田立德-亚洲季风区降水稳定同位素现代过程与古气候意义.pdf
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第一届中国同位素水文学论坛 亚洲季风区降水稳定同位素现代 过程与古气候意义 田立德1，2，蔡忠银1，邵莉莉1 ，王荻1 1. 云南大学国际河流与生态安全研究院，昆明，650500 2. 青藏高原地球科学卓越创新中心，北京，100101 E-mail: ldtian@ynu.edu.cn 2020-11-5 2020年11月3日北京 Dome C冰芯揭示的过去80万年以来的 气温变化序列 D / ‰ -370 -390 WARM -410 9C -430 COLD -450 0 200 400 Age / kyr before present 600 800 EPICA Community Members, Nature, 429, 623-628, 2004. 全球水循环过程中d18O变化 水循环的影响 Intertropical Convergence Zone 热带辐合带 From Ding Yihui 青藏高原冰芯钻取点 天山1号 慕士塔格 敦德 古里雅 马兰 纳木那尼 普若岗日 达索普 念青唐古拉 东绒布 98 99 Tuotuohe -20 92 93 94 95 96 97 98 99 -30 0 -10 Lhasa 10 -20 0 92 10 93 94 95 96 97 98 99 Nyalam -30 0 -10 O (‰) 18 0 18 0 -10 0 -10 20 -30 O (‰) 97 18 96 δ 95 O (‰) 94 18 93 δ -10 -20 δ T(℃ ) 0 -10 -20 T(℃ ) O 0 10 T(℃ ) 18 Delingha 92 高原南部 δ O (‰) 20 10 T -10 92 93 94 95 96 97 98 99 -20 δ 高原北部 T(℃ ) 青藏高原降水同位素北部是“温度信号”， 南部是“季风信号” 青藏高原北部（德令哈与沱沱河） 多年降水中δ18O显示“温度效 应” ，而南部（拉萨与聂拉木）受季风影响降水显著，δ18O变化与气 温无关。 10 德令哈 沱沱河 10 Tuotuohe Del ingha 0 -10 -10 δ 18O(‰) δ 18O(‰) 0 -20 -20 -30 -30 18 18 δ O= 0.638(± 0.03)T -13.31(± 0.33) R=0.76 -40 -20 -10 0 10 20 δ O=0.315(± 0.05)T-12.59(± 0.33) R=0.27 -40 30 T(℃ ) -30 -20 -10 10 拉萨 Lhasa 0 10 20 30 T(℃ ) Nyalam 聂拉木 0 0 -10 18 δ 18(‰) δ O(‰) -10 -20 -20 -30 -30 -5 0 5 10 T(℃ ) 15 20 25 -10 0 10 T(℃ ) 青藏高原4个站点降水中 δ18O 与气温关系 降水稳定同位素三种模态 古里雅冰芯稳定同位素变化 格陵兰 古里雅 南极 达索普冰芯稳定同位素与北半球气温变化趋势 一致，而与冰川积累量关系不明显。 Fig. 6 (right). (A) Decadal averages of 18O for the last 1000 years on Dasuopu reveal the isotopic enrichment beginning in the 19th century and intensifying in the 20th century. (B) Fiveyear running means of 18O from Dasuopu are significantly correlated with NH temperature anomalies since 1860. (C) Five-year running means of 18O and accumulation from Dasuopu are weakly correlated. Z scores for the Dasuopu 18O and accumulation data were calculated using respective means of -18.63‰ and 1104.4 mm and respective σof 1.92‰ and 423.7 mm. Thompson et al. 2000. A high-resolution millennial record of the South Asian Monsoon from Himalayan ice cores. Science, 289, 1916-1919. 青藏高原冰芯研究的挑战 为什么过去几十年青藏高原升温明显，但冰芯同 位素没有相应的升高？ Ice core isotope record did not rise up in recent years Precipitation 18 O Temperature 15 -5 “降水量效应” 的机制 140 120 10 -10 60 40 5 -15 18 80 O (‰) Lhasa T (°C) Precipitation (mm) 100 0 -20 20 -5 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 拉萨降水同位素 δ18O, 降水量与气温的季节变化 10 Lhasa 18 O (%o) 0 水汽来源变化? -10 -20 -30 -40 J F M A M J J A S O N D 拉萨降水事件尺度δ18O 季节变化 Higher air pressure Higher temperature Lower air pressure Lower temperature 季风弱 季风强 International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) （1983-2009） Relation between monthly δ18O in Hong Kong precipitation and local precipitation amount (a); local land surface air temperatures (LSAT) (b); CTP in the 2.5o × 2.5o Hong Kong grid box (c); and CTT in the 2.5o × 2.5o Hong Kong grid box (d). Black lines indicate linear regression lines. 