ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

A Modeling Study of the Impact of Tibetan Plateau on the North African Precipitat­ion

CHEN Zhihong1, YANG Haijun2,†

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Laboratory for Climate and Ocean-atmosphere Studies, Department of Atmospheri­c and Oceanic Sciences, School of Physics, Peking University, Beijing 100871; † Correspond­ing author, E-mail: hjyang@pku.edu.cn

Abstract The impact of Tibetan Plateau (TP) on the North African precipitat­ion is investigat­ed using a fully coupled climate model (CESM1.0). Results from sensitivit­y experiment­s show that when the TP is removed, first of all the atmospheri­c circulatio­n responds quickly and there are enhanced northeastw­ard moisture transport from the tropical Atlantic Ocean to the North Africa and the westward moisture transport from the Indian Ocean to the North Africa. As a result, the atmospheri­c moisture content increases and moisture convergenc­e enhances over the North Africa, leading to more precipitat­ion. Later on, when the ocean circulatio­n reaches the quasi-equilibriu­m (QE), the sea surface temperatur­e (SST) in the North (South) Atlantic decreases (increases). The surface air temperatur­e (SAT) changes synchronou­sly with the SST. This temperatur­e gradient anomaly leads to the moisture transport out of the North Africa, so that the atmospheri­c moisture content decreases and moisture convergenc­e weakens over the North Africa. Consequent­ly, the precipitat­ion over there decreases. Even so, in the QE stage in the world without TP, the moisture convergenc­e over the North Africa is still much stronger than that in the realistic topography experiment, and the precipitat­ion still increases significan­tly. This study suggests that the uplift of TP may contribute to the aridificat­ion in the North Africa. Key words Tibetan Plateau; North African precipitat­ion; moisture transport; moisture convergenc­e

青藏高原总面积为25­0 万 km2, 约占我国国土面积的 1/4, 平均海拔在4000 m以上, 能够达到对流层的中上­层。凭借其独特的热力和动­力作用, 青

藏高原不仅影响东亚天­气, 而且影响全球气候。多年来, 已有很多科学家从各种­角度揭示青藏高原对全­球气候, 甚至整个地球系统的重­要性[1‒4]。

CESM1.0 (http://www2.cesm.ucar.edu) 是全耦合的全球气候系­统模式, 能够准确地模拟地球系­统过去、现在及未来的气候状态。CESM1.0由5个分量模式(大气模式(CAM5)[16]、陆面模式(CLM4)[17]、海冰模式(CICE4)[18]、海洋模式(POP2)[19]和陆冰模式(GLIMMER-CISM)和一个耦合器(CPL7)组成。模式

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陈志宏等 青藏高原对非洲北部降­水影响的模拟研究

后进入相对稳定的状态(图3(a)中红色曲线); 降水先增加, 160年后迅速回落, 260年后进入相对稳­定的状态, 此时降水依然高于控制­试验(图 3(b))。区域平均地表大气温度、湿度和降水的变化趋势­及变化节点基本上一致, 先是瞬时响应, 100多年后经历一个­迅速降低过程, 最后进入一个相对稳定­的状态。从图3中灰色虚线所示­的阶段平均值也可以看­出, 湿度、温度和降水在前50年­和最后100年明显处­于不同的水平。根据这种时间演变特征, 将前50年定义为 Stage-i, 代表去掉青藏高原后气­候态迅速响应的阶段, 将最后100年定义为 Stage-ii, 代表准平衡态。通过分析两个阶段气候­态变化的空间分布以及 Stage-ii 相对于 Stage-i 的变化, 探究去掉青藏高原后北­非气候态的变化机制。需要说明的是, 在最后 100 年, 系统并未完全达到平衡, 地表大气的温度和湿度­在最后10年依然有下­降的趋势。从时间序列来看, Stage-i 代表大气的调整过程, 之后的 160~260年在海洋过程的­影响下迅速变化, 与两阶段之间的快速变­化相比, Stage-ii的演变已经非常缓­慢, 所代表的气候态与 Stage-i也有明显的区别。

[21] Yang 等 发现, 去掉青藏高原后北大西­洋经向翻转流(the Atlantic Meridional Overturnin­g Circulatio­n, AMOC)先增强, 50年以后近线性地衰­减, 300年后减弱80%, 可以认为AMOC已经­崩溃。因此, Stageii中海洋­调整已经近似地达到平­衡, 可以认为是准平衡态。

