过去224000年千年和轨道尺度东亚季风变化
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收稿日期 : 2009 1 21 本文作者 : 汪永进 , 南京师范大学地理科学学院 , yj w ang @ n jnu . edu . cn 。 研究资助 : 国家杰出青年科学基金 ( 40225007) ; 国家自 然科学基金重 点项目 ( 40631003) ; 973计划 ( 2004CB720204 ); 教育部全国 优秀博士 论文作者资助项目 ( 200227) 。 该项研究入选 2008年度中国基础研究十大新闻。
短 ( 通常只有数万年 ) , 给出的气候记录常为 # 碎片 ∃ 式气候信号 , 特别是缺乏最近两个冰期 / 间冰期旋回 完整的季风记录 , 限制了对季风 成因机制的全面理 解。因此需要研究同一区域不同洞穴石笋
18
O 与南极 V ostok 冰芯
18
O atm同向变化 , 相对变
18
幅基本一致。数理分析进一步表明全球大气 与石笋
18 13]
辨率记录对了解亚洲季风气候驱动机制有巨 大潜力。但由于缺乏最近两个冰期 /间 冰期 旋回完整的高精度定年记录, 特别是缺失了 关于轨道尺度和千年尺度事件变化规律的关 键部分, 很难完整地理解季风成因机制。本 文基于湖北神农架洞穴内石笋的精确同位素 测试结果, 建立了高精度 U /Th 年龄控制的 22 . 4 万年来高分辨率洞穴石笋同位素气候序 列。结果表明亚洲夏季风强度变化具有强烈 的岁差旋回特征 ( 2. 3 万年周期 ), 在误差范围 内与北半球 65!N 处 7 月 21 日太阳辐射曲线 在强度和时间上基本一致, 支持了季风变化 直接响应于太阳辐射的假说。 同时发现, 叠 加在最后两个冰期旋回中的千年尺度气候振 荡频率具有相似性, 与全球冰盖消长密切相 关, 证实了相关数值模拟结果。 亚洲季风千 年尺度事件定年准确, 可以作为全球对比的 标准。
O 记录拼接,
建立了迄今为止最高分辨率的高精度 U /T h 年龄控 制的 22 . 4 万年 完整 的 洞穴 石笋 同 位素 气 候地 层 序列。 该记录揭示了东亚夏季风强度变化具有强烈的 岁差旋回特征 ( 2. 3 万年周期 ), 而 4 . 1 万年和 10 万 年周期信号不明显。岁差旋回的夏季风变化与北半 球 65!N 处 7 月 21 日太阳辐射曲线在强度和时间上 基本一致 ( r= 0 . 69)。交叉功率谱分析表明 : 季风变 化滞后于太阳辐射 766 % 447 年 , 即相当于 7 月底或 8 月初季风强度达到最大值 , 支持了太阳辐射直接 影响低纬度区季风环流的模式。洞穴记录与北半球 冰量信号对比研究表明: 亚洲夏 季风强度变化并不 直接受控于北半球高纬度区冰量进退变化 , 而与低 纬度区海气耦合及水文循环密切相关。 南京葫芦洞和神农架两地洞穴石笋记录在过去 两个冰期旋回中给出了几乎一致的千年尺度气候事 件信号。在过去 12 万年中 , 千年尺度事 件共有 25 个 , 每个事件的发生年龄与强度 均与格陵兰冰芯记 录相对应, 反映了地球气候内部 重组广泛地影响了 北半球广大地区气候变化, 证明 了低纬与高纬气候
Leabharlann Baidu18
。其隐含的实质性问题是, 能否建立确切
可靠的低纬度区季风气候记录 , 作为全球气候变化 对比的基准之一。 解决上述问题的关键是建立具有独立时标的长 时段 (至少两个冰期 /间冰期旋回 ) 的高分辨率季风 记录。中国洞穴石笋同位素记录在这一研究中已显 示了巨大的潜力
[ 17 ∀ 19]
。由于单支石笋生长持续时间
2009
2 C hina Ba sic Science 10
中国基础科学
研究进展
机制的基础。 Shackleton 等 [ 24] 利 用葫芦洞等石笋时 标对格陵兰冰芯进行了校正 , 藉此可联系海洋沉积 记录的事件、 大气
14
