太阳活动和ENSO控制南岭东部有效降水变化

谢 宇，刘粤峰，程彩玉，周梦涛，彭小桃，程 珂，周厚云

华南师范大学 地理科学学院，广州 510631

以往的研究显示ENSO活动是影响我国气候特别是一些极端气候事件的重要大气过程，对我国社会和经济发展造成了严重影响（Zong and Chen，2000；Wang et al，2001a；Jiang et al，2006）。如Jiang et al（2006）发现长江中下游地区洪涝灾害的发生与ENSO活动密切相关，El Niño发生的年份更容易导致洪水灾害。一般认为ENSO会改变西北太平洋副热带高压及季风雨带的位置，进而对我国不同地区降水变化产生影响（Huang et al，2004；Ding et al，2008，2009；Xie et al，2016）。东南地区是我国最重要的经济区之一。气候环境变化可能对这一地区经济活动产生的影响不仅是重要的科学问题，也是重要的现实问题。对这一地区过去气候环境变化的特征、规律和影响因素进行分析将有助于这一问题的解决。对器测资料的分析显示我国东南地区的降水变化受ENSO活动强烈影响（Yin et al，2010；Zhang et al，2015；Zhai et al，2016），如Zhai et al（2016）发现2015/16年强El Niño在东南地区产生了大量降水。但器测时期之前这一地区的降水是否受到ENSO活动的影响还未见报道。

石笋可以提供高分辨率的过去气候环境变化信息。在我国季风区，已有研究显示石笋可以记录ENSO活动（Tan，2014；Liu et al，2018）。本文根据一支采自南岭东部老虎洞的石笋LFD-1，探讨了其稳定氧同位素组成（δ18O）记录的气候环境变化及与ENSO活动的联系。结果发现，在过去150 a中，石笋LFD-1的δ18O记录受当地有效降水变化控制，并与ENSO和太阳活动密切相关。El Niño事件发生时，当地有效降水增加，石笋δ18O偏轻。La Niña事件发生时则出现相反的情况。石笋将是研究这一地区ENSO活动的有力工具。

1 区域地理背景

石笋LFD-1采自南岭东部湖南宜章县白沙乡老虎洞（25°11′ N，112°49′ E）（图1），该洞穴发育于二叠纪石灰岩中，洞口海拔~220 m。该溶洞未开发，洞口高约2 m，宽约10 m，石笋LFD-1采自距离洞口约200 m处。自洞口至采样点洞穴通道宽阔，但从采样点往洞穴更深处的洞穴发育情况尚不清楚。当地植被发育良好，以灌木和乔木为主。附近郴州市多年（AD 1981 — 2010）平均气温18.4℃，年降水量1504 mm（数据来源：https://data.cma.cn/）。降水主要集中在春季（3 — 5月，占36%）和夏季（6 — 8月，占32%）。属于典型的亚热带湿润季风气候。

图1 老虎洞地理位置Fig. 1 The location of the Tiger Cave

2 研究方法

石笋LFD-1呈圆柱形，全长156 mm（图2）。沿石笋生长中心切开后发现，除了深度50 — 90 mm处颜色偏暗之外，其余部位颜色较浅且较为均一。在切面上可以观察到很多孔隙（图2），放大后能在切面上大致看出生长层理。石笋LFD-1在采集时还在滴水。石笋孔隙中往往存在较多杂质（包括继承230Th）（贾蓉芬等，2007），影响230Th定年结果。因此采用了210Pb法对石笋LFD-1进行定年。210Pb测年在台湾成功大学地球科学系进行，测年方法与Liu et al（2018）相同。用micromill沿石笋生长中心获取氧-碳稳定同位素（δ18O-δ13C）样品，采样分辨率为0.25 mm，每0.5 mm测试一个样品，共分析样品305个。δ18Oδ13C测量在中国科学院南京地质古生物所进行。标准为国家标准GBW04405和国际标准NBS-19，测量结果以相对于VPDB标准表示，δ18O测量误差（2σ）优于0.1‰。

图2 石笋LFD-1及其过剩210Pb（a）与δ18O（b）随深度的变化Fig. 2 Stalagmite LFD-1 and its measured excess 210Pb (a) and δ18O (b) profiles

有效降水采用以下方法获得：首先根据郴州市月降水量（PM）、月潜在蒸发量（PETM）和径流系数0.57（α）（湖南省水利厅，2017）估算出月实际蒸发量（AETM），用月降水量减去月实际蒸发量得到月有效降水（EPM）：