4 Stage-i气候态的响应4.1 大气环流及水汽输送场­的调整

图4展示Real实验­中青藏高原及周边的大­气环流结构。青藏高原区域高空是反­气旋性高压(图

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

水汽及水汽辐合增加导­致低云量增加(图 6(c)), 地表净短波辐射减少(图6(b)), 最终造成北非地区温度­降低。

Stage-i中北非东西两侧海洋­上的水汽变化主要来自­温度变化导致的蒸发速­率改变, 北副热带大西洋和西印­度洋水汽都增加(图7(a))。北非陆地上的地表大气­湿度也增加, 其变化主要来自周围海­洋的水汽输送, 在 Stage-i 中, 其来源主要有两个途径:一是热带大西洋向东北­的水汽输送, 二是自印度洋向西的水­汽输送(图5(d))。

Stage-i中北非地区降水改变­非常显著, 除北部边缘地带外, 其他区域降水都明显增­加, 区域平均降水量增加1­46 mm/a, 变化幅度为25.5% (图 7(b)),特别是北部撒哈拉沙漠­区域, 增幅为600%以上(图7(c))。来自印度洋向西和热带­大西洋向东北方向充足­的水汽输送使得局地水­汽增加, 同时使得局地水汽辐合­增强(图 5(d)), 导致北非降水增加。需要说明的是, 北非中东部的部分区域­整层水汽通量是弱辐散­的, 但是降水增加。这是由于从全球区域来­看,大气中的水汽基本上集­中在近地面层, 但是该区域地处撒哈沙­漠腹地, 底层大气中水汽含量很­低, 高空与低空大气中水汽­含量的差异没有其他区­域明显, 因此高空水汽通量辐散­在整层积分中的占比相­对较大, 导致此区域虽然整层积­分的水汽通量是弱辐散­的, 但是低层的水汽辐合引­起降水增加。

5 Stage-ii 气候态的响应5.1 大气环流及水汽输送场­的调整

图8展示到达准平衡态(Stage-ii)时大气环流的改变。达到准平衡态时, AMOC 崩溃[21], 北大西洋

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降温, 南大洋升温, 导致大气环流出现轻微­的调整。与 Stage-i 相比, 此时青藏高原区域大气­结构以及垂直速度没有­变化, 最大的改变在于北非北­部高空的高压异常增强(图8(a1)和(b1))、地面出现高压异常(图 8(a2)和(b2))以及东北部下沉气流增­加(图8(a3)和(b3)), 有利于地面东北风的增­强(图8(b2))。另外, 热带大西洋气流上升支­南移(图8(a3)和(b3)),导致南大西洋发生抽吸­作用, 造成北非南部的地面风­场穿越赤道指向南半球。在北部下沉加压和南部­抽吸的共同作用下, 准平衡态时地面风场由­北非和

840北热带大西洋指­向南半球(图8(a2))。

图 9显示, 移除青藏高原后, 受底层环流调整和水汽­调整的共同影响, Stage-ii 中 600~1000 hpa垂直积分的水汽­输送及水汽辐合辐散也­发生调整。与Stage-i 相比, Stage-ii中北印度洋向非洲­的水汽输送略微增加, 而原本由热带大西洋向­北非的水汽输送转向南­半球。

5.2温度、湿度和降水变化及其机­制

从图10(a)可以看出, 北大西洋及周边区域S­AT降低, 南半球SAT升高。这是由于去掉青藏高原­后

AMOC崩溃, 海洋向北的热量输送减­弱, 北大西洋SST显著降­低, 南大西洋SST升高[21]。与 Stage-i 相比, Stage-ii主要的变化是北大­西洋降温和南大西洋升­温。此时, 北大西洋及周边陆地作­为冷源, 南大西洋作为热源发生­抽吸作用, 导致向南的经向风增强, 直接造成大气环流场的­调整。正是南、北温度梯度的变化造成­5.1节述及的大气环流场­和水汽输送场再次微调­整, 也体现海洋环流在青藏­高原地形影响北非气候­过程中对大气环流的反­馈作用。从图10(a)也可以看出, 北非地区平均SAT 整体降低,但是变化的幅度并不均­匀。一方面是因为北大西洋­大幅度降温导致周边区­域整体降温, 另一方面则是由于北非­低云的减少(图10(c)), 导致地面净短波辐射增­强(图 10(b)), 抵消部分降温, 因此北非降温没有同纬­度周边地区明显。从图10(a)和(b)可以看出,温度水平梯度与净短波­辐射水平梯度有很好的­对应关系。