[ 11 ] M c M anus J F, O ppo D W, C ul len J L. A 0 . 5 m illion year record of m illennial sca le cli m ate variabi lity in the north A tlant ic. S cien ce, 1999 , 283 : 971∀ 975 [ 12 ] A b reu L, Shackleton N J , S ch nfeld J , et a. l M illenn ial scale oce an ic cli m ate variab ility of f theW estern Iberian m argin during th e las t two g lacial periods . M arine G eology, 2003 , 196 : 1∀ 20 [ 13 ] M artrat B, G r i m alt J O, Lopez M artin ez C, et a. l A b rupt Tem pera tu re C hanges in the W es tern M ed iterranean over the Past 250 , 000 Y ears . S cien ce , 2004, 306: 1762∀ 1765 [ 14] D ing Z L, L iu T S , R u tter N, et a. l Ice vo lum e forcing of E ast A s ian w in ter m onsoon variations in the past 800000 years . Q uaternary R e search , 1995 , 44: 149∀ 159 [ 15 ] W ang PX, C lem ens S, Beaufortc L, et a. l Evo lut ion and variab ility of the A s ian m onsoon syste m: state of th e art and outstand ing issues . Q u aternary Science R eview s , 2005, 24 : 595∀ 629 [ 16 ] C lement A C , H a ll A, B roccoli A J . The i m portance of processional signals in the trop ical cli m ate. C li m ate D ynam ics , 2004 , 22: 327∀
关键词 : 东 亚季风 石笋 铀钍年龄 岁差 旋回 突 变事 件 洞穴
中图分类号 : P532 文献标识码: A 文章编号: 1009 2412( 2009) 02 0009 04
20 世纪初 , 塞尔维亚数学家米兰柯维奇提出了 地球气候变化的天文轨道驱动假说。这一假说最初 得到了经典 深海有孔 虫氧同位 素地层 学的有 力支
[ 16]
在千年尺度上的遥相关效应。在高精度 U /T h 定年 和高分辨率氧同位素测试基础上 , 在距今 13 万年至 23万年间的倒数第二次冰期 , 也能找到与末次冰期 对应的亚洲季风气候事件, 事件持续时间、 频率与末 次冰期有着惊人的相似之处。 三宝 / 葫芦洞石笋 186个高精度的 U /T h 年龄对 49个亚洲季风千年尺度气候事件进行了精确标定, 这些事件发生年龄在神农架周边地区及千里之外的 贵州等洞穴记录中得到可靠 验证。三宝 /葫芦洞石 笋
18
Oa tm
O 记录
O 呈线性相关。这些证据表明以中国石笋
的拼接合成问题 , 从而获取长时段连续古气候记录。 本项研究选 择了湖北神农架三宝洞洞穴内 12 支石笋 , 进行了 127 个 U /T h 定年和 3779 个氧碳同 位素测试。 12 个石笋 同位素记录具 有很好的 重现 性 , 并与千里之外南京葫芦洞和 贵州董歌洞记录在 轨道尺度甚至千年尺度上的振幅和变化趋势基本一 致 , 由此说明中国石笋忠实地记 录了区域尺度的夏 季风环流变化及其降水特征 , 也 为拼接研究区域不 同洞穴石笋氧同位素记录奠定了基础。这样三宝洞 记录将亚洲季风石笋记录进一步扩展到 22 . 4 万年, 与葫芦洞 56∀ 11ka BP 时段的石笋
中国基础科学
研究进展
过去 224 000年千年和轨道尺度东亚季风变化
汪永进
摘
要
已有研究表明, 中国洞穴石笋高分
