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EPSL: 西喜马拉雅山北坡树轮氧同位素(δ18O)指示了冬季温度变化
2018-12-03

  喜马拉雅山是古气候学研究的重要区域之一,分布有各种古气候代用资料,如冰芯、树轮、湖芯等。在这些代用资料中,δ18O是最为通用的化学元素指标。然而,已有的研究表明,不同代用资料氧同位素反应的气候信号却不相同。树轮氧同位素主要反映了季风强度 (降雨量或干湿等水文气候信号),而冰芯氧同位素却指示了温度变化(图1)。我们的问题是:为什么季风区的树轮氧同位素没有反映温度变化?

  我们猜测,这可能是由于较多的季风降水引起的“降雨量”效应掩盖了树轮氧同位素中的温度信号。因此,如果在季风降水较少的区域,温度信号应该能够得以体现。为了验证该想法,我们在季风降水较少的西喜马拉雅山北坡(札达县,图1)采集了树木年轮样本,测定了树轮纤维素的δ18O,并结合气象资料、LMDZ-iso同位素模型、拉格朗日粒子扩散模型(FLEXPART)、冰芯氧同位素序列进行了同位素气候信号的统计检验、模型的机制分析以及达索普冰芯的独立验证。

  和猜想的一致,札达树轮氧同位素主要记录了温度变化,而且主要是冬季温度信号(图2),降水量的信号不显著。通过进一步的同位素模型(LMDZ-iso)模拟,我们找到了影响夏季土壤水δ18O变化的关键过程发生在冬季雪水消融的5月(贡献率达到72.46%)(表1)。在模型模拟结果的基础上,我们进一步揭示了冬季温度信号通过春季积雪融水、径流等过程,影响到夏季土壤水δ18O,从而进入树木年轮δ18O中的具体传输过程 (图3)。此外,我们还将该同位素序列与达索普冰芯δ18O进行了对比验证(图4),二者在年代际变化上具有很好的一致性。更为特别的是:如果把冰芯常用的测年标志年(1963)移至1962年,二者甚至可以进行交叉定年,这进一步验证了札达树轮氧同位素的温度信号以及不同代用资料δ18O记录的可比性。

  本研究意味着,在季风核心区域,夏季降水量大,代用资料氧同位素可能主要指示降雨量或干湿的变化;在季风影响弱的区域,夏季降水量较少,代用资料氧同位素可能主要指示温度变化。因而,要在喜马拉雅山或青藏高原地区研究过去的温度变化,我们推荐利用西风主导区的δ18O序列。

  该研究成果最近以“Temperature signals in tree-ring oxygen isotope series from the northern slope of the Himalaya”为题,在Earth and Planetary Science Letters上发表( http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X18306538# )。中科院高寒生态实验室梁尔源课题组黄茹博士生为第一作者,朱海峰副研究员为通讯作者。该研究得到了基金委项目、中国科学院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”和中国科学院大学博士研究生国际合作培养计划等项目的资助。 

图1. (a) 札达取样点在西喜马拉雅山北坡的位置(黑色方形),喜马拉雅山及周边树轮氧同位素(1-8,粉色三角形)、冰芯氧同位素(a-c,蓝色圆形,纳木纳尼、达索普和左求普冰芯)的主要研究。青藏高原西风主导区、季风主导区以及过渡区的划分依据Yao et al. (2013);(b) 札达取样点每月的降雨、温度变化(CRU,TRMM资料);(c) 取样点的残留木。

图2. 札达树轮氧同位素与CRU(a,1979-2015)、LMDZ4(b,1980-2010)取样格点数据的相关分析结果。Tmean, Precip-A, δ18OP, δ18OSW 分别表示温度、降雨量、降雨同位素、土壤水同位素。星号(*)和加号(+)分别表示对应的相关系数达到99%、95%的显著性水平。

表 1. 不同月份积雪融化、降雨、径流对夏季土壤水同位素的贡献比例。

图3. LMDZ4模型中冬季温度信号传递到夏季土壤水的过程。箭头代表变量之间的关系,箭头附近的系数代表变量间的相关系数,“*”和“**”分别表示95%,99%的相关显著性水平。

图4. 札达树轮氧同位素(红线)与达索普冰芯氧同位素(蓝线)的对比。(a)和(b)中的细线、粗线分别表示年值和5年滑动值。(c)和(d)为树轮氧同位素和达索普冰芯氧同位素的对比,(d)展示了冰芯标志年调整为1962之后,二者匹配更为一致。

 
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