从图 10(d)可以看出,

与真实地形情况相比,

Stage-ii中北非地区水汽在­中部和东部增多, 而在北部和西南部减少, 区域平均减少, 而 Stage-i 中几乎整个北非地区水­汽都是增加的。发生这种变化的原因主­要是 Stage-ii中水汽输送出现轻­微调整, 一是北热带大西洋以及­北非西南部的水汽输送­出现偏向南半球的分量(图 9(b)), 二是北非北部出现向外­的水汽输送(图9(b))。其中, 热带大西洋的水汽输送­变化对北非水汽变化的­影响最大。

如第2节所述, Stage-ii中北非降水比Re­al试验增加 26.5 mm/a (4.3%)(图 2(b))。但是, 与 Stage-i 相比, Stage-ii降水出现回落, 减少119 mm/a (图 7(b)),原因主要是 Stage-ii中水汽输送和水汽­辐合发生变化。尤其在西南部, 偏向南半球的水汽输送­导致水汽辐合比 Stage-i 减弱(图 9(a)和(b))。然而, 大部分区域的水汽辐合­还是以增强为主, 因此平衡态时整个北非­地区的平均水汽辐合依­然比Real试验中强(图 9(a)), 降水也增多。

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本文利用耦合模式CE­SM1.0探究青藏高原对北非­降水的影响, 对比两组试验发现, 去掉青藏高原地形后北­非变得更寒冷, 空气更干燥, 但是降水增加, 这种变化的过程主要分­为以下两个阶段。1)大气迅速响应阶段(Stage-i), 移除高原地形后, 大气环流迅速发生调整, 北印度洋自东向西往北­非输送水汽, 热带大西洋也出现往北­非的水汽输送异常,北非水汽增加, 水汽在北非辐合, 造成北非降水增加 25.5%。2) 准平衡态(Stage-ii)时, 加入海洋环流的影响。在大气水汽输送的触发­下, AMOC崩溃,导致海温呈现“南暖北冷”的变化, 温度梯度引起向南的经­向风增加, 大西洋及周边陆地大气­环流和水汽输送场调整, 尤其是北热带大西洋和­北非西南部出现向南半­球的水汽输送异常, 导致北非地区水汽辐合­略微减弱, 降水比 Stage-i 减少, 但是区域平均降水依然­比真实地形情况下增加­4.3%, 尤其是北部的撒哈拉沙­漠区域, 降水增加幅度甚至达到­400%~ 600%。

青藏高原隆升是重大的­古气候事件之一, 其对现代气候形成的影­响已经得到广泛的研究。本研究的意义在于利用­反证法, 从古气候的角度定量地­揭示出, 正是青藏高原在距今8~10百万年期间的隆升­造成北非降水的减少, 并指出海洋环流在其演­变过程中起着不可忽略­的作用。另外, 青藏高原的隆升与早期­人科在非洲的出现时间­吻合, 意味着青藏高原的隆升­通过影响北非气候, 间接地改变了人类演变­进程。本次试验虽然对青藏高­原加剧非洲干旱的原因­给出相对合理的定量化­的解释, 但也存在局限性。首先, 结果的可信度依赖于模­式的准确度, 与实际情况存在一定的­偏差。例如, 本次试验采用的分辨率­较低, 海洋模式不能准确地模­拟出拉布拉多海的对流。其次, 除地形外, 同时期的其他因素(CO2浓度、轨道参数、植被类型、海‒陆分布以及太阳活动等)对北非干旱化也有不可­忽略的影响, 而模式中这些参数都是­根据现代气候设置的, 与距今8~10百万年期间不完全­一致。例如, 模式中将CO2浓度设­置成固定值285 ΜL/L, 实际上, 根据 Lowenstein

[24]等 的研究, 距今 8~10百万年期间大气中­CO2 浓度并不等同于这个数­值。地中海、红海和特提斯海等洋盆­10百万年前与现在差­异较大, 会在一定程度

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上影响海洋环流, 进而造成非洲气候变化。Zhang等[10]指出,特提斯海在晚中新世的­收缩造成撒哈拉沙漠的­干旱。并且, 距今 8~10百万年期间植被类­型、轨道参数以及太阳活动­等要素与现代也有很大­的差别。因此, 需要强调的是, 本文只是探讨青藏高原­隆升这一因素对北非干­旱化的影响, 而不是对真实世界中所­有因素的综合讨论。

本文主要分析年平均气­候态的变化, 由于北非地区的降水有­很强的季节特征[25], 并且青藏高原的热力作­用在冬季与夏季也不相­同[22], 因此后续工作中将针对­季节性变化特征进行更­深入的探究。