持。特别是 H ays等 [ 1] 发表在 Sc ience 的研究结果 , 他 们参照有限的年龄控制点, 依据单一沉积速率模式, 验证了地球高纬度区冰量变化周期与天文轨道参数 基本吻合。从此, 米兰科维奇 轨道假说成为解释古 气候演化的流行学说。在大陆冰盖动力学理论支配 下 , CL I MA P 和 SPEC MA P 研究计划逐步建立了深海 氧同位素年代学地层序列 ( 称为 SPECMA P 时标 ) , 成 为古气候记录 对比的基准。根据这一基准 , 科学家 从太平洋 印度洋深海沉积和中国黄土地层记录中获 取了数百万 年亚洲季 风气候的 长期演 化历史 和变 率 , 并提出南半球大洋水汽潜 热释放等亚洲季风驱 动假说 [ 2] 。然而, 早在 1981 年, K utzbach[ 3] 应用简单 的气候模型 , 提出了太阳辐射 直接驱动亚洲季风的 假说。其后 Ruddi m an[ 4] 依据南北两极冰芯中甲烷浓 度变化信息 , 逻辑上推演出低 纬季风应直接响应太 阳辐射 , 支持了 K utzbach 假说。因此 , 轨道尺度的季 风动力学机制成为当今第四纪古气候学术界关注的 热点问题之一 [ 5, 6] 。其中 关键的问题是长 期以来广 为接受的深海同位素基准是否确切可靠 , 目前尚无 直接可靠的高精度定年数据加以验证。 最近 50 万年来气候突变 事件的幅度和频率倍 受科学家和各国政府的关注。这些事件最早发现于 北大西洋深海冰漂碎屑 [ 7] 和格陵兰冰芯记 录 [ 8] 中。 其后阿拉伯海沉积记录 [ 9] 和中国黄土地层 [ 10] 等研究 相继证实了这些事件同样发生在亚洲季风控制的陆 地和海洋环境 中。目前, 关于 晚第四纪冰期突变事 件机制众说纷纭。但首先需要解决的问题是这些高 频、 大幅度气候振荡是否以同 样的规律持续发生在 更新世冰期各个阶段中。由于受定年精度和分辨率 的影响, 已有的长时段高分辨率地质记录 [ 11∀ 法给出强有力的证明。 现代气象数据观测研究表明 , 亚洲季风是全球 气候系统中最为活跃的组分之一 , 与南北两极气候 变化和低纬度区海洋系统密切相关。中国黄土高原 黄土地层 [ 14] 和南中国海底栖有孔虫
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U /T h年龄标定的轨道和千年 尺度气候事件可作为 全球对比的标准。 著名古气候学家 O verpeck 等 [ 20] 在 N ature 撰文, 评价本项研究结果对理解亚洲季风具有不可估量的 价值。其潜在的科学意义主要有以下 3个方面 : ( 1) 太阳辐射如何驱动气候变化一直是难解之 谜 , 直接驱动与间接驱动长期处于争论状态。 I m br i e 等 [ 21] 根据深海同位素和太阳辐射数据, 认为全球冰 量滞后辐射 5∀ 15ka 左右 ( 针 对不同周期有不同的 滞后量 ) , 并对亚洲季风气候起主导控制作用。虽然 # 滞后说 ∃长期处于统治地位 , 但因其缺乏确切的年 代学证据一直遭到质疑。三宝 /葫芦洞记录突破深 海沉积、 黄土地层和冰芯等长 期气候记录无法直接 定年的瓶颈 , 首次以高精度 U /T h 年代学和气候旋回 证据证实了一个重要假说 , 即 北半球季风气候的强 度和发生时间 直接响应于冰期 /间冰期旋回的外部 驱动力。 ( 2) 相对于轨道尺度的气候波动 , 千年尺度气 候变化中气候系统内部振荡规律和自我调控机制是 一个更为迫切需要解决的问题。千年尺度气候变率 与突变过程可以深入理解地球内部条件 ( 如冰盖不 稳定、 大洋环流、 大气粉尘和温室气体 ) 与太阳辐射 间的耦合机制 , 同时它直接涉 及当今人类社会生存 和发展的重大环境问题。本项研究发现千年尺度的 气候振荡事件始终贯穿于冰期 / 间冰期旋回中 , 其频 率与持续时间具有很好的重现性特征 , 证实了太阳 辐射和大陆冰盖控制下的数值模拟结果 : 地球平均 气候状态决定了千年尺度气候振荡事件发生的频率 和强度 [ 22, 23] 。为进一步理解突变气候事件的机理和 预测未来长尺度气候变化提供了可靠的地质证据。 ( 3) 气候事件年龄的准确标定是研究气候突变
2009
还无
O 记录 [ 15] 揭
示了北半球高纬度区冰量变化对东亚季风气候的主 导控制作用。然而模式和观察研究表明 , 低纬度区 季风气候变化主要受低纬太阳辐射控制 , 岁差尺度
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中国基础科学
