新疆石笋记录的近千年来特征时期内短尺度快速气候变化研究

The hydroclimatic changes during key periods (Medieval Warm Period (MWP), Little Ice Age (LIA)) of the past 1000 years have been reconstructed using various geologic documents in arid northwest China, indicating a pattern of relatively dry MWP and wet LIA. However, the behaviors of internal short-timescale rapid climate changes during MWP and LIA have not been studied in detail due to the dating uncertainty and/or low proxy resolutions. In this project, speleothems from Xinjiang (NW China) are selected as research materials. The relationship between cave hydrology and climate change is tested by monitoring cave drip water, glass plate calcite, and meteoric precipitation every month. Based on absolute U-Th dates, analysis of trace element ratios for the whole stalagmite, and calcium isotope during key periods, the high-resolution hydroclimatic variation during the past 1000 years in Xinjiang (NW China) is reconstructed. On the basis of high-resolution speleothem record, the characteristics of internal short-timescale rapid climate shifts during MWP and LIA are described in detail. Furthermore, the possible external and internal driving forces towards short-timescale rapid hydroclimatic changes in arid NW China are explored via comparison between speleothem record and other paleoclimatic records from Northern Hemisphere and the globe. The expected research findings are of importance for predicting future ecohydrological varaition and security tackling strategy in this arid region.

前人通过多种地质记录研究了我国西北干旱区近千年来特征时期（中世纪暖期、小冰期）的整体气候环境格局，总体上显示出中世纪暖期干旱和小冰期湿润的特征；但对这些特征时期内部更短时间尺度快速气候变化规律的探究却受到代用指标分辨率与年代精度等的限制。项目以新疆地区石笋为研究对象，监测洞穴现代沉积条件，在明确石笋代用指标对区域降水/湿度的指示意义的基础上，开展石笋高精度铀系测年和高分辨率多代用指标分析，以期高分辨率地构建近千年来新疆地区水文气候变化。在此基础上，着重研究中世纪暖期、小冰期内部短尺度（年际-年代际-多十年际）降水/湿度的快速变化特征，并与北半球/全球尺度气候记录以及气候系统外部强迫进行对比，探讨地球内外部因素对我国西北干旱区过去千年特征时期内部短时间尺度水文气候事件的影响机制，进而为研究区未来水文生态安全及策略应对提供科学支撑。

项目按照预期基本完成了研究内容和研究目标并试图解答关键科学问题。以新疆天山中部巴鲁克洞石笋BLK12C为研究对象，完成了13个高精度铀系年代的测定；按照10样/mm分辨率采集了粉末样品，共测量870组石笋稳定同位素数据；利用StalAge方法建立了石笋BLK12C的年龄-深度模型；根据Hendy检验原理，判断了BLK12C石笋的碳酸盐沉积条件基本处于同位素分馏平衡状态；结合以上石笋记录数据高分辨率地建立了我国西北干旱区年代可靠的近1000年以来石笋稳定同位素序列。该石笋记录的δ18O和δ13C值序列显示了高度的相似性变化，即具有整体随时间偏正的变化趋势，且存在快速的百年际至多十年际尺度突变及显著的周期性。新疆天山地区的降水氧同位素的偏负或偏正异常主要与其水汽源和输送路径有关。对比发现，过去百年实测的北大西洋海温变化与巴鲁克洞石笋δ18O记录具有显著负相关关系（相关系数为-0.48，99%置信度）。进一步发现过去千年或两千年的AMV指标都反映了MCA时期AMV偏正位相、LIA时期偏负位相的特征，这正好对应于新疆石笋δ18O在MCA时期偏负的模式。以上结果暗示了新疆石笋δ18O记录与北大西洋气候变率之间的密切联系。高海拔地区植被生长状况主要受温度影响，因此石笋δ13C的变化主要与温度控制下上覆植被的发育状况及相应的土壤根系呼吸作用有关。共完成435个石笋粉末样品的微量元素含量测试，时间分辨率平均为5.6年/样。近两千年巴鲁克洞石笋Mg/Ca与其他三种元素比值（Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca）的变化存在显著差异，因而从另一角度暗示了石笋Mg/Ca比值无论是长趋势还是短尺度波动上都不是由PCP主控，即不能反映区域降水/湿度变化；而新疆石笋Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca比值可以作为区域降水/湿度变化的可靠指标。进一步的对比发现，巴鲁克洞石笋Mg/Ca记录与塔里木盆地南缘风成剖面记录的沙尘暴活动具有较好的一致性。项目结果揭示了内部短尺度气候的快速变化特征，探讨了区域降水/湿度短尺度快速变化对北半球/全球气候变化的响应，为理解干旱区短尺度水文气候变化规律积累了基础资料。