近日，兰州大学资源环境学院吴铎教授课题组在国际地球科学领域综合性期刊《Quaternary Science Reviews》发表了题为“Precipitation seasonality in controlling the north‒south dipolar pattern of effective moisture variations on the eastern margin of the Tibetan Plateau during the Holocene”的研究论文，提出降水的季节性差异是控制全新世青藏高原东缘南北有效湿度呈“偶极模态”变化的主要原因。
近20年来，亚洲地区全新世气候变化的时空异质性一直是古气候研究领域广泛关注的热点科学问题。已有研究表明，东亚季风区在全新世多时间尺度均存在降水变化的南北偶极子特征，即“南涝北旱”或“北涝南旱”；在更大空间范围，亚洲中部干旱区与中国华北地区的全新世降水或湿度变化存在东西跷跷板式的反/错相位特征，即亚洲中纬度气候变化的“西风模态”。东亚夏季风与中纬度西风大气环流系统的强弱变化被认为是塑造上述格局的主要原因。然而，全新世以来夏季风系统与西风环流如何协同作用，并如何通过降水的季节性配置来协调区域气候干湿变化，是当前面临的严峻挑战和亟需解决的关键科学问题。
青藏高原东缘地处季风与西风环流的交互影响区域，是解决上述问题的最佳场所。近年来，系列研究成果揭示出青藏高原东北部（NETP）和东南部（SETP）不仅在器测时段和百年时间尺度存在降水/湿度变化的偶极模态（Jiang et al., 2023, Nature; Zhang et al., 2015, NC），而且在全新世千年尺度上也存在“反相位”湿度变化格局（Wu et al., 2023, FR）；并进一步指出，非季风季降水贡献和流域环境反馈作用使得全新世青藏高原东缘南北气候干湿变化呈现“偶极模态”（Wu et al., 2020, QSR; Wu et al., 2022, ESR; Wu et al., 2023, FR）。然而，青藏高原东缘也存在一些代用指标记录在变化趋势上不支持全新世千年时间尺度南北偶极模态，换言之，相同区域或同一湖泊全新世代用指标存在相互抵牾之处。因此，系统而全面的多代用指标梳理，以及从流域到湖泊的沉积过程解读，是调和代用指标冲突、夯实“偶极模态”关键证据、揭示季风与西风协同作用下调配季节降水而控制气候干湿变化的重要举措。
本研究系统梳理了青藏高原东部及其毗邻区域来自多种地质载体的全新世古气候和古环境记录，包括花粉类型（乔木和非乔木花粉）、蒿属/藜科花粉（A/C）比值、湖泊水位变化、湖泊沉积物自生碳酸盐氧同位素（δ18O）、陆生植物叶蜡氢同位素（δD），以及风成沉积物指示的古土壤发育和风沙活动状况，同时对比了该区树轮纤维素氧同位素与石笋氧同位素记录。该文首先在对上述指标进行全面评估的基础上区分了类别，并成功运用了主成分分析（PCA）、归一化（Z-score）、概率密度统计（PDF）等数理分析方法，重点关注花粉重建的植被演替与季风降水变化、同位素反演的流域与湖泊水文循环、风成沉积年代频率揭示的地表景观与风沙状况；其次提出“湖泊-陆地”过程概念模型（图1），强调甄别湖泊内部（全年）信号和陆源（季节）信号差异，以调和代用指标之间的冲突；最后遴选自生碳酸盐氧同位素、A/C比值、湖泊水位、古土壤发育等能够反映区域有效湿度变化的指标进行综合集成，揭示出降水季节差异控制全新世青藏高原东缘南北有效湿度呈“偶极模态”变化。
图1 “湖泊‒陆地”过程概念模型
分析结果表明，青藏高原东缘全新世夏季风降水呈现长期下降趋势，体现在全新世以来普遍降低的乔木花粉百分含量、持续偏正的石笋与树轮纤维素及SETP湖泊沉积物自生碳酸盐δ18O值，以及青藏高原东缘整体升高的δD值（图2）。NETP风沙活动和古土壤发育年代学结果显示，全新世早期风沙活动最强，而古土壤主要发育在中、晚全新世；这些证据以及结合该区全新世湖泊水位上升和中-晚全新世湖水δ18O值下降的迹象（图2），表明NETP的有效湿度在全新世呈现整体增加趋势。在全新世夏季风降水持续减少的背景下，中纬度西风的增强导致的非季风季降水（特别是冬春季降水）的增加为NETP提供了更多的水分供应，最终导致NETP和SETP出现全新世湿度变化的“偶极模态”（图3）。这一发现也得到了近千年时段百年时间尺度高分辨率气候代用指标及年代际时间尺度器测气象数据的支撑。更重要的是，基于EC-Earth气候模式的模拟结果也有力印证了季节性降水差异控制了全新世青藏高原东缘南北降水的分异格局（In Preparation）。
图2 青藏高原东缘树轮纤维素δ18O（a）、湖泊沉积物自生碳酸盐δ18O（b, c）、叶蜡δD（d, e）、乔木（f）和草本（g）花粉记录、古土壤发育状况（h），及石笋δ18O（i）
经过二十余年的研究，古气候学界从地理区域的空间差异性角度出发，以宏观视角，提出并持续论证了亚洲全新世气候变化的时空异质性，这体现出由静态到动态、由局域到区域的地理环境演变研究范式的转变。然而，对于古气候代用指标而言，对其环境指示意义的不同解读往往带来的对气候变化过程与格局认识的差异。因此，古湖沼学研究从流域尺度沉积过程的视角切入，亟需加强基于多环境要素过程的定量化研究。这也暗示着，可能没有简单的“模式”之争，对各环境要素之间逻辑关系的梳理往往会调和代用指标间的矛盾，最终逼近气候与环境变化的事实，揭示其演变规律与驱动机制。
图3 全新世青藏高原东缘有效湿度变化及其驱动机制
兰州大学资源环境学院吴铎教授为论文的第一和通讯作者，中国科学院西北生态环境资源研究院陈雪梅副研究员、兰州大学资源环境学院张家武教授与周爱锋教授，以及中国科学院青藏高原研究所陈发虎院士等为主要合作作者。该研究得到了国家自然科学基金（42171150，42071117）和第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0601）的共同资助。
