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中晚全新世东亚季风演化历史及其气候事件研究

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摘要

第一章 前言

1．1 中晚全新世气候记录研究现状

1．2 研究方法、技术路线和研究内容

1．3 选题意义

1．4 创新性成果

第二章 研究区域及研究材料

2．1 区域环境

2．2 洞穴概况

2．3 石笋材料和方法

第三章 神农架地区中晚全新世百年尺度气候变化

3．1 时标的建立

3．2 石笋氧同位素气候意义

3．3 石笋氧同位素气候变化序列

3．4 百年尺度季风气候的驱动机制探讨

3．5 石笋碳同位素控制因素

3．6 石笋氧同位素演化序列

3．7 碳同位素的生态效应与机理探讨

第四章 神农架地区中世纪暖期／小冰期年际尺度气候变化

4．1 演化特征

4．2 气候事件的频率与幅度

4．3 气候事件的驱动机制

第五章 气候变化与古代文明

5．1 气候变化与史前文化的兴衰

5．2 良渚文化、三星堆文化的衰落

5．3 大禹治水与夏朝的建立

结论与创新

不足与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢

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摘要

当前极端异常气候事件频繁发生，并由此带来了环境恶化、物种灭绝、水资源短缺等一系列全球问题，不仅给社会经济发展带来巨大损失，而且给人类生存带来严重威胁。研究这类事件发生的频率，探索气候突变的原因是目前迫切需要解决的问题。中晚全新世百年尺度季风事件的内部结构及其驱动机制存在争议，年际尺度异常干旱和降水事件的发生频率、幅度尚不清楚。
　　本文基于湖北神农架龙腑富洞一支石笋的14个高精度230Th年龄和1410组氧碳同位素重建了6.60～0.45kaBP时段高分辨率东亚季风演化历史。石笋δ18O约在5.3kaBP、4.2kaBP、2.8kaBP、1.9kaBP、0.9kaBP及小冰期显著偏正，幅度达0.7‰～1.1‰，指示若干百年尺度的弱季风事件;其中，永兴洞石笋记录的“2.8ka”事件与和尚洞石笋记录的“8.2ka”事件内部结构和转型特征十分相似:弱季风事件以夏季风缓慢减弱开始，迅速增强结束，事件内部有两个次一级的振荡旋回（两峰三谷结构）;另外，龙腑宫和董哥洞记录“4.2ka”事件内部结构与这两个弱季风事件也基本相似。这些季风突变与北大西洋Bond事件几乎同步发生、内部结构非常相似，且基本都发生在太阳活动极小期，说明全新世百年尺度的弱季风事件可能受太阳活动和北高纬气候共同驱动。石笋δ13C在重建古环境、古气候研究方面显示出巨大潜力，需要我们进一步加大对碳同位素的沉积过程和机理研究，然而，石笋δ13C记录在沉积过程中受到多种局地因素的控制且在大区域范围内缺乏重现性，导致其在古气候重建方面困难重重。据此，我们选取龙腑宫洞、董哥洞内3根高分辨率（2～4年）石笋调查方解石δ13C记录的时空变化模式及其与亚洲季风变化的关系。观察发现，中晚全新世石笋δ13C与δ18O信号虽在低频变化上不一致，即碳同位素不存在显著轨道-千年尺度的长期趋势，而是围绕一个稳定的平均值上下振荡，但δ13C十年-百年的高频变化与δ18O记录却非常一致，并贯穿整个记录，相关系数R2都达到0.65以上，说明δ13C在百年-十年尺度上和δ18O一样也能很好的反映当地的气候、环境变化。中晚全新世石笋δ13C和太阳活动代用指标的交叉谱分析结果表明两者具有显著的～200年共同周期，暗示δ13C百年尺度的变化受控于太阳活动。这些观察表明区域性的水文循环通过影响土壤湿度平衡控制着百年-十年尺度的δ13C变化;也就是说石笋δ13C通过气候变化控制土壤过程能很好的示踪百年-十年尺度气候变化。为了研究更短时间尺度的异常气候事件，刮样获得980AD～1504AD时段2370组氧碳素数据，分辨率可达季节，记录显示中世纪时期大部分属于暖干气候，仅在980～1055AD、1340～1480AD时期相对湿润。值得注意的是，石笋δ18O、δ13C在～1390AD快速正偏，可能指示小冰期的开始。通过进一步分析，在980～1504AD时段我们鉴定出大约12次持续1～4年的极端干旱事件和13次极端降水事件，石笋δ18O偏离30年气候平均状态达0.5‰～0.7‰（相当于4.2ka气候突变事件的1/2～2/3），这些异常气候事件给人类的生产、生活带来了巨大威胁。将这些年际尺度的气候振荡与太平洋十年际振荡(PDO)、厄尔尼诺(ENSO)变幅年代际振荡对比发现他们在变化趋势上基本相似，并拥有60-70年的共同周期，说明PDO/ENSO有可能通过亚洲夏季风强度影响中国季风区降水变化。

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