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东亚夏季风边缘区全新世干湿变化及其与热带海气相互作用的联系

作者Yu Li（兰州大学）、Zhansen Zhang、Mingjun Gao、Junjie Duan、Yaxin Xue、Hao Shang、Shiyu Liu来自兰州大学西部环境教育部重点实验室的研究团队于2025年在《Science Bulletin》第70卷发表了这项关于东亚夏季风边缘区（East Asian Monsoon Marginal Zone, EAMMZ）全新世干湿演变机制的重要研究。

学术背景

东亚夏季风边缘区位于东亚季风区与中亚干旱区的过渡带，其干湿变化具有高度复杂性。该区域降水波动常引发严重旱涝灾害（如文献[2]所述），但对其驱动机制的认识仍存在两大争议：1）传统认为季风边界位置和强度是主导因素（文献[3]），但与全新世气候最适宜期（Middle Holocene, MH）的低纬度太阳辐射驱动理论不同步（文献[3-6]）；2）古气候重建结果存在显著分歧，不同剖面甚至同一剖面的不同环境代用指标常给出矛盾结论（文献[10]）。本研究旨在通过多学科交叉方法，揭示热带海气相互作用对该区域干湿变化的调控机制。

研究流程与方法

研究包含四个关键环节：

1. 现代过程与代用指标校准
- 研究区域：选取祁连山作为典型EAMMZ过渡带（图1a），采集442个表层沉积物样品（空间覆盖97°–102°E）
- 气候数据分析：基于CMFD数据集计算1979–2018年区域年均降水（MAP）与温度（MAT）
- 指标验证：通过线性回归分析发现：
- 总有机碳（TOC）与MAP呈显著正相关（r=0.71, p<0.01），与MAT负相关 - 磁化率在97°–98°E存在分界：以东与降水显著相关（r=0.65），以西主要反映风成过程（图1c-d） - 机制阐明：年降水>200mm时，成土作用增强导致磁化率升高；<200mm时，氧化环境使磁性矿物转化为赤铁矿（文献[11-12]）

2. 古气候重建
- 剖面分析：整合祁连山10个全新世沉积剖面（HS01–HS10），建立高精度年代框架（图S1–S2）
- HS09剖面（东部）：8–4ka磁化率骤升，指示湿润MH
- HS01剖面（西部）：磁化率无显著变化，反映持续干旱（图1b）
- 大数据合成：汇集EAMMZ区域142条全新世水文记录（图S9），确认MH为区域湿润峰值期，与亚洲季风衰退期不同步（图S10）

3. 气候模型验证
- 采用PMIP4计划的16个MH–PI对比模型（表S3）
- 通过Cohen’s J统计量筛选最优模型（图2a）：
- 高一致性模型：INM-CM4-8、IPSL-CM6A-LR、MRI-ESM2-0（J>0.38）
- 低一致性模型未能捕捉显著降水变化
- 多模型集成显示：MH期赤道东太平洋海温（SST）较PI期降低0.8–1.2°C（图2b）

4. 机制解析
- 古ENSO重建：珊瑚记录（图S10d-e）与TraCE-21ka模拟（图S10f-g）均显示MH期ENSO活动最弱
- 动力过程：岁差变化导致北半球季节性增强→ITCZ北移→西太平洋热含量增加→沃克环流（Walker Circulation）增强→副热带高压北偏→EAMMZ降水增加（文献[14-16]）

主要结果

1. 代用指标阈值效应：首次定量确定200mm年降水为磁化率气候意义的临界阈值，解决以往重建结果矛盾（图S5–S8）
   
2. 干湿演变模式：EAMMZ在MH出现”东湿西干”空间分异，湿润期滞后于季风强度峰值约1ka（图S10）
   
3. 驱动机制：热带太平洋La Niña-like态通过调控副高位置（而非季风强度）主导干湿变化，模型显示该机制可解释降水变率的68%（图2b）

结论与价值

本研究通过”现代过程-古记录-模型模拟”三位一体方法，提出EAMMZ干湿变化的新范式：
- 科学价值：突破传统季风强度决定论，阐明热带海气相互作用对边缘区的远程调控
- 应用价值：为预测未来气候变化下中国北方旱涝风险提供机制参考，特别指出ENSO变率对降水阈值的潜在影响

研究亮点

1. 方法创新：首创”代用指标阈值校准法”，解决过渡带气候重建的不确定性问题
   
2. 数据突破：整合EAMMZ最大规模的全新世水文代用数据集（142条记录）
   
3. 理论贡献：首次将赤道太平洋SST梯度与季风边缘区降水建立动力学联系
   

其他价值

• 补充材料包含10个剖面的年代学数据（表S1）和PMIP4模型参数（表S3）
  
• 提出的”降水阈值-成土作用”框架可推广至全球季风边缘区研究（如文献[3]比较的北美、北非案例）