研究进展
的季风气候变化旋回可能独立于 10 万年周期的冰 量旋回
短 ( 通常只有数万年 ) , 给出的气候记录常为 # 碎片 ∃ 式气候信号 , 特别是缺乏最近两个冰期 / 间冰期旋回 完整的季风记录 , 限制了对季风 成因机制的全面理 解。因此需要研究同一区域不同洞穴石笋
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O 与南极 V ostok 冰芯
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O atm同向变化 , 相对变
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幅基本一致。数理分析进一步表明全球大气 与石笋
18 13]
辨率记录对了解亚洲季风气候驱动机制有巨 大潜力。但由于缺乏最近两个冰期 /间 冰期 旋回完整的高精度定年记录, 特别是缺失了 关于轨道尺度和千年尺度事件变化规律的关 键部分, 很难完整地理解季风成因机制。本 文基于湖北神农架洞穴内石笋的精确同位素 测试结果, 建立了高精度 U /Th 年龄控制的 22 . 4 万年来高分辨率洞穴石笋同位素气候序 列。结果表明亚洲夏季风强度变化具有强烈 的岁差旋回特征 ( 2. 3 万年周期 ), 在误差范围 内与北半球 65!N 处 7 月 21 日太阳辐射曲线 在强度和时间上基本一致, 支持了季风变化 直接响应于太阳辐射的假说。 同时发现, 叠 加在最后两个冰期旋回中的千年尺度气候振 荡频率具有相似性, 与全球冰盖消长密切相 关, 证实了相关数值模拟结果。 亚洲季风千 年尺度事件定年准确, 可以作为全球对比的 标准。
O 记录拼接,
建立了迄今为止最高分辨率的高精度 U /T h 年龄控 制的 22 . 4 万年 完整 的 洞穴 石笋 同 位素 气 候地 层 序列。 该记录揭示了东亚夏季风强度变化具有强烈的 岁差旋回特征 ( 2. 3 万年周期 ), 而 4 . 1 万年和 10 万 年周期信号不明显。岁差旋回的夏季风变化与北半 球 65!N 处 7 月 21 日太阳辐射曲线在强度和时间上 基本一致 ( r= 0 . 69)。交叉功率谱分析表明 : 季风变 化滞后于太阳辐射 766 % 447 年 , 即相当于 7 月底或 8 月初季风强度达到最大值 , 支持了太阳辐射直接 影响低纬度区季风环流的模式。洞穴记录与北半球 冰量信号对比研究表明: 亚洲夏 季风强度变化并不 直接受控于北半球高纬度区冰量进退变化 , 而与低 纬度区海气耦合及水文循环密切相关。 南京葫芦洞和神农架两地洞穴石笋记录在过去 两个冰期旋回中给出了几乎一致的千年尺度气候事 件信号。在过去 12 万年中 , 千年尺度事 件共有 25 个 , 每个事件的发生年龄与强度 均与格陵兰冰芯记 录相对应, 反映了地球气候内部 重组广泛地影响了 北半球广大地区气候变化, 证明 了低纬与高纬气候
Leabharlann Baidu18
。其隐含的实质性问题是, 能否建立确切
可靠的低纬度区季风气候记录 , 作为全球气候变化 对比的基准之一。 解决上述问题的关键是建立具有独立时标的长 时段 (至少两个冰期 /间冰期旋回 ) 的高分辨率季风 记录。中国洞穴石笋同位素记录在这一研究中已显 示了巨大的潜力
[ 17 ∀ 19]
。由于单支石笋生长持续时间
2009
2 C hina Ba sic Science 10
中国基础科学
研究进展
机制的基础。 Shackleton 等 [ 24] 利 用葫芦洞等石笋时 标对格陵兰冰芯进行了校正 , 藉此可联系海洋沉积 记录的事件、 大气
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[ 11 ] M c M anus J F, O ppo D W, C ul len J L. A 0 . 