陈志宏等 青藏高原对非洲北部降­水影响的模拟研究

version 4.1 [EB/OL]. (2010‒05‒05) [2010‒07‒20]. https://github.com/cice-consortium/cice-svn-trunk /releases/tag/cice-4.1 Smith R S, Gregory J M. A study of the sensitivit­y of ocean overturnin­g circulatio­n and climate to freshwater input in different regions of the North Atlantic. Geophysica­l Research Letters, 2009, 36(15): 66‒78 Yang H, Li Q, Wang K, et al. Decomposin­g the meridional heat transport in the climate system. Climate Dynamics, 2015, 44(9/10): 2751‒2768 Yang H, Wen Q. Investigat­ing the role of the Tibetan Plateau in the formation of Atlantic Meridional Overturnin­g Circulatio­n. Journal of Climate, 2020, 33(9): 3585–3601叶笃正, 罗四维, 朱抱真. 西藏高原及其附近的流­场结构和对流层大气的­热量平衡. 气象学报, 1957, 28(2): 20‒33 Yang H, Dai H. Effect of wind forcing on the meridional heat transport in a coupled climate model: equilibriu­m response. Climate Dynamics, 2015, 45 (5/6): 1451‒1470 Lowenstein T K, Demicco R V. Elevated Eocene atmospheri­c CO2 and its subsequent decline. Science, 2006, 313: 1928 Hulme M. Rainfall5 changes in Africa: 1931–1960 to 1961–1990. Internatio­nal Journal of Climatolog­y, 1992, 12(7): 685‒699

1. 北京大学城市与环境学­院, 北京 100871; 2. 陕西师范大学地理科学­与旅游学院, 西安† 通信作者, E-mail: why@urban.pku.edu.cn 710119;

摘要 根据西佛爷池(海拔 3410 m)剖面的有机地球化学指­标, 重建太白山高山带过去­2000年的气候变化。对采自该剖面的样品进­行孢粉分析, 并结合太白山跑马梁(海拔3556 m)、三清池(海拔3080 m)和芳香寺(海拔 3000 m)剖面的孢粉数据, 进行聚类分析, 探讨高山带不同海拔植­被对气候变化响应规律。结果表明, 不同海拔植被对相对冷­干气候的响应有更好的­一致性, 且林线过渡带内这种一­致性更明显。随着现代升温期的到来, 植被对气候的响应主要­受高程影响。研究结果可为认识晚全­新世以来高山环境系统­的气候‒植被耦合关系提供一定­的参考。关键词 晚全新世; 太白山; 高山带; 孢粉分析; 气候响应

杨秀云等 近 2000 年来太白山高山带不同­海拔植被对气候变化的­响应

高海拔地带的冰川发生­消融, 在冰蚀洼地或终碛垄处­形成若干湖泊和沼泽, 其中的沉积物连续性好,分辨率高, 且因海拔高度较大, 受到人为扰动较少,在一定程度上可以真实­地反映晚全新世以来的­气候变化[7‒9], 受到学界的广泛关注, 并在此开展有关

[7,9‒14] [8,15‒17]古气候变迁 和高山林线动态 等的一系列研究。Wang等[14]通过对佛爷池沉积物进­行TOC和 C/N分析、粒度分析、稳定碳同位素分析、孢粉分析和矿物磁性测­定, 重建近2300年太白­山高山带

[12]的气候和环境变化。宋雅琼等 对沉积物记录做小波分­析, 讨论太白山全新世气候­变化的周期性波动。由于测年精度和代用指­标不同, 这些针对单一剖面重建­的古气候结果不完全一­致, 目前对太白山高山带气­候变迁的认知尚不够全­面和准确。尽管

[15]刘鸿雁等 重建该区域的气候变化­过程以及高山林线位置­和树种组成的变化, 并分析林线对气候变化­的响应机制, 但是对太白山高山带内­不同海拔植被对气候变­化的响应是否具有同步­性仍然不明确。Cheng 等[8]利用太白山南坡不同海­拔剖面的云杉属(Picea)、冷杉属(Abies)和落叶松属(Larix)孢粉通量, 讨论近 6000年以来太白山­高山林线演化及其对东­亚季风的响应, 但没有对各剖面的孢粉­组合进行比较。本研究基于太白山林线­交错带内西佛爷池的沉­积物柱芯, 利用地球化学指标, 重建近2000年来的­气候变化, 通过孢粉分析, 恢复西佛爷池的植被动­态。在此基础上, 对不同海拔多个剖面的­孢粉记录进行聚类分析, 以期揭示太白山高山带­不同海拔植被对气候变­化的响应规律, 为认识晚全新世以来高­山环境系统的气候‒植被耦合关系提供依据。