季风及ITCZ的季节进退导致 了降水同位素的季节变化； 这并不支持水汽来源的解释， 非季风期降水可能也是海洋 性水汽来源。 东亚季风区3个站点降水δ18O季节变化(a), 研究区域长期平均的云顶温度（ CTT）、云顶气压（CTP）与降水量（Prec）的季节变化（b） ；100oE150oE区域平均OLR的季节变化，显示 了ITCZ在两半球的波动（c） 季风区降水同位素在年际尺度上的波动与 ENSO相关，受大尺度大气环流过程的影响 香港降水δ18O R1区域云顶气压 ENSO指数SOI (Cai and Tian, J Clima. 2016) ENSO drivers the interannual monsoon precipitation isotopes and ice core record El Niño La Niña Sea surface temperature analogy during El Niño/La Niña 双湖“羌塘1号冰川”冰芯记录 5900 Altitude (m) 5800 5700 5600 5500 0 400 800 1200 1600 Distance (m) 冰川纵剖面雷达测厚 冰孔温度 -20 0.3 30 0.2 20 0.1 10 0 137 belta activity (100 dbh/kg) -25 40 Cs (bq/kg) 0.4 0 0 10 20 30 40 50 Depth (m) 冰芯中的Beta 活动度与137Ce放射性年层 冰芯中3H浓度随深度变化 高原中部羌塘冰芯 δ18O 记录与当进气温与北 半球气温变化对比 Depth (m) 4 6 8 10 -3 SOI -2 -5 -5 -10 -10 -15 -15 -20 -20 2 (‰) 0 -1 0 1 ▲ 2 1963 3 2010 2000 1990 1980 1970 1960 Year 羌塘冰芯δ18O记录与南方涛动批数（SOI）对比 (Shao et al., Antmosphere Research, 2017) 表藏高原南部枪勇冰芯同位素变 化与月均南方涛动指数 SOI (dotted line) 变化一致 (Tian Ran and Tian Lide, 2018) ASMOI –Asia Summer Monsoon Oxygen Isotope Index 亚洲夏季风降水δ18O指数ASMOI时间序列 ASMOI高值年份海表 温度距平合成 ASMOI低值年份海表 温度距平合成 (Cai et al., EPSL, 2017) 降水量 云顶气压 云顶温度 Composite anomalies of JJAS (a) precipitation, (c) CTP and (e) CTT for high ASMOI years, and for JJAS (b) precipitation, (d) CTP and (f) CTT for low ASMOI years. The rectangle denotes the area taken to be the Maritime Continent. Values exceeding the 90% confidence level are hatched. 亚洲夏季风同位素指数据年际变化，与赤道海洋陆地区域夏季降 水（负相关系数）、OLR，以及NINO34 区域温度。 东亚季风区与南亚季风区降水同位素变化控制机制一致。 (Cai et al., EPSL, 2017) 90°15'E 90°30'E 90°45'E 91°E 91°15'E 29°N 91°30'E 91°45'E Ü BaiDi LangKazi # WengGuoYamdruk-tso basin 28°45'N 28°30'N Legend Boundaries of Yamdruk-tso basin 28°15'N Lakes Boundaries of the Tibetan Plateau # meteorological station 0 10 Glaciers hydrologic station 20 40 KM 青藏高原南部降水δ18O与大尺度总云量（a）、高层云量（b）、中层云量 （c）、低层云量的相关性分布 (Wang Di et al., EPSL. 2019) 发现ENSO-δ18O关系年际变化的波动与非季风季有关 年际尺度上ENSO-δ18O变化与非季风期ENSO对对流影响 变弱有关 【Cai et al. 2019, JGR‐Atmosphere】 新的认识 • 亚洲季风区同位素的变化，特别是年际年代际变化， 主要不是受当地条件影响决定的，而是受由赤道地 区的温度场—大气环流—赤道地区的降水决定的； • 如果说亚洲季风区同位素是一个温度信号，它更应 该是赤道中东太平洋的温度信号; • 影响降水同位素的变化过程更主要是其水汽来源地 上游的降水强度（对流降水）的变化，可能本地降 水的影响小; • 影响更长时间尺度降水同位素的变化信号还有待于 进一步的深入研究; 1. 亚洲季风区天气尺度的现代过程研究 发出高原南部与孟加拉湾 地区季风后期降水δ18O仍然 很低。 研究发现该季节变化与东 风的水汽输送有关。 (Cai and Tian, GRL, 2020) b Thank You！