5 m illion year record of m illennial sca le cli m ate variabi lity in the north A tlant ic. S cien ce, 1999 , 283 : 971∀ 975 [ 12 ] A b reu L, Shackleton N J , S ch nfeld J , et a. l M illenn ial scale oce an ic cli m ate variab ility of f theW estern Iberian m argin during th e las t two g lacial periods . M arine G eology, 2003 , 196 : 1∀ 20 [ 13 ] M artrat B, G r i m alt J O, Lopez M artin ez C, et a. l A b rupt Tem pera tu re C hanges in the W es tern M ed iterranean over the Past 250 , 000 Y ears . S cien ce , 2004, 306: 1762∀ 1765 [ 14] D ing Z L, L iu T S , R u tter N, et a. l Ice vo lum e forcing of E ast A s ian w in ter m onsoon variations in the past 800000 years . Q uaternary R e search , 1995 , 44: 149∀ 159 [ 15 ] W ang PX, C lem ens S, Beaufortc L, et a. l Evo lut ion and variab ility of the A s ian m onsoon syste m: state of th e art and outstand ing issues . Q u aternary Science R eview s , 2005, 24 : 595∀ 629 [ 16 ] C lement A C , H a ll A, B roccoli A J . The i m portance of processional signals in the trop ical cli m ate. C li m ate D ynam ics , 2004 , 22: 327∀
关键词 : 东 亚季风 石笋 铀钍年龄 岁差 旋回 突 变事 件 洞穴
中图分类号 : P532 文献标识码: A 文章编号: 1009 2412( 2009) 02 0009 04
20 世纪初 , 塞尔维亚数学家米兰柯维奇提出了 地球气候变化的天文轨道驱动假说。这一假说最初 得到了经典 深海有孔 虫氧同位 素地层 学的有 力支
[ 16]
在千年尺度上的遥相关效应。在高精度 U /T h 定年 和高分辨率氧同位素测试基础上 , 在距今 13 万年至 23万年间的倒数第二次冰期 , 也能找到与末次冰期 对应的亚洲季风气候事件, 事件持续时间、 频率与末 次冰期有着惊人的相似之处。 三宝 / 葫芦洞石笋 186个高精度的 U /T h 年龄对 49个亚洲季风千年尺度气候事件进行了精确标定, 这些事件发生年龄在神农架周边地区及千里之外的 贵州等洞穴记录中得到可靠 验证。三宝 /葫芦洞石 笋
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Oa tm
O 记录
O 呈线性相关。这些证据表明以中国石笋
的拼接合成问题 , 从而获取长时段连续古气候记录。 本项研究选 择了湖北神农架三宝洞洞穴内 12 支石笋 , 进行了 127 个 U /T h 定年和 3779 个氧碳同 位素测试。 12 个石笋 同位素记录具 有很好的 重现 性 , 并与千里之外南京葫芦洞和 贵州董歌洞记录在 轨道尺度甚至千年尺度上的振幅和变化趋势基本一 致 , 由此说明中国石笋忠实地记 录了区域尺度的夏 季风环流变化及其降水特征 , 也 为拼接研究区域不 同洞穴石笋氧同位素记录奠定了基础。这样三宝洞 记录将亚洲季风石笋记录进一步扩展到 22 . 4 万年, 与葫芦洞 56∀ 11ka BP 时段的石笋
中国基础科学
研究进展
过去 224 000年千年和轨道尺度东亚季风变化
汪永进
摘
要
已有研究表明, 中国洞穴石笋高分
