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岁差对亚洲夏季风气候变化影响研究进展

更新时间 2009-12-21 11:41:28 点击数:

岁差对亚洲夏季风气候变化影响研究进展
刘晓东①,石正国①②①中国科学院地球环境研究所,黄土与第四纪地质国家重点实验室,西安710075;②中国科学院研究生院,北京100049E-mail:liuxd@loess.llqg.ac.cn2009-03-13收稿,2009-06-25接受
国家杰出青年科学基金(批准号:40825008)和国家重点基础研究发展计划(编号:2004CB720208)资助项目
摘要:评述性回顾了地球轨道参数改变所引起的岁差周期日射强迫对亚洲夏季风演化影响的地质气候记录和数值模拟研究进展,岁差分量季风变迁机制问题的提出以及目前存在的争议,最后提出未来值得深入研究的一些问题.20世纪80年代初以来的大量观测和模拟,特别是最近几年洞穴石笋记录和长期瞬变模拟研究表明,岁差强迫可以造成地质时期亚洲季风气候准2万年的周期性变化,但目前对于岁差引起的日射变化影响亚洲季风气候演变的物理机制的认识尚存在明显分歧.
“零相位”假说强调亚洲季风的演化完全受控于北半球夏季日射,而“潜热说”认为亚洲季风除了受北半球夏季日射的直接驱动外,还要受到南半球日射引起的南印度洋潜热输送的巨大影响.这两种假设各得到一些观测和模拟研究的支持,但同时也都受到质疑.我们在肯定北半球日射变化对于亚洲季风变迁具有重要作用的同时,强调来自南半球的远程影响也不容忽视.鉴于目前季风响应及其强迫机制研究中存在的问题,指出今后需要加强季风代用指标的物理意义、轨道尺度瞬变模拟试验中反馈机制以及地质资料与模拟试验对比等研究.
关键词:岁差;亚洲;夏季风;地质记录;数值模拟;
气候变化是大气层顶部接收到的太阳辐射与地球大气圈、水圈、生物圈及冰雪圈共同作用的结果,其中太阳对地球辐射量的变化是全球气候变化的主要外强迫因子,地球各圈层的相互作用则通过各种物理、化学和生物过程及反馈机制在不同时空尺度上调制了气候对太阳辐射变化响应的幅度和相位.按照米兰科维奇的天文气候学理论[1],地球轨道参数(偏心率、地轴倾角及岁差)改变引起的太阳辐射随纬度和季节的周期性变化是千年至万年尺度气候变化和冰期旋回的根本驱动力.最近30余年,随着地质定年、同位素测定等各种测试手段以及计算机技术的巨大进步,有力地推动了长时间尺度气候与环境变化地质观测和数值模拟的研究.对深海岩芯、黄土沉积、冰芯和石笋等大量地质气候记录的分析表明,过去的地球气候普遍表现出与23ka岁差周期、41ka地轴倾角周期以及100ka偏心率周期相对应的变化[2,3].23ka岁差周期和41ka地轴倾角周期通常被认为是地球气候分别对岁差及地轴倾角变化的某种线性响应[4],但由于轨道偏心率作用引起的日射变化甚微,100ka气候周期的形成机制则复杂得多,至今尚未定论[5].关于米兰科维奇气候变化理论的研究进展和存在问题介绍,可参见文献[6,7].
地球轨道强迫在亚洲季风气候的长期演变中留下了深刻的烙印,反映南亚和东亚季风气候演变的许多地质记录都显示了100,41和23ka周期[8,9].由于季风气候变化的100ka周期并非直接由日射强迫所驱动,而地轴倾角变化所引起的41ka周期主要影响高纬地区的日射[10~12],同时考虑到岁差对低纬度日射,特别是对包括我国在内的亚洲季风气候有显著影响,但其作用的过程和机理并不完全清楚而且至今存在较大争议,因此本文将专门就地球轨道岁差周期及其对亚洲夏季风影响研究的发展历程、目前存在的争议以及未来值得深入研究的问题进行介绍和评述.