文章信息：
Wu, D.*, Xiao, Q.L., Guo, S.L., Huang, J.H., Shao, S., Wang, T., Chen, X.M., Zhang, J.W., Zhou, A.F., Chen, F.H., 2024. Precipitation seasonality in controlling the north‒south dipolar pattern of effective moisture variations on the eastern margin of the Tibetan Plateau during the Holocene. Quaternary Science Reviews, 345, 109030. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2024.109030
延伸阅读：
1) Wu, D., Ma M.M.*, Lu, Y.X., Guo, S.L., Wang T., Ma X.Y., Dong G.H., 2023. Out-of-phase relationship of Holocene moisture variations between the northeastern and southeastern Tibetan Plateau and its societal impacts. Fundamental Research. In Press. https://doi.org/10.1016/j.fmre.2023.02.014
2) Wu, D.*, Ma, X.Y., Yuan, Z.J., Hillman, A., Zhang, J.W., Chen, J.H., Zhou, A.F. 2022. Holocene hydroclimatic variations on the Tibetan Plateau: An isotopic perspective. Earth-Science Reviews. 233, 104169. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2022.104169
3) Wu, D.*, Zhang, C.B., Wang, T., Yuan, ZJ., Yang, S.L., Zhang, X.J., Chen, F.H. 2021. East-west asymmetry in rainfall on the Chinese Loess Plateau during the Holocene. Catena. 207, 105626. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105626
4) Wu, D.*, Zhou, A.F.*, Zhang, J.W., Chen, J.H., Li, G.Q., Wang, Q., Chen L. Madsen, D., Abbott, M., Cheng, B., Chen F.H. 2020. Temperature-induced dry climate in basins in the northeastern Tibetan Plateau during the early to middle Holocene. Quaternary Science Reviews, 237, 106311. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2020.106311
5) Wu, D., Chen, X.M., Lv, F.Y., Brenner, M., Curtis, J., Zhou, A.F., Chen, J.H., Abbott, M., Yu, J.Q., Chen, F.H.* 2018. Decoupled early Holocene summer temperature and monsoon precipitation in southwest China. Quaternary Science Reviews, 193, 54-67. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2018.05.038
6) Jiang, J., Zhou, T.*, Qian, Y., Li, C., Song, F., Li, H., Chen, X., Zhang, W., Chen, Z. 2023. Precipitation regime changes in High Mountain Asia driven by cleaner air. Nature, 623, 544-549. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06619-y
7) Zhang, Q.*, Evans, M.N., Lyu, L. 2015. Moisture dipole over the Tibetan Plateau during the past five and a half centuries. Nature Communication, 6, 8062. https://doi.org/10.1038/ncomms9062
供稿人：吴铎、肖奇立
