太陽活動和ENSO控制南嶺東部有效降水變化

謝 宇，劉粵峰，程彩玉，周夢濤，彭小桃，程 珂，周厚云

華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣州 510631

以往的研究顯示ENSO活動是影響我國氣候特別是一些極端氣候事件的重要大氣過程，對我國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響（Zong and Chen，2000；Wang et al，2001a；Jiang et al，2006）。如Jiang et al（2006）發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)洪澇災(zāi)害的發(fā)生與ENSO活動密切相關(guān)，El Ni?o發(fā)生的年份更容易導(dǎo)致洪水災(zāi)害。一般認(rèn)為ENSO會改變西北太平洋副熱帶高壓及季風(fēng)雨帶的位置，進(jìn)而對我國不同地區(qū)降水變化產(chǎn)生影響（Huang et al，2004；Ding et al，2008，2009；Xie et al，2016）。東南地區(qū)是我國最重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一。氣候環(huán)境變化可能對這一地區(qū)經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生的影響不僅是重要的科學(xué)問題，也是重要的現(xiàn)實問題。對這一地區(qū)過去氣候環(huán)境變化的特征、規(guī)律和影響因素進(jìn)行分析將有助于這一問題的解決。對器測資料的分析顯示我國東南地區(qū)的降水變化受ENSO活動強(qiáng)烈影響（Yin et al，2010；Zhang et al，2015；Zhai et al，2016），如Zhai et al（2016）發(fā)現(xiàn)2015/16年強(qiáng)El Ni?o在東南地區(qū)產(chǎn)生了大量降水。但器測時期之前這一地區(qū)的降水是否受到ENSO活動的影響還未見報道。

石筍可以提供高分辨率的過去氣候環(huán)境變化信息。在我國季風(fēng)區(qū)，已有研究顯示石筍可以記錄ENSO活動（Tan，2014；Liu et al，2018）。本文根據(jù)一支采自南嶺東部老虎洞的石筍LFD-1，探討了其穩(wěn)定氧同位素組成（δ18O）記錄的氣候環(huán)境變化及與ENSO活動的聯(lián)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在過去150 a中，石筍LFD-1的δ18O記錄受當(dāng)?shù)赜行Ы邓兓刂?，并與ENSO和太陽活動密切相關(guān)。El Ni?o事件發(fā)生時，當(dāng)?shù)赜行Ы邓黾樱Sδ18O偏輕。La Ni?a事件發(fā)生時則出現(xiàn)相反的情況。石筍將是研究這一地區(qū)ENSO活動的有力工具。

1 區(qū)域地理背景

石筍LFD-1采自南嶺東部湖南宜章縣白沙鄉(xiāng)老虎洞（25°11′ N，112°49′ E）（圖1），該洞穴發(fā)育于二疊紀(jì)石灰?guī)r中，洞口海拔~220 m。該溶洞未開發(fā)，洞口高約2 m，寬約10 m，石筍LFD-1采自距離洞口約200 m處。自洞口至采樣點洞穴通道寬闊，但從采樣點往洞穴更深處的洞穴發(fā)育情況尚不清楚。當(dāng)?shù)刂脖话l(fā)育良好，以灌木和喬木為主。附近郴州市多年（AD 1981 — 2010）平均氣溫18.4℃，年降水量1504 mm（數(shù)據(jù)來源：https://data.cma.cn/）。降水主要集中在春季（3 — 5月，占36%）和夏季（6 — 8月，占32%）。屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。

圖1 老虎洞地理位置Fig. 1 The location of the Tiger Cave

2 研究方法

石筍LFD-1呈圓柱形，全長156 mm（圖2）。沿石筍生長中心切開后發(fā)現(xiàn)，除了深度50 — 90 mm處顏色偏暗之外，其余部位顏色較淺且較為均一。在切面上可以觀察到很多孔隙（圖2），放大后能在切面上大致看出生長層理。石筍LFD-1在采集時還在滴水。石筍孔隙中往往存在較多雜質(zhì)（包括繼承230Th）（賈蓉芬等，2007），影響230Th定年結(jié)果。因此采用了210Pb法對石筍LFD-1進(jìn)行定年。210Pb測年在臺灣成功大學(xué)地球科學(xué)系進(jìn)行，測年方法與Liu et al（2018）相同。用micromill沿石筍生長中心獲取氧-碳穩(wěn)定同位素（δ18O-δ13C）樣品，采樣分辨率為0.25 mm，每0.5 mm測試一個樣品，共分析樣品305個。δ18Oδ13C測量在中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物所進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)GBW04405和國際標(biāo)準(zhǔn)NBS-19，測量結(jié)果以相對于VPDB標(biāo)準(zhǔn)表示，δ18O測量誤差（2σ）優(yōu)于0.1‰。