持。特别是 H ays等 [ 1] 发表在 Sc ience 的研究结果 , 他 们参照有限的年龄控制点, 依据单一沉积速率模式, 验证了地球高纬度区冰量变化周期与天文轨道参数 基本吻合。从此, 米兰科维奇 轨道假说成为解释古 气候演化的流行学说。在大陆冰盖动力学理论支配 下 , CL I MA P 和 SPEC MA P 研究计划逐步建立了深海 氧同位素年代学地层序列 ( 称为 SPECMA P 时标 ) , 成 为古气候记录 对比的基准。根据这一基准 , 科学家 从太平洋 印度洋深海沉积和中国黄土地层记录中获 取了数百万 年亚洲季 风气候的 长期演 化历史 和变 率 , 并提出南半球大洋水汽潜 热释放等亚洲季风驱 动假说 [ 2] 。然而, 早在 1981 年, K utzbach[ 3] 应用简单 的气候模型 , 提出了太阳辐射 直接驱动亚洲季风的 假说。其后 Ruddi m an[ 4] 依据南北两极冰芯中甲烷浓 度变化信息 , 逻辑上推演出低 纬季风应直接响应太 阳辐射 , 支持了 K utzbach 假说。因此 , 轨道尺度的季 风动力学机制成为当今第四纪古气候学术界关注的 热点问题之一 [ 5, 6] 。其中 关键的问题是长 期以来广 为接受的深海同位素基准是否确切可靠 , 目前尚无 直接可靠的高精度定年数据加以验证。 最近 50 万年来气候突变 事件的幅度和频率倍 受科学家和各国政府的关注。这些事件最早发现于 北大西洋深海冰漂碎屑 [ 7] 和格陵兰冰芯记 录 [ 8] 中。 其后阿拉伯海沉积记录 [ 9] 和中国黄土地层 [ 10] 等研究 相继证实了这些事件同样发生在亚洲季风控制的陆 地和海洋环境 中。目前, 关于 晚第四纪冰期突变事 件机制众说纷纭。但首先需要解决的问题是这些高 频、 大幅度气候振荡是否以同 样的规律持续发生在 更新世冰期各个阶段中。由于受定年精度和分辨率 的影响, 已有的长时段高分辨率地质记录 [ 11∀ 法给出强有力的证明。 现代气象数据观测研究表明 , 亚洲季风是全球 气候系统中最为活跃的组分之一 , 与南北两极气候 变化和低纬度区海洋系统密切相关。中国黄土高原 黄土地层 [ 14] 和南中国海底栖有孔虫
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U /T h年龄标定的轨道和千年 尺度气候事件可作为 全球对比的标准。 著名古气候学家 O verpeck 等 [ 20] 在 N ature 撰文, 评价本项研究结果对理解亚洲季风具有不可估量的 价值。其潜在的科学意义主要有以下 3个方面 : ( 1) 太阳辐射如何驱动气候变化一直是难解之 谜 , 直接驱动与间接驱动长期处于争论状态。 I m br i e 等 [ 21] 根据深海同位素和太阳辐射数据, 认为全球冰 量滞后辐射 5∀ 15ka 左右 ( 针 对不同周期有不同的 滞后量 ) , 并对亚洲季风气候起主导控制作用。虽然 # 滞后说 ∃长期处于统治地位 , 但因其缺乏确切的年 代学证据一直遭到质疑。三宝 /葫芦洞记录突破深 海沉积、 黄土地层和冰芯等长 期气候记录无法直接 定年的瓶颈 , 首次以高精度 U /T h 年代学和气候旋回 证据证实了一个重要假说 , 即 北半球季风气候的强 度和发生时间 直接响应于冰期 /间冰期旋回的外部 驱动力。 ( 2) 相对于轨道尺度的气候波动 , 千年尺度气 候变化中气候系统内部振荡规律和自我调控机制是 一个更为迫切需要解决的问题。千年尺度气候变率 与突变过程可以深入理解地球内部条件 ( 如冰盖不 稳定、 大洋环流、 大气粉尘和温室气体 ) 与太阳辐射 间的耦合机制 , 同时它直接涉 及当今人类社会生存 和发展的重大环境问题。本项研究发现千年尺度的 气候振荡事件始终贯穿于冰期 / 间冰期旋回中 , 其频 率与持续时间具有很好的重现性特征 , 证实了太阳 辐射和大陆冰盖控制下的数值模拟结果 : 地球平均 气候状态决定了千年尺度气候振荡事件发生的频率 和强度 [ 22, 23] 。为进一步理解突变气候事件的机理和 预测未来长尺度气候变化提供了可靠的地质证据。 ( 3) 气候事件年龄的准确标定是研究气候突变
2009
还无
O 记录 [ 15] 揭
示了北半球高纬度区冰量变化对东亚季风气候的主 导控制作用。然而模式和观察研究表明 , 低纬度区 季风气候变化主要受低纬太阳辐射控制 , 岁差尺度
2 C hina Ba sic Science 9
中国基础科学
研究进展
的季风气候变化旋回可能独立于 10 万年周期的冰 量旋回