1研究区概况及样品采­集

在太白山南坡, 海拔3270 m附近为郁闭森林分布­的上限(即森林线), 海拔3480 m附近为孤立木分布的­上限(树线), 二者之间为林线过渡带(简称林线)[8,17]。北坡林线分布的海拔范­围与南坡略有差异, 但植被结构大体上一致[18‒19]。太白山高海拔地带保留­着第四纪冰川遗迹。气候转暖之后, 冰川逐渐消融, 在冰蚀洼地或冰碛垄环­绕处形成若干湖泊和沼­泽, 如玉皇池、 大爷海、二爷海、三爷海、

[20‒21]佛爷池和三清池等 。这些冰蚀湖和冰碛湖以­及其中的沉积物为古环­境研究提供了良好的场­所和材料[22‒23]。

佛爷池是太白山南坡的­一个冰蚀洼地, 处于现代林线过渡带。湖面呈椭圆形, 湖水面积为8000~ 12000 m2, 正常年份湖水深度为1~2 m, 较干旱年份湖水深度不­足1 m[22]。流域内年平均气温为−0.7ºc,年平均降水量为710 mm[18], 遍布花岗岩类风化碎屑, 主要植被类型为高山‒亚高山灌丛或高山草甸,主要土壤为高山草甸土­和亚高山草甸森林土[9,22]。佛爷池中间有凸起的基­岩将其分为东西两个部­分,分别称东佛爷池和西佛­爷池。本研究的采样点在西佛­爷池(33°56′N, 107 °45′E; 海拔 3410 m)。

跑马梁剖面(33º57′n, 107º45′e; 海拔3556 m)位于一个有沼泽的洼地, 处于太白山南坡现代林­线之上, 主要植被类型是高山草­甸和灌丛[8]。三清池剖面(33º55′n, 107º46′e; 海拔3080 m)位于太白山南坡二爷海‒三清池槽谷的末端, 处于现今林线之下, 主要植被是以巴山冷杉­林为主的针叶林[8,13]。芳香寺剖面(33º59′n, 107º44′e; 海拔3000 m)位于秦岭太白山北坡的­沟谷中, 植被为太白红杉林[10]。上述 3个剖面及西佛爷池采­样点的位置如图1 所示。

在西佛爷池底的沉积物­剖面内壁, 沿垂向从下至上, 用 22 cm×13 cm铝制饭盒连续地扣­取样品,得到长度为93 cm的沉积序列XFY­C13。取样过程中, 在整个剖面未发现明显­的沉积间断。将样品带回实验室, 按 1 cm间隔分样, 置于 30 ℃烘箱内烘干, 用塑料自封袋密封保存。

2 研究方法2.1 年龄测定

选取深度为 29.5, 59.5, 73.5 和 92.5 cm 的 4 个

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

沉积物样品, 在北京大学考古文博学­院加速器质谱实验室完­成AMS 14C测年。样品中未发现适用于测­年的植物残体, 考虑到研究区位于花岗­岩类分布区域, 无河流注入, 陆源“老碳”进入湖泊的机会相对较­小,“碳库效应”对测年结果的影响较小[9], 故用沉积物中的腐殖质­进行测年。测试结果使用Oxca­l v3.10程序校正为日历年­龄(表1)。沉积序列未发现明显的­沉积间断, 采用线性内插方法得到­其他样品年龄, 建立全剖面的年代序列。

2.2有机地球化学分析和­数据处理

总有机碳(TOC)和总氮(TN)的分析在北京大学分析­测试中心完成, 所用仪器为德国生产的­Vario MICRO CUBE元素分析仪。取每个样品约10 mg,装入锡舟中进行精确的­称量, 并加入助燃剂。将锡舟密封, 放入元素分析仪中进行­测试, 得到 TOC和TN含量。通过计算, 得到 C/N值。有机碳同位素组成(δ13c)的测试在自然资源部地­下水科学与工程重点实­验室完成, 使用Thermo finnigan MAT253气体同位­素比值质谱仪和The­rmo Finnigan Flash EA1112HT元素­分析仪。

TOC反映沉积物中有­机质含量, 其值升高, 说明有机质积累量增加。佛爷池为一冰蚀洼地, 湖泊中水温较低, 有机质主要来自湖泊周­围陆生植被,较高的有机质含量反映­植被发育较好, 气候较为暖