式中：PY和PETY为根据月降水量和月潜在蒸发量计算得到的年降水量和年潜在蒸发量。降水量和蒸发量单位均为mm。

3 结果

3.1 测年结果

图2a展示了石笋LFD-1中过剩210Pb随深度的变化。可以看到，在深度40 mm处过剩210Pb活度基本上达到了本底值（3.8 Bq ∙ kg−1）。下面颜色偏深部分（对应深度50 mm、60 mm、70 mm、80 mm处）过剩210Pb活度有少量上升（210Pb活度平均值6.5 Bq ∙ kg−1），可能与石笋中这一段的有机质含量较高有关（Wan et al，2005），不适于用于210Pb年龄计算。因此只使用深度40 mm以上的样品进行年龄计算。对深度（z）和过剩210Pb活度（C）进行指数函数拟合（图2b），得到：

lnC与z的回归线斜率b（−0.115）的标准差为0.008。由斜率b与生长速率S的关系（b= −λ/S，λ为210Pb衰变系数0.0311）得到LFD-1上部40 mm平 均 生 长 速 率 为(0.27 ± 0.02) mm ∙ a−1，即LFD-1上部40 mm生长时间为最近150 a。δ18O数据的时间分辨率为1.86 a。

3.2 氧稳定同位素结果

LFD-1的δ18O记录如图2b所示，其平均值为−6.61‰，最大值−4.97‰出现在深度52.0 mm，最小值−8.59‰出现在深度147.2 mm。其中上部40 mm中δ18O平均值为−6.34‰，最大值−5.03‰出现在深度13.4 mm，最小值−8.30‰出现在深度0.88 mm。

4 讨论

4.1 石笋δ18O的气候意义

对于我国季风区内石笋δ18O的解释目前存在很大争议（周厚云等，2016），Wang et al（2001b）在葫芦洞的研究认为，石笋δ18O与东亚夏季风（EASM，East Asian summer monsoon）强度有关，δ18O较轻（较重）指示降水较多（较少）、较为温暖（寒冷）、EASM较强（较弱）。随后的一些研究中，如董哥洞、三宝洞和祥龙洞的研究也认为δ18O与季风降水有关（Yuan et al，2004；Cheng et al，2009；Tan et al，2015a）。在对我国季风区石笋δ18O的各种传统解释中，一个基本的假设是石笋δ18O变化记录了大气降水δ18O的变化（周厚云等，2016）。现在这一基本假设受到质疑，特别是发生在渗透带的蒸发作用和选择性补给及洞穴通风作用引起的洞穴内蒸发作用（周厚云等，2016；Baker et al，2019），都将对石笋δ18O信号产生影响。

Fairchild and Baker（2012）认为器测数据显示石笋δ18O主要反映当地降水量，也有研究显示石笋δ18O主要反映当地有效降水（Baldini et al，2005；Tan et al，2015b；Wang et al，2015）。为探讨LFD-1的δ18O的气候意义，将其与相距最近的郴州气象站的降水量、蒸发量及温度等指标进行了对比分析（图3）。结果显示：LFD-1的δ18O与温度的相关性最好（R= −0.72）；而与降水量和蒸发量的相关性弱很多（表1）。考虑到洞穴盖层对石笋δ18O记录造成延迟现象（Lachniet，2009），本文将LFD-1的δ18O记录向老的方向逐步移动并计算δ18O与温度、降水量和有效降水量之间的相关性，结果发现移动2 a时总体的相关性达到最好，δ18O与温度、降水量和有效降水量的相关性都达到显著性水平（表1）。这里2 a可能反映了老虎洞洞穴盖层对LFD-1的δ18O记录延迟效应（Lachniet，2009）。无论在哪种情况下，δ18O与有效降水的相关性都高于与降水量的相关性（表1），这与大气降水中被蒸发掉的部分并没有参与岩溶过程是一致的。移动后的δ18O与有效降水和温度的二元回归相关系数达到0.82（表1），暗示温度和有效降水可能都是影响δ18O的重要因素。其中，20世纪50年代以来δ18O变轻幅度＞3‰，同期温度上升幅度＜2℃（图3e），如果仅考虑石笋碳酸盐沉积时的同位素分馏因子（O’Neil，1977），则无法解释δ18O的大部分变化。这说明虽然温度可能是影响石笋δ18O的重要因素，但有效降水可能是影响δ18O变化的关键因素之一。这与最近Baker et al（2019）的研究结果一致，也与同期有效降水明显增加的总体趋势一致（图3b）。δ18O偏轻反映有效降水增加，反之亦然。

表1 石笋LFD-1的δ18O与其他指标的相关系数Tab. 1 Correlation coefficients between the LFD-1 δ18O record and other parameters

4.2 南岭东部有效降水变化

根 据LFD-1的δ18O记 录，过 去150 a南 岭东部有效降水变化呈现出明显的年代际波动（图4b）。其中，AD 2000前后、AD 1980前后和20世纪60年代的有效降水峰值均与器测记录一致（图4b，图3b），AD 1910前后及19世纪80年代也表现为有效降水峰值。伴随这种显著的年代际波动，南岭东部过去150 a有效降水变化的长期趋势可以划分为3个阶段：有效降水在19世纪90年代前表现为总体增加趋势，但之后至20世纪50年代中期则表现为总体减少趋势，最后一个阶段有效降水又表现出总体增加趋势（图4b）。最后一个阶段的总体趋势也与器测记录一致（图3b）。