1岁差及其对日射的影响
岁差是地球公转过程中因地球自转轴进动引起春分点的位移而产生的.早在公元前2世纪,古希腊天文学家就发现了该现象,牛顿在300多年前首次对岁差现象进行了理论上的解释.在绕太阳公转的同时,地球自身绕地轴进行自转.而受太阳和月球不平衡引力的共同影响,使得惯性作用下的地球自转轴产生摆动,这种摆动表现为地轴绕着黄轴旋转,在空间描绘出一个半径约为23.5°(黄赤交角)圆锥面,从而使天赤道与黄道的交点——春分点和秋分点在黄道上向西移动,每76年约移动1°,整个循环周期约为25700a.图1示意性地表明,若某一时期夏至点位于近日点且北半球倾向太阳(太阳辐射季节性增强),则在半个岁差周期以后冬至点位于近日点且南半球倾向太阳(太阳辐射季节性减弱).正是由于春分点的移动,太阳直射点的回归运动(回归年)较之恒星年存在约20min的差别,岁差也因此得名.这种由太阳和月球所引起的进动称之为日月岁差.此外,地球还受到了来自其他行星的引力作用,使黄道面的位置也同图1地球岁差循环示意图(a)夏至位于近日点,(b)冬至位于近日点.图中各圆分别代表地球(箭头指示地轴北极方向)和太阳(S),季节针对北半球而言时发生变化,这同样使得二分点产生一定的位移,称为行星岁差,但行星岁差较之日月岁差极小,不到其百分之一,二者之和即为通常意义上所说的岁差.
在古气候学中,尤其是米兰科维奇理论中提到的岁差与天文学岁差略有不同.气候岁差的参照物并不是固定的,而是处于进动状态的近日点,同时由于其他因素的调制作用,使得气候岁差的周期并不等同于天文岁差.气候岁差的周期主要位于19000~23000年之间,通常取其平均状态21700年[3].岁差、地轴倾角以及偏心率构成了米兰科维奇理论中的地球轨道三要素,三者的变化决定了大气上界太阳辐射(日射)在地球上的时空分布.目前广为使用的地质时间尺度上因地球轨道参数改变所引起的日射变化计算公式和结果是由Berger等人[10,11]在前人工作的基础上改进获得的,其中岁差参数被定义为p=e×sin(ω),e为轨道偏心率,而ω是近日点的黄经,可见岁差的幅度受到了偏心率的调制作用.基于他们的计算结果,图2展示了过去300ka的日射变化序列.岁差参数变化介于?0.05~0.05之间,并受到偏心率变动(0.0125~0.0503)的调制:偏心率大(小)时岁差变幅大(小).岁差的存在显著影响了日射的季节差异,并且其对南、北半球的影响是相反的.当岁差参数处于最小值时(图2(a)),北半球夏季日射极大而冬季日射极小(图2(b),(c)),南半球夏季日射极小但冬季日射极大(图2(d),(e));岁差参数最大时则正好相反.虽然南北半球不同纬度带日射变化序列的功率谱分析(图2(g)~(j))显示,在各纬度上日射变化均存在显著的岁差周期,但岁差对日射的影响在低纬度最为显著,而高纬气候对地轴倾角的响应则较为明显[12].例如,岁差引起的30°N处夏季日射变幅可达120W/m2,约占整体变化的96%,而地轴倾角影响极小,仅占2%;但60°N处岁差作用有所降低,岁差谱段日射变幅约为100W/m2,占整体变化的79%,而此时地轴倾角的作用明显增加,约占18%.由于全球季风多分布于较低纬度地区,因此岁差在轨道尺度季风演化历程中的关键作用是不言而喻的.此外,日射变化并不存在与偏心率相对应的100ka周期,因为日射在偏心率波段的变化幅度仅为2W/m2左右,远远小于岁差及地轴倾角波段上的日射变幅.以上虽然仅显示了最近300ka的情况,但据Berger和Loutre[11]的计算,晚新生代以来各地球轨道参数均具有稳定的周期.
2地质记录所揭示的季风气候变化中的岁差周期
随着地质钻探取芯、实验分析和环境解译技术的发展,越来越多的长时间尺度气候替代指标显示了过去的地球气候,特别是季风气候变化中存在着岁差周期.在全球古季风研究中,人们首先是从非洲、阿拉伯及印度地区10~5kaBP时期普遍存在高湖面记录[13]的事实认识到季风演变中的岁差信息的.早期的研究发现,反映非洲季风强度的湖泊大小[14]、东地中海腐泥层[15]及尼罗河洪水变化[16]均呈现出强烈的准20ka周期,早全世纪-中全新世被证明存在一个“非洲湿润期”[17].这些在早全新世开始出现的季风增强证据与最近一个岁差循环中北半球日射在11kaBP前达到最大的事实相吻合.从长时间尺度变化看,非洲季风气候的岁差分量在北半球大冰盖出现之前的早上新世较其他轨道分量更为显著[18].