圖2 石筍LFD-1及其過剩210Pb（a）與δ18O（b）隨深度的變化Fig. 2 Stalagmite LFD-1 and its measured excess 210Pb (a) and δ18O (b) profiles

有效降水采用以下方法獲得：首先根據(jù)郴州市月降水量（PM）、月潛在蒸發(fā)量（PETM）和徑流系數(shù)0.57（α）（湖南省水利廳，2017）估算出月實際蒸發(fā)量（AETM），用月降水量減去月實際蒸發(fā)量得到月有效降水（EPM）：

式中：PY和PETY為根據(jù)月降水量和月潛在蒸發(fā)量計算得到的年降水量和年潛在蒸發(fā)量。降水量和蒸發(fā)量單位均為mm。

3 結(jié)果

3.1 測年結(jié)果

圖2a展示了石筍LFD-1中過剩210Pb隨深度的變化?？梢钥吹?，在深度40 mm處過剩210Pb活度基本上達(dá)到了本底值（3.8 Bq ? kg?1）。下面顏色偏深部分（對應(yīng)深度50 mm、60 mm、70 mm、80 mm處）過剩210Pb活度有少量上升（210Pb活度平均值6.5 Bq ? kg?1），可能與石筍中這一段的有機(jī)質(zhì)含量較高有關(guān)（Wan et al，2005），不適于用于210Pb年齡計算。因此只使用深度40 mm以上的樣品進(jìn)行年齡計算。對深度（z）和過剩210Pb活度（C）進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合（圖2b），得到：

lnC與z的回歸線斜率b（?0.115）的標(biāo)準(zhǔn)差為0.008。由斜率b與生長速率S的關(guān)系（b= ?λ/S，λ為210Pb衰變系數(shù)0.0311）得到LFD-1上部40 mm平 均 生 長 速 率 為(0.27 ± 0.02) mm ? a?1，即LFD-1上部40 mm生長時間為最近150 a。δ18O數(shù)據(jù)的時間分辨率為1.86 a。

3.2 氧穩(wěn)定同位素結(jié)果

LFD-1的δ18O記錄如圖2b所示，其平均值為?6.61‰，最大值?4.97‰出現(xiàn)在深度52.0 mm，最小值?8.59‰出現(xiàn)在深度147.2 mm。其中上部40 mm中δ18O平均值為?6.34‰，最大值?5.03‰出現(xiàn)在深度13.4 mm，最小值?8.30‰出現(xiàn)在深度0.88 mm。

4 討論

4.1 石筍δ18O的氣候意義

對于我國季風(fēng)區(qū)內(nèi)石筍δ18O的解釋目前存在很大爭議（周厚云等，2016），Wang et al（2001b）在葫蘆洞的研究認(rèn)為，石筍δ18O與東亞夏季風(fēng)（EASM，East Asian summer monsoon）強(qiáng)度有關(guān)，δ18O較輕（較重）指示降水較多（較少）、較為溫暖（寒冷）、EASM較強(qiáng)（較弱）。隨后的一些研究中，如董哥洞、三寶洞和祥龍洞的研究也認(rèn)為δ18O與季風(fēng)降水有關(guān)（Yuan et al，2004；Cheng et al，2009；Tan et al，2015a）。在對我國季風(fēng)區(qū)石筍δ18O的各種傳統(tǒng)解釋中，一個基本的假設(shè)是石筍δ18O變化記錄了大氣降水δ18O的變化（周厚云等，2016）?，F(xiàn)在這一基本假設(shè)受到質(zhì)疑，特別是發(fā)生在滲透帶的蒸發(fā)作用和選擇性補(bǔ)給及洞穴通風(fēng)作用引起的洞穴內(nèi)蒸發(fā)作用（周厚云等，2016；Baker et al，2019），都將對石筍δ18O信號產(chǎn)生影響。