4.3 南岭东部有效降水变化的驱动因素

南岭东部过去150 a有效降水变化与ENSO和太阳活动存在良好的对应关系（图4a，4b，4c）。在年代际尺度上，有效降水增加对应于偏El Niño态，而偏La Niña态时则有效降水偏少。这种对应关系也与器测记录一致（图3a，3b），反映了南岭东部有效降水在多年际至年代际尺度的变化主要与ENSO活动有关。在长期趋势上，南岭东部有效降水在前2个阶段的长期趋势与太阳活动的总体趋势十分一致：太阳活动减弱时有效降水增加，反之亦然（图4b，4c）。只是在最近~50 a来有效降水显著增加的趋势与太阳活动没有很好的对应（图4b，4c）。

图3 AD 1947 — 2006器测数据与LFD-1的δ18O的对比（a图为Niño 3表层海水温度（SST）距平（Rayner et al，2003），b — e图中的黑实线分别为2 a滑动平均的郴州月有效降水量、月降水量、月蒸发量及月均温度，灰色粗实线为向左移动2 a的LFD-1的δ18O记录）Fig. 3 Comparisons of the LFD-1 δ18O record (thick solid gray line in b to e) with the Niño 3 SST anomalies from NOAA(Rayner et al, 2003) (a), monthly effective precipitation (b), precipitation (c), evaporation (d) and average temperature (e)at Chenzhou (the data at Chenzhou are 24-month moving averages, the LFD-1 δ18O record was left-shifted by 2 a)

ENSO活动可能会通过以下机制影响我国东南地区的降水变化：（1）赤道太平洋的海表温度（SST）偏El Niño态时，由于海陆热力差降低导致EASM减弱，使得季风雨带更长时间停留在偏南位置，导致南方地区降水偏多（Ding et al，2008，2009；钱维宏等，2011），而赤道太平洋SST偏La Niña态则相反。（2）对应于El Niño事件的北印度洋升温会增强赤道西北太平洋的反气旋（Xie et al，2009，2016），加强该反气旋西侧的南风，从南海携带更多水汽往北，并在该反气旋北侧受阻，导致长江中下游以南地区降水增加（Xie et al，2016）。这两种解释都暗示El Niño发生时我国南方地区降水会相对增加。这与Jiang et al（2006）利用历史资料研究长江中下游地区过去~530 a旱涝灾害的结果一致，其发现El Niño发生时长江中下游发生洪水灾害频率更高，而La Niña时则更易发生干旱。

Asmerom et al（2007）和Park（2017）认为，太阳活动减弱（增强）会使得El Niño增强（减弱）（Mann et al，2005），导致亚洲季风（AM，Asian monsoon）减弱（增强）。此外，太阳活动减弱（加强）时也会导致海陆热力差减少（增加）和AM减弱（增强）（Zeng et al，2012）。因此，这两种机制都指示太阳活动减弱时AM减弱，我国南方地区的降水将增加（Ding et al，2009；Xie et al，2016）。这与南岭东部石笋记录所显示的一致（图4b，4c）。最近~50 a南岭东部有效降水的总体趋势似乎偏离了太阳活动的长期趋势。这一时期南岭东部有效降水呈现增加的总体趋势，但太阳活动并没有显示对应的趋势变化（图4b，4c）。石笋和观测记录显示的南岭东部地区最近~50 a以来的有效降水增加（图3b，图4b）不知是否与当地人类活动有关。现代观测显示，当地最近~50 a以来的气温明显上升（图3e），与同期全球气温急剧上升的背景一致（Mann et al，2000）；但同期当地蒸发表现出减少的总趋势（图3d）。这些都是值得进一步研究的地方。

图4 LFD-1的δ18O（b）与Niño 3表层海水温度（SST）距平（Cook et al，2008）（a）、太阳总辐照度（TSI）（Steinhilber et al，2009）（c）Fig. 4 Comparisons of the LFD-1 δ18O record (b) with the 10 a moving averaged Niño 3 SST anomalies(Cook et al, 2008) (a) and total solar irradiance (TSI) (Steinhilber et al, 2009) (c)

5 结论

基于对南岭东部老虎洞石笋LFD-1的210Pb年代学和δ18O的气候意义研究，得到以下主要结论：

（1）LFD-1的δ18O记录了当地近150 a有效降水变化：δ18O偏重指示有效降水较少，偏轻则反映有效降水较多。

（2）南岭东部有效降水变化与ENSO和太阳活动存在密切关系。在年际至年代际尺度上，有效降水增加和石笋δ18O变轻对应El Niño态，有效降水减少和石笋δ18O变重对应La Niña态。有效降水变化的长期趋势则主要与太阳活动有关，太阳活动减弱时南岭东部有效降水增加，反之则减少。

（3）ENSO和太阳活动变化引起的雨带位置和西北太平洋副热带高压变化主导了南岭东部有效降水的变化。太阳活动减弱和El Niño态时雨带较长时间停留在偏南位置，副高西侧气流加强导致更多水汽从南海输入，都将使得我国南方地区降水增加。而太阳活动增强和La Niña态时则出现相反情况。