热带印度洋和阿拉伯海的海洋沉积物中的各种物理、化学与生物学参量(如风尘沉积通量、有机碳含量、浮游和底栖有孔虫等)通常被用作度量南亚季风强度的代用指标.强盛的印度夏季风引起的海洋上涌流控制着海洋初级生产力并促进北印度洋独特动植物物种的繁盛,季风活动及其季节性的信息由此被保存在浮游有孔虫及底栖有孔虫中.这些海洋生物指标[19~21]、多种代用指标的综合信息[22]以及我国大陆西南地区的湖相沉积[23]等都反映了南亚西南季风的长期演变包含着显著的岁差周期.与非洲季风类似,在北半球大冰盖出现之前的早上新世,岁差是南亚季风的优势周期[24].
作为陆相沉积物的中国黄土-古土壤系列是记录东亚古季风气候变化信息的良好载体.反映夏季风强度的黄土磁化率[25~27]、碳酸钙含量[28]和蜗牛化石[29]等均显示出准20ka的岁差周期.在反映冬季风的黄土粒度的频谱分析[30~32]中也存在岁差信号,虽然冬季风变化的岁差周期分量强度较弱(如无特别说明,本文所述季风均指夏季风).来自青藏高原的古冰芯、湖面和植被变化记录中也发现了明显的岁差信号[33].中国南海的有孔虫氧碳同位素、蛋白石和孢粉记录[34~36]、地球化学指标[37]等,日本琵琶湖的孢粉[38]以及西北太平洋的孢粉[39]等均记录了东亚夏季风变化的岁差信息.近年来利用洞穴石笋记录重建亚洲季风气候变迁历史的研究取得了重要进展.石笋以其保存信息完整、敏感度高、时间跨度大,特别是能够精确应用于高分辨率、高灵敏度TIMS定年的良好特性,为追踪地球气候的演变足迹留下了系统连续的高分辨率记录.南京葫芦洞石笋及湖北神农架三宝洞石笋分别揭示了过去75及224ka我国季风降水的演化[40,41].Yuan等人[42]对贵州董哥洞石笋记录过去160ka以来低纬度的降水和亚洲季风变化进行了研究.这些记录可以互相印证和良好对比,均指示了非常显著的岁差周期.
由于岁差引起的太阳辐射变化在两个半球是相反的(参见图2),因此,位于南、北半球低纬季风气候的岁差尺度响应通常也具有相反的变化趋势.我们以具有绝对定年的石笋氧同位素记录过去约120ka亚洲季风[40,41]与南美季风气候[43]变化(图3)为例,可以看到两者变化相反且都存在极为显著的准20ka岁差周期,如在全新世初,亚洲季风增强变湿而南美季风减弱变干.类似地,山地冰芯研究[44]发现,末次冰期以来受岁差驱动的南、北半球热带山地冰川进退及季风降水起伏也是非同步的.这些证据有力地支持了岁差影响季风变迁的理论.
3亚洲季风对岁差强迫响应的数值模拟
在季风变迁记录日益积累的同时,计算机技术的迅速发展和全球气候模式的不断改进极大推动了古气候模拟研究,使岁差强迫与季风响应之间的因果联系得到直接验证.关于第四纪亚洲季风演化的驱动机制问题,最早是由Kutzbach在1981年提出来的.他利用一个低分辨率的大气环流模式(GCM),在将岁差参数及地轴倾角设置为9kaBP的值后模拟了早全新世的季风变化.由于岁差引起北半球夏季日射增加,导致陆地温度升高,海陆温差随之增大,使9ka前的亚-非季风强度较现今更为强烈,季风降水增多.这与当时已获得的北非及南亚地区的地质证据吻合,据此Kutzbach[45]指出,热带(副热带)地区的季风系统受到轨道强迫引起的北半球夏季太阳辐射变化的驱动.这一结果在Science杂志发表后,引起了第四纪环境变化研究工作者的广泛注意,为后来不断认识深入亚洲季风变化岁差强迫的物理机制奠定了基础.

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