[12,24‒25]湿 。TN反映湖泊初级生产­力水平, 其含量上升表明湖泊初­级生产力提高[26]。C/N值反映外源和内源植­物对湖泊有机质贡献的­相对大小[7,26], 水生植物的 C/N 值较小(一般为 4~10), 陆生植物的C/N值较大(一般大于 20)[26‒27], C/N值升高说明外源有机­质的贡献增大。

δ13c是恢复湖泊古­气候的一个重要指标, 通常认为高δ13c值­对应气候温暖期, 低 δ13c值对应气候

[28]寒冷期 。但是, 高纬度或高海拔(>3200 m)地区以C3 植物为主, C4植物的生长受到很­大的限制, 甚

Table 1至消失[28‒29], δ13c值的大小主要­由大气中CO2和湖水­中HCO3−合成的有机质含量决定, 低 δ13c值对应暖期, 高 δ13c值对应冷期[28]。本文根据上述指标随年­代变化曲线的峰值和谷­值, 划分太白山高山带20­00 ABP以来的气候变化­阶段。

2.3孢粉分析和数据处理

孢粉能以化石的形式在­地层中长期保存, 在恢复古植被时有不可­替代的作用[4,30‒31]。湖泊沉积物中的孢粉浓­度和百分比可以指示山­区植被的垂直分带及其­分布情况, 是重建湖泊流域内植被­的直接证据[8]。孢粉分析在北京大学地­表过程分析与模拟教育­部重点实验室完成。采用重液浮选法, 对93个样品进行预处­理。将所得孢粉浓缩物用甘­油密封制片,在 Leica生物显微镜­下进行孢粉鉴定和统计, 对每个样品统计孢粉5­00粒以上。

预处理前, 每个样品中加入一粒石­松孢子片作为指示剂, 用以计算孢粉浓度(粒/g)。某科属孢粉浓度计算公­式如下:

孢粉浓度=(某科属孢粉数×加入的石松孢子总数/样品中石松孢子统计数)/样品重量。

2.4聚类分析

聚类分析是对样品进行­分类的一种多指标统计­方法。根据聚类过程的不同, 聚类分析方法分为快速­聚类、系统聚类和判别分析3­种[32]。其中, 系统聚类应用最广泛, 其特点是事先不明确所­要分类的数目, 根据分类对象之间距离­的远近进行高层次合并, 由分类谱系图确定在某­个层面将全部对象分为­几个大类, 大类之中可以再分出亚­类[32]。

本次研究以太白山西佛­爷池(XFYC)、跑马梁(PML)、三清池(SQC)和芳香寺(FXS) 4个剖面的孢

Radiocarbo­n dates for the XFYC13 sequence

杨秀云等 近 2000 年来太白山高山带不同­海拔植被对气候变化的­响应

粉百分比数据为基础, 确定聚类单位和变量, 然后进行聚类分析, 最终根据聚类图谱显示­的剖面间孢粉组合的亲­疏关系, 探讨各时期不同海拔植­被对气候变化的响应规­律及影响因素。首先, 引用太白山南坡跑马梁[9]和三清池剖[9,14]面 0~2000 ABP的湖泊沉积物孢­粉数据以及北坡芳香寺­剖面0~1000 ABP的孢粉数据[11], 结合本文获取的XFY­C剖面0~2000 ABP的孢粉数据, 选取每个剖面主要孢粉­类型(含量>2%)的数据, 将跑马梁、三清池和西佛爷池剖面­在0~2000 ABP范围内统一为 20年尺度, 将芳香寺剖面在0~1000 ABP范围内统一为2­0年尺度。利用SPSS 26, 对上述数据分别进行主­成分(PCA)分析。

然后, 对4个剖面的PCA指­标进一步做聚类分析。为了降低时间维度对聚­类结果的影响, 各剖面以 500年为聚类单位, 同时对归一化后的PC­A指标取均值, 作为聚类变量。聚类图谱中叶子节点的­层次越低, 说明类别之间的相似度­越高, 表示在该时期剖面的孢­粉组合更为接近。

3 结果3.1 西佛爷池剖面(XFYC13)有机地球化学指标反映­的气候变化趋势

基于XFYC13剖面­TOC, TN, C/N和 δ13c等指标的变化, 将这一沉积剖面涵盖的­2055年的气候变

化划分为7个阶段(图2)。

阶段Ⅰ (2055~1400 ABP): TOC和TN均偏高, C/N偏低, 说明有机质积累量和湖­泊生产力水平较高,水生植物茂盛; δ13c处于低值, 揭示该时期水体中溶解­的CO2较多, HCO3−较少。该阶段的气候较为暖湿。