Fairchild and Baker（2012）認(rèn)為器測數(shù)據(jù)顯示石筍δ18O主要反映當(dāng)?shù)亟邓?，也有研究顯示石筍δ18O主要反映當(dāng)?shù)赜行Ы邓˙aldini et al，2005；Tan et al，2015b；Wang et al，2015）。為探討LFD-1的δ18O的氣候意義，將其與相距最近的郴州氣象站的降水量、蒸發(fā)量及溫度等指標(biāo)進(jìn)行了對比分析（圖3）。結(jié)果顯示：LFD-1的δ18O與溫度的相關(guān)性最好（R= ?0.72）；而與降水量和蒸發(fā)量的相關(guān)性弱很多（表1）?？紤]到洞穴蓋層對石筍δ18O記錄造成延遲現(xiàn)象（Lachniet，2009），本文將LFD-1的δ18O記錄向老的方向逐步移動并計算δ18O與溫度、降水量和有效降水量之間的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)移動2 a時總體的相關(guān)性達(dá)到最好，δ18O與溫度、降水量和有效降水量的相關(guān)性都達(dá)到顯著性水平（表1）。這里2 a可能反映了老虎洞洞穴蓋層對LFD-1的δ18O記錄延遲效應(yīng)（Lachniet，2009）。無論在哪種情況下，δ18O與有效降水的相關(guān)性都高于與降水量的相關(guān)性（表1），這與大氣降水中被蒸發(fā)掉的部分并沒有參與巖溶過程是一致的。移動后的δ18O與有效降水和溫度的二元回歸相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.82（表1），暗示溫度和有效降水可能都是影響δ18O的重要因素。其中，20世紀(jì)50年代以來δ18O變輕幅度＞3‰，同期溫度上升幅度＜2℃（圖3e），如果僅考慮石筍碳酸鹽沉積時的同位素分餾因子（O’Neil，1977），則無法解釋δ18O的大部分變化。這說明雖然溫度可能是影響石筍δ18O的重要因素，但有效降水可能是影響δ18O變化的關(guān)鍵因素之一。這與最近Baker et al（2019）的研究結(jié)果一致，也與同期有效降水明顯增加的總體趨勢一致（圖3b）。δ18O偏輕反映有效降水增加，反之亦然。

表1 石筍LFD-1的δ18O與其他指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab. 1 Correlation coefficients between the LFD-1 δ18O record and other parameters

4.2 南嶺東部有效降水變化

根 據(jù)LFD-1的δ18O記 錄，過 去150 a南 嶺東部有效降水變化呈現(xiàn)出明顯的年代際波動（圖4b）。其中，AD 2000前后、AD 1980前后和20世紀(jì)60年代的有效降水峰值均與器測記錄一致（圖4b，圖3b），AD 1910前后及19世紀(jì)80年代也表現(xiàn)為有效降水峰值。伴隨這種顯著的年代際波動，南嶺東部過去150 a有效降水變化的長期趨勢可以劃分為3個階段：有效降水在19世紀(jì)90年代前表現(xiàn)為總體增加趨勢，但之后至20世紀(jì)50年代中期則表現(xiàn)為總體減少趨勢，最后一個階段有效降水又表現(xiàn)出總體增加趨勢（圖4b）。最后一個階段的總體趨勢也與器測記錄一致（圖3b）。

4.3 南嶺東部有效降水變化的驅(qū)動因素

南嶺東部過去150 a有效降水變化與ENSO和太陽活動存在良好的對應(yīng)關(guān)系（圖4a，4b，4c）。在年代際尺度上，有效降水增加對應(yīng)于偏El Ni?o態(tài)，而偏La Ni?a態(tài)時則有效降水偏少。這種對應(yīng)關(guān)系也與器測記錄一致（圖3a，3b），反映了南嶺東部有效降水在多年際至年代際尺度的變化主要與ENSO活動有關(guān)。在長期趨勢上，南嶺東部有效降水在前2個階段的長期趨勢與太陽活動的總體趨勢十分一致：太陽活動減弱時有效降水增加，反之亦然（圖4b，4c）。只是在最近~50 a來有效降水顯著增加的趨勢與太陽活動沒有很好的對應(yīng)（圖4b，4c）。

圖3 AD 1947 — 2006器測數(shù)據(jù)與LFD-1的δ18O的對比（a圖為Ni?o 3表層海水溫度（SST）距平（Rayner et al，2003），b — e圖中的黑實線分別為2 a滑動平均的郴州月有效降水量、月降水量、月蒸發(fā)量及月均溫度，灰色粗實線為向左移動2 a的LFD-1的δ18O記錄）Fig. 3 Comparisons of the LFD-1 δ18O record (thick solid gray line in b to e) with the Ni?o 3 SST anomalies from NOAA(Rayner et al, 2003) (a), monthly effective precipitation (b), precipitation (c), evaporation (d) and average temperature (e)at Chenzhou (the data at Chenzhou are 24-month moving averages, the LFD-1 δ18O record was left-shifted by 2 a)

