011年,當(dāng)時(shí)夏季為負(fù)值,冬季為正值。2013年和2018年,嚴(yán)重干旱導(dǎo)致沉積記錄中斷,直到干旱結(jié)束,滴水飽和度回升,現(xiàn)代洞穴沉積物在2014年和2019年再次在兩個(gè)滴水點(diǎn)恢復(fù)堆積。
圖2 (a) NINO 3.4 SST異常,(b)降水δ18O,(c)滴水δ18O,(d)現(xiàn)代洞穴沉積物δ18O,(e)大氣條件的組合時(shí)間序列。e中的藍(lán)色虛線(xiàn)表示13年來(lái)的平均值。
鑒于石筍δ18O值的具體氣候意義存在爭(zhēng)議,在本研究中,我們探討了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)現(xiàn)代洞穴沉積物δ18O值的影響。據(jù)此對(duì)河南省雞冠洞進(jìn)行了為期13年的連續(xù)監(jiān)測(cè),結(jié)果如下。
(1) 雞冠洞δ18OP監(jiān)測(cè)結(jié)果具有明顯的季節(jié)變化特征。通過(guò)對(duì)ENSO事件下不同季節(jié)的大氣環(huán)流和LMWL的分析,我們認(rèn)為大氣環(huán)流是影響δ18OP在季節(jié)年際尺度上差異的主要因素。
(2) 交叉小波分析揭示了太陽(yáng)活動(dòng)和ASM的周期性變化。研究發(fā)現(xiàn),石筍的δ18O值與9–12年和2–7年周期變化的SSN和SST之間存在較強(qiáng)的交叉冪和高度一致性,表明石筍δ18O的變化受到太陽(yáng)活動(dòng)變化和ENSO相關(guān)SST異常的影響。
(3) 我們確定,拉尼娜事件更有可能發(fā)生在太陽(yáng)活動(dòng)較低的年份,并為我們的研究區(qū)域帶來(lái)更多降雨。1957年至2022年期間,57.2%的豐水年份發(fā)生在太陽(yáng)周期的非活躍階段。為了更好地理解這一現(xiàn)象,我們繪制了一張?zhí)?yáng)活動(dòng)可能驅(qū)動(dòng)因素的示意圖。太陽(yáng)活動(dòng)的變化引起了SSTA,在不同ENSO和IOD狀態(tài)下,SSTA通過(guò)海氣耦合影響了亞洲夏季風(fēng)區(qū)域的水文循環(huán)。這最終改變了洞穴沉積物的δ18O值。
圖3 太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)ASM影響的可能驅(qū)動(dòng)因素示意圖。紅色和藍(lán)色粗線(xiàn)代表拉尼娜年的WPSH
氣候平均值。兩個(gè)藍(lán)色圓圈代表Walker cell。棕色虛線(xiàn)表示季風(fēng)通過(guò)。LS:低太陽(yáng)活動(dòng)。
此外,如果在全球變暖加劇的情況下,極端ENSO事件的頻率繼續(xù)增加,那么預(yù)測(cè)亞洲季風(fēng)地區(qū)極端氣候事件的難度可能會(huì)增加。
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