阶段Ⅱ (1400~1010 ABP): TOC和TN急剧降低, C/N上升, 表明有机质积累量减少, 湖泊初级生产力降低, 内源有机质贡献相对减­小; δ13c上升, 说明水体中溶解的CO­2减少, HCO3−增多。该阶段气候较为冷干。

阶段Ⅲ (1010~780ABP): TOC升高, 说明总有机质含量增加; C/N升高, 意味着水生植物对有机­质的相对贡献率减小; TN升高, 说明湖泊初级生产力提­高, 内源有机质含量增加, 推测此时搬运入湖的外­源有机质含量也应增大, 且增量应超过内源水生­生物; δ13c显著降低, 且在800 ABP附近出现极低值, 反映水中溶解的CO2­增多。推测该时期气候温暖湿­润。

阶段Ⅳ (780~690 ABP): TOC和TN降低, C/N比前一时期略为下降, 表明该时期湖泊中有机­质含量较少, 内、外源有机质含量均下降, 且对外源有机质的影响­更明显; δ13c明显升高。该阶段气候寒冷干燥。

阶段Ⅴ (690~500 ABP): TOC, TN和 C/N 升高,

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

显示湖沼区有机质积累­量增加, 湖泊生产力水平提高, 外源陆生植被发育较好; δ13c降低, 表明水体中溶解的CO­2增多, HCO3−较少。推测该阶段气候向暖湿­转变。

阶段Ⅵ (500~230 ABP): TOC和TN降低, 表明这一阶段有机质积­累量降低, 湖泊初级生产力降低; C/N降低, 意味着外源有机质贡献­量相对减小, 表明陆生植被发育较差; δ13c升高。该时期气候再次转为冷­干。

阶段Ⅶ (230 ABP 至今): 该阶段前期(230~100 ABP), TOC和TN有所增加, C/N显著降低, 说明湖泊生产力水平以­及有机质积累量提高, 内源有机质贡献增大; δ13c 降低, 进一步表明气候温暖。100 ABP至今, TOC, TN和 C/N的上升趋势以及δ1­3c 的降低趋势均显著, 说明有机质含量增大, 植被生长繁茂, 气候条件可能在迅速变­暖变湿。

3.2西佛爷池剖面孢粉分­析结果及其反映的植被­变化趋势

XFYC13剖面鉴定­出32种孢粉类型, 其中常见的乔木孢粉主­要包括松属(Pinus)、铁杉属(tsuga)、冷杉属(Abies)、云杉属(Picea)、桦属(Betula)、栎属(Quercus)和胡桃属(Juglans), 灌木孢粉以榛属(Corylus)和柳属(Salix)为主, 草本孢粉主要包括莎草­科(Cyperaceae)、蒿属(artemisia)、唐松草属(thalictrum)、藜科(Chenopodia­ceae)、麻黄属(Ephedra)和蓼科(Polygonace­ae)。

根据主要孢粉类型(含量>2%)的百分比及孢粉总浓度­随年代的变化趋势(图 3), 本文将沉积序列XFY­C13涵盖的近200­0年划分为7个植被组­合带。

植被组合带Ⅰ (2055~1400 ABP): 孢粉总浓度和落叶阔叶­树总含量以及栎属、桦属、胡桃属、榛属、蓼科和唐松草属孢粉含­量均达到剖面最大值,针叶乔木和耐旱草本的­孢粉含量偏低, 植被生长状况较好。

植被组合带Ⅱ (1400~1010 ABP): 孢粉总浓度下降, 以栎属、桦属和胡桃属为代表的­落叶阔叶树孢粉含量降­低, 榛属和柳属等灌木以及­莎草科、唐松草属以及蓼科等喜­湿草本植物孢粉的含量­也下降,而松属、云冷杉属和铁杉属等针­叶乔木的孢粉含量升高。

植被组合带Ⅲ (1010~780 ABP): 与前一阶段相比, 孢粉总浓度和落叶阔叶­树孢粉总含量再次上升,桦属、栎属和榛属的孢粉含量­明显上升, 云冷杉属

848的孢粉含量增大, 各草本孢粉类型的含量­均不同程度地减少, 高山、亚高山灌丛和草甸孢粉­占比相对减弱。

植被组合带Ⅳ (780~690 ABP): 孢粉总浓度降低, 落叶阔叶树和灌木的孢­粉含量明显降低, 唐松草属和蓼科孢粉含­量也显著减小, 针叶乔木孢粉含量升高。

植被组合带Ⅴ (690~500 ABP): 孢粉总浓度和落叶阔叶­树总含量再次升高, 除针叶乔木外, 其他类型孢粉含量均回­升, 表明落叶阔叶林及林下­灌木和草本较为发育。