ENSO活動可能會通過以下機(jī)制影響我國東南地區(qū)的降水變化：（1）赤道太平洋的海表溫度（SST）偏El Ni?o態(tài)時，由于海陸熱力差降低導(dǎo)致EASM減弱，使得季風(fēng)雨帶更長時間停留在偏南位置，導(dǎo)致南方地區(qū)降水偏多（Ding et al，2008，2009；錢維宏等，2011），而赤道太平洋SST偏La Ni?a態(tài)則相反。（2）對應(yīng)于El Ni?o事件的北印度洋升溫會增強(qiáng)赤道西北太平洋的反氣旋（Xie et al，2009，2016），加強(qiáng)該反氣旋西側(cè)的南風(fēng)，從南海攜帶更多水汽往北，并在該反氣旋北側(cè)受阻，導(dǎo)致長江中下游以南地區(qū)降水增加（Xie et al，2016）。這兩種解釋都暗示El Ni?o發(fā)生時我國南方地區(qū)降水會相對增加。這與Jiang et al（2006）利用歷史資料研究長江中下游地區(qū)過去~530 a旱澇災(zāi)害的結(jié)果一致，其發(fā)現(xiàn)El Ni?o發(fā)生時長江中下游發(fā)生洪水災(zāi)害頻率更高，而La Ni?a時則更易發(fā)生干旱。

Asmerom et al（2007）和Park（2017）認(rèn)為，太陽活動減弱（增強(qiáng)）會使得El Ni?o增強(qiáng)（減弱）（Mann et al，2005），導(dǎo)致亞洲季風(fēng)（AM，Asian monsoon）減弱（增強(qiáng)）。此外，太陽活動減弱（加強(qiáng)）時也會導(dǎo)致海陸熱力差減少（增加）和AM減弱（增強(qiáng)）（Zeng et al，2012）。因此，這兩種機(jī)制都指示太陽活動減弱時AM減弱，我國南方地區(qū)的降水將增加（Ding et al，2009；Xie et al，2016）。這與南嶺東部石筍記錄所顯示的一致（圖4b，4c）。最近~50 a南嶺東部有效降水的總體趨勢似乎偏離了太陽活動的長期趨勢。這一時期南嶺東部有效降水呈現(xiàn)增加的總體趨勢，但太陽活動并沒有顯示對應(yīng)的趨勢變化（圖4b，4c）。石筍和觀測記錄顯示的南嶺東部地區(qū)最近~50 a以來的有效降水增加（圖3b，圖4b）不知是否與當(dāng)?shù)厝祟惢顒佑嘘P(guān)?，F(xiàn)代觀測顯示，當(dāng)?shù)刈罱鼅50 a以來的氣溫明顯上升（圖3e），與同期全球氣溫急劇上升的背景一致（Mann et al，2000）；但同期當(dāng)?shù)卣舭l(fā)表現(xiàn)出減少的總趨勢（圖3d）。這些都是值得進(jìn)一步研究的地方。

圖4 LFD-1的δ18O（b）與Ni?o 3表層海水溫度（SST）距平（Cook et al，2008）（a）、太陽總輻照度（TSI）（Steinhilber et al，2009）（c）Fig. 4 Comparisons of the LFD-1 δ18O record (b) with the 10 a moving averaged Ni?o 3 SST anomalies(Cook et al, 2008) (a) and total solar irradiance (TSI) (Steinhilber et al, 2009) (c)

5 結(jié)論

基于對南嶺東部老虎洞石筍LFD-1的210Pb年代學(xué)和δ18O的氣候意義研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）LFD-1的δ18O記錄了當(dāng)?shù)亟?50 a有效降水變化：δ18O偏重指示有效降水較少，偏輕則反映有效降水較多。

（2）南嶺東部有效降水變化與ENSO和太陽活動存在密切關(guān)系。在年際至年代際尺度上，有效降水增加和石筍δ18O變輕對應(yīng)El Ni?o態(tài)，有效降水減少和石筍δ18O變重對應(yīng)La Ni?a態(tài)。有效降水變化的長期趨勢則主要與太陽活動有關(guān)，太陽活動減弱時南嶺東部有效降水增加，反之則減少。

（3）ENSO和太陽活動變化引起的雨帶位置和西北太平洋副熱帶高壓變化主導(dǎo)了南嶺東部有效降水的變化。太陽活動減弱和El Ni?o態(tài)時雨帶較長時間停留在偏南位置，副高西側(cè)氣流加強(qiáng)導(dǎo)致更多水汽從南海輸入，都將使得我國南方地區(qū)降水增加。而太陽活動增強(qiáng)和La Ni?a態(tài)時則出現(xiàn)相反情況。