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过去一万年中国北方沙尘暴演化机制 | Science Bulletin

已有 954 次阅读 2021-12-1 15:46 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流

Science Bulletin 2021年第24期发表了题为“Holocene dust storm variations over northern China: transition from a natural forcing to an anthropogenic forcing”的文章,揭示出全新世(过去11700年)中国北方沙尘暴主要受东亚夏季风控制、而非冬季风,且至少在2000年前从自然驱动转向人为驱动


由于中国北方沙尘暴的严重危害性(图1),对于不同时间尺度上中国北方沙尘暴驱动机制的研究一直是科学界和公众关注的焦点问题。轨道时间尺度上,通过对黄土沉积的研究,沙尘暴的东亚季风驱动理论已较成熟,更多的是认为由东亚冬季风主导;但在全新世亚轨道时间尺度上,是否东亚夏季风起到更多作用,仍未被深入探索。一方面是由于古季风代用指标的复杂性,关于全新世亚轨道时间尺度东亚夏季风变化的一些关键科学问题还存在一些争议,阻碍了东亚夏季风变化在亚轨道时间尺度上对中国北方沙尘暴影响机制的透彻理解。另外一方面,目前仍然缺乏有效的方法提取出全新世亚轨道时间尺度上年代精确、沉积连续、分辨率高的中国北方沙尘暴变化的代用指标,使得沙尘暴与季风系统的耦合关系存在较大的不确定性。因此,对全新世亚轨道时间尺度的东亚夏季风变化的代用指标以及沙尘暴变化的代用指标进行更为深入的研究,将可能进一步推动对亚轨道尺度上东亚季风变化历史、驱动机制及其对中国北方沙尘暴演化影响机制的认识,促进对东亚季风气候-地表过程变化-沙尘暴变化的耦合关系这一重要问题的正确认识。 

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图1 北京遭遇强沙尘暴侵袭(图源:网络)


“中国黄土之父”刘东生先生曾指出,以近代沙尘暴作为黄土形成过程的参照来研究,黄土高原是一个巨大的天然实验室,积累了过去几百万年来的沙尘暴记录。正因如此,具有高粉尘沉积通量优势的黄土高原地区成为了研究沙尘暴演化历史的理想区域。特别是为利用黄土沉积记录研究轨道时间尺度上的沙尘暴变化驱动机制提供了理想载体,促使形成轨道时间尺度上沙尘暴变化的东亚季风驱动的成熟理论。然而,在亚轨道时间尺度上,由于对年代精确度、时间分辨率、沉积稳定性的更高要求,黄土沉积本身测年材料的精确度、时间分辨率以及沉积连续性的问题使得无法精确重建这一时间尺度上的沙尘暴变化。
湖泊沉积具有古气候代用指标丰富、定年精确、沉积速率高、不受扰动的优势,能够解决全新世亚轨道时间尺度上的古气候代用指标、材料定年、时间分辨率以及连续性的问题。特别地,黄土高原上的高山封闭湖泊具有人类活动少、粉尘沉积通量高、沉积连续稳定等优势,可以满足对年代精确度、时间分辨率、沉积稳定性的更高要求,被视为天然的沙尘暴变化监视器”

中国科学院青藏高原研究所和兰州大学东亚夏季风演化及影响研究团队的刘建宝研究员等近几年不仅使用了湖泊沉积开展了全新世东亚夏季风变化及其代用指标的研究,在此基础上,还基于黄土高原高山封闭湖泊(公海湖泊,图2)的高分辨率沉积物,使用4种相互独立的证据系统开展了沙尘暴指标的现代过程研究,证明粗粉砂组分(19~78 μm)适合作为中国北方沙尘暴变化的代用指标。基于这个指标重建的沙尘暴的演化历史揭示全新世沙尘暴总体呈增加的趋势,增加的幅度在3500年以来快速提高,最近2000年沙尘暴总体呈高值且伴随着快速的年代际尺度波动(图3 黄色曲线)。


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图2 公海湖泊全景照片


将重建的全新世沙尘暴和该团队先前重建的东亚夏季风降水等记录进行对比研究,发现早中全新世较低的沙尘暴频率对应于较高的东亚夏季风降水量和较强的冬季风,而当晚全新世沙尘暴频率上升时,东亚夏季风降水量快速减少而且冬季风最弱(图3)。所以,尽管沙尘暴频率与植被和物源区范围(受夏季风控制)以及风力的强弱(受冬季风控制)都密切相关,该文结果显示,在全新世亚轨道尺度上,夏季风起到更为重要的作用。因此,该文提出了与轨道时间尺度“冬季风驱动理论”不同的夏季风驱动全新世亚轨道时间尺度中国北方沙尘暴变化的新理论。此外,在过去2000年更短时间尺度上,该结果显示强夏季风阶段出现强沙尘暴现象,揭示在过去2000之前,人类活动对地表系统的影响超过自然因素,中国北方沙尘暴由自然驱动转为人为驱动。


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图3 全新世沙尘暴演化及其与冬季风强度、植被、夏季风降水量的对比


该文通讯作者为中国科学院青藏高原研究所古生态与人类适应团队刘建宝研究员,第一作者为陈圣乾博士,得到了国家自然科学基金(41790421,41722105,41988101)资助。




研究详情请阅读原文▼

Chen S Q, Liu J B, Wang X, et al. Holocene dust storm variations over northern China: transition from a natural forcing toan anthropogenic forcing. Science Bulletin, 2021, 66(24): 2516-2527, doi.org/10.1016/j.scib.2021.08.008




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