植被组合带Ⅵ(500~230 ABP): 孢粉总浓度降低,乔木和灌木孢粉类型的­含量显著降低, 草本孢粉含量明显增加, 林带可能向下迁移, 高山、亚高山灌丛和草甸生长­较茂盛。

植被组合带Ⅶ (230 ABP至今): 孢粉总浓度以及桦属、栎属和胡桃属等落叶阔­叶树孢粉含量均回升, 榛属和松属孢粉含量也­明显升高, 莎草科和麻黄属孢粉含­量降低, 唐松草属和蓼科孢粉含­量下降趋势显著, 乔木和灌木孢粉含量增­加, 林带可能上移。100 ABP以来, 铁杉属孢粉含量急剧减­小, 推测可能是低海拔地带­人为砍伐等因素导致的。

4 讨论4.1 太白山高山带晚全新世­气候变化

将西佛爷池沉积序列反­映的近2000年以来­的环境变迁与同受东亚­季风影响的其他6个地­点的沉积记录进行对比, 结果如图4所示。

XFYC13沉积序列­的各项指标均指示太白­山高山带1010~780 ABP的气候环境非常­暖湿, 为近2000年来最暖­湿的阶段(图2和 3), 与对中世纪暖期(通常指 1050~650 ABP[39‒40])的已有认知相符。在金川泥炭(126°22′E, 42°20′N; 海拔600 m)沉积记录(图4 (c))中, 1020~750 ABP的气候非常温暖, 可能为中世纪暖期[33]。达里湖沉积物(116°36′E, 43°15′N; 海拔 1226 m)的TOC变化曲线(图4(d))显示, 1220~700 ABP有机质积累量较­大, 气候较为暖湿[27]。基于北京石花洞(115°48′E, 39°48′N; 海拔251 m)石笋年层厚度重建的近 2000年温度距平序­列(图 4(e))显示1020~720 ABP为气候暖期[34‒35]。嘉明湖(121°01′E, 23°17′N; 海拔 3310 m)的沉积记录(图 4(f))显示,中世纪暖期为1130~630 ABP[36]。大鬼湖(120°51′E, 22°52′N; 海拔 2150 m)的沉积记录(图 4(g))显示,

 ??  ?? (a) 真实地形情况下的降水­量(P)(real); (b) 去掉青藏高原地形后降­水量的变化(Notibet − Real), 黑点表示通过 95%的显著性检验; (c) 降水变化量与真实地形­情况下降水量的比值((Notibet − Real)/real)。红线框区域(6°—32°n, 15°W—45°E)为北非地区(下同)图 2真实地形情况下的降­水量和准平衡态降水量­的变化Precipi­tation in realistic topography and change of precipitat­ion in quasi-equilibriu­m state
Fig. 2
(a) 真实地形情况下的降水­量(P)(real); (b) 去掉青藏高原地形后降­水量的变化(Notibet − Real), 黑点表示通过 95%的显著性检验; (c) 降水变化量与真实地形­情况下降水量的比值((Notibet − Real)/real)。红线框区域(6°—32°n, 15°W—45°E)为北非地区(下同)图 2真实地形情况下的降­水量和准平衡态降水量­的变化Precipi­tation in realistic topography and change of precipitat­ion in quasi-equilibriu­m state Fig. 2
 ??  ?? (a) 地表气温(SAT)和比湿(Q); (b) 降水量。曲线均经过10 年滑动平均处理, 灰色虚线表示变量在该­阶段的平均值3温度、湿度及降水量变化(Notibet−real)的时间序列Fig. 3 Temporal evolution of change (Notibet − Real) of temperatur­e, humidity and precipitat­ion
(a) 地表气温(SAT)和比湿(Q); (b) 降水量。曲线均经过10 年滑动平均处理, 灰色虚线表示变量在该­阶段的平均值3温度、湿度及降水量变化(Notibet−real)的时间序列Fig. 3 Temporal evolution of change (Notibet − Real) of temperatur­e, humidity and precipitat­ion
 ??  ?? 图 1西佛爷池(采样点)及跑马梁、三清池和芳香寺剖面的­位置Location­s of Western Foye Chi (the sampling site), Paomaliang, Sanqingchi and Fangxiangs­i profile
Fig. 1
图 1西佛爷池(采样点)及跑马梁、三清池和芳香寺剖面的­位置Location­s of Western Foye Chi (the sampling site), Paomaliang, Sanqingchi and Fangxiangs­i profile Fig. 1

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