ENSO环流条件改变对岩溶洞穴氧同位素现代过程的影响研究——以河南鸡冠洞为例

摘要

自上世纪下半叶以来，全球气温快速升高，极端气候事件频发。气候变化将朝着什么方向发展已然成为科学界和公众关心的一个重要话题，全球变化是影响着人类社会的稳定繁荣和持续发展的重要因素。将古论今，首先明确历史时期的气候变化规律和背后的驱动因素是为今后气候变化做出准确判断的基础。岩溶洞穴记录—石笋因其精确定年、广泛分布、气候代用指标丰富、外界干扰微弱等优势在近20年得到了快速发展；氧同位素作为其主要的气候代用指标，科学界对其机理认识尚不能达成统一，近代中国季风区石笋氧同位素记录了相同的变化趋势，使得此前对δ18O解读为温度，降雨量亦或是季风强度的变化饱受质疑。近来，“环流效应”假说的提出，可能解释石笋氧同位素记录在区域尺度上的这种一致性，但仍需通过现代过程监测对其进行验证，现代洞穴连续监测是把现代气候记录与古气候衔接起来的重要手段，尤其这种氧同位素“环流效应”特征是否具有重现性，需进一步深入研究。本文对河南省西部栾川鸡冠洞进行了为期7年（完整涵盖了一次2009年El Ni?o→La Ni?a→2015年El Ni?o过程）的持续监测，期间对栾川当地大气降水进行逐次收集，同时对洞内不同类型水（滴水、池水、地下河）和现代沉积物进行时间间隔为2-1个月的收集及氧同位素分析。研究区位于受亚洲季风影响特别敏感的我国地理南北分界附近的典型中部核心地区，通过研究探讨 ENSO环流条件的改变对大气降水氧同位素的影响以及洞穴对其响应过程，结论如下：
　　（1）监测期间栾川地区大气降水δ18O的波动范围为：-16.08‰~8.08‰，δD为：-118.29‰~45.31‰；二者存在显著的季节变化特征：δ18O和δD雨季偏轻，旱季偏重。对比大气降水δ18O与降水量和气温的关系，发现它们不具有明显的相关性。结合逐年和多年的局地大气降水线判断，雨量和气温不是决定大气降水δ18O值变化的主要因素。
　　分析发现栾川地区大气降水δ18O的降水量年加权值存在明显的年际变化：El Ni?o年大气降水δ18O值偏正，La Ni?a年δ18O值偏负。利用HYSPLIT模型对监测期间几个关键年份的雨季水汽轨迹进行倒推，模拟显示El Ni?o年，在主要的水汽输送高度（850hPa），来自太平洋的水汽路径较印度洋明显偏多；反之在La Ni?a年，印度洋成为主要的海洋水汽来源。进而利用nino3.4 SST anomaly滑动平均值计算海洋尼诺指数（ONI），发现其与栾川降水δ18O的年际变化发现二者具有很好的相关性（r=0.72），多元线性模型显示 ONI，气温和降水量合计可以解释栾川大气降水δ18O年变化的73%，其中ONI作用最明显。
　　（2）季节尺度上鸡冠洞洞内滴水受洞顶基岩裂隙含水层调蓄的影响，δ18O值波动减弱，季节性变化不明显；鸡冠洞滴水年际间波动呈现监测初期滴水δ18O偏重，随后稳定在较低值长达4年，直至2015年再次偏重。此外，鸡冠洞滴水较之大气降水δ18O的均值明显偏负，表明大气降水在下渗过程中蒸发作用不明显，大气降水入渗存在“阈效应”，滴水主要来自于雨季较轻的海源降水补给，与降水氧同位素值受ENSO环流影响一致。鸡冠洞地下河δ18O表现出与滴水类似的变化过程，但池水呈现了不同的变化特征，受干旱蒸发、通风效应的影响，旱季显著偏正，雨季偏负。
　　（3）鸡冠洞现代沉积物δ18O值在2010和2011年季节波动明显：夏秋季δ18O偏负，冬春季偏正；年际变化与滴水、大气降水特征一致。现代沉积物在年际变化上对滴水具有良好的继承性：ENSO环流形式地改变引起年际间大气降水δ18O的变化亦能通过滴水体现在沉积物δ18O中。
　　（4）强降雨时间尺度上鸡冠洞区域不同来源的水汽形成的降水同样可以体现在降水氧氘同位素信号传输上。发现鸡冠洞局地蒸发水汽形成的降水δ18O较海源源水汽形成的降雨偏正，受蒸发作用影响，温度效应减弱，LMWL的截距、斜率和过量氘均减小。强降雨的影响在鸡冠洞洞穴滴水以及地下河中得到响应，洞穴滴水对降雨响应最迅速，滴水δ18O值随滴率增加而变重，之后缓慢变轻；地下河具有类似的波动模式，时间上稍有滞后；但洞穴池水响应不同，靠近洞口的池水可以反映出不同阶段的降水δ18O变化的差异；在洞内深处的池水δ18O对外界降水响应不明显。滴水与地下河的δ18O较降水年均值显著偏轻，反应其主要是由夏季风海源水汽的降水入渗形成。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2洞穴监测研究现状

1.3科学问题的提出

1.4技术路线

第2章 研究区概况和研究方法

2.1 研究区概况

2.2技术与方法

第3章 栾川大气降水δ18O

3.1 监测期间ENSO态变化

3.2 大气降水δ18O特征及影响因素

3.3本章小结

第4章 鸡冠洞洞穴水和现代沉积物δ18O

4.1 洞穴水δ18O变化特征

4.2 现代沉积物δ18O变化特征

4.3 本章小结

第5章 强降雨条件下的洞穴响应

5.1 大气降水氧氘同位素变化

5.2 水汽来源分析

5.3 洞穴水氧同位素响应

5.4本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 问题与展望

参考文献

致谢

作者简历