中全新世时期中纬度亚洲地区水文气候变异的空间异质性

《CATENA》：Spatial heterogeneity of hydroclimate variability across the mid-latitude Asia region during a Mid-Holocene event

　　

Zhen Wang|Xiaokang Liu|Shengqian Chen|Shuai Ma|Qi Nan|Wenjie Ma|Jianhui Chen|Liangcheng Tan

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  18份高质量代用记录的响应比率表明，在5.1-4.9千年前可能发生过一次百年尺度的气候事件。
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  研究发现了“西亚和东亚中北部干燥，而中亚干旱地区湿润”的三极模式。
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  这种空间格局是由北大西洋涛动、西风环流以及赤道辐合带共同驱动的。

引言

区域降水量和水文气候变异的空间异质性及其相关模式一直备受研究关注，因为有越来越多的证据表明这些空间模式可能存在于多个时间尺度上（Ding等人，2008；Chen等人，2015；IPCC，2021；Xu等人，2023；Xu等人，2024）。在亚洲，由于季风系统与中纬度西风的相互作用，以及它们对高纬度和低纬度强迫的复杂响应，水文气候的这种空间异质性尤为明显。例如，观测数据表明，中国季风区的季风降水在十年时间尺度上呈现出偶极或三极模式（Ding等人，2008；Zheng等人，2016）。除了这种经向差异外，中纬度亚洲地区也存在着类似的纬向水文气候变异对比（Chen等人，2019）。在全新世期间，中亚干旱地区与中纬度季风亚洲地区的降水量/湿度变化在不同时间尺度上呈反相或同相关系。具体而言，过去几十年来，中国北方呈现干旱趋势，而新疆（中国西北部）则呈现湿润趋势（Shi等人，2006；Zhang等人，2019；Chen等人，2023）。最近，通过古代用记录和PMIP4模拟，发现亚洲干旱地区的全新世水文气候变化趋势呈现出偶极模式（Chen等人，2024；Ding等人，2024；Ma等人，2025），这表明在全新世期间，西亚地区和中亚干旱地区分别呈现出长期的干旱和湿润趋势。此外，在亚轨道时间尺度上，通过比较中全新世与晚全新世湖泊盐度的差异，有人提出了全新世水文气候变化的三极模式（Chen等人，2025）。然而，目前尚不清楚这类空间差异以及可能的偶极或三极模式是否在多个时间尺度上（如百年时间尺度）都存在。

自从在北大西洋首次发现一系列明显的百年尺度突发气候事件以来，全球范围内对全新世（约11,700年前至今）的百年尺度水文气候事件进行了大量研究（Bond等人，1997；Mayewski等人，2004）。这些事件为我们理解不同气候子系统中的全新世水文气候变异，以及突发气候变化对史前文化及历史文明发展的影响提供了重要线索。例如，8.2千年前发生的事件伴随着气温骤降和干旱，阻碍了农业的发展，导致了新石器时代过渡期的停滞（Alley等人，1997）。4.2千年前发生的事件被认为引发了北非、中东和南亚等地区的严重干旱，这与古埃及王朝的衰落、印度河谷文明的衰退以及美索不达米亚地区的社会动荡密切相关（Weiss等人，1993；Staubwasser等人，2003；Dixit等人，2014；Zhang等人，2021；Nan等人，2025）。不过，大约5千年前发生的一次事件也引起了人们的注意，那次事件的特点是北大西洋中赤铁矿染色颗粒的比例从持续的高值（20%）降至低值（10%），这表明在中全新世气候最适宜期曾发生过快速的水文气候事件（Bond等人，1997，Bond等人，2001），但对此研究的相对较少（Roland等人，2015；Li等人，2016）。有趣的是，5千年前发生的事件可能对史前文化的发展产生了深远影响（Budja，2015；Donges等人，2015；Wu等人，2018）。例如，在美索不达米亚，乌尔克文化从幼发拉底河下游扩展到中上游，这一过程与这一时期的降水减少密切相关（Clarke等人，2016）。在中国黄河流域，5千年前发生的寒冷干旱天气可能导致了仰韶文化的衰落和人口迁移（Bai等人，2017）。然而，这一时期中纬度亚洲干旱和半干旱地区具体的水文气候异常情况及其潜在的空间变异仍需进一步研究。

中纬度亚洲的干旱半干旱地区是地球上最大的非地带性干旱区之一，也是全球重要的沙尘源地，在全球气候调节和生物地球化学循环中起着至关重要的作用（Uno等人，2009）。此外，这一地区还包括古代丝绸之路的重要通道，是当前及未来人类与环境互动的重点区域（Che和Lan，2021；Dong等人，2021；Tan等人，2021；Wang等人，2024）。本研究旨在确认大约5千年前发生的一次百年尺度水文气候事件，评估这一时期中纬度亚洲的水文气候变化情况，并进一步研究西亚、中亚干旱地区以及东亚中北部这三个代表性子区域之间的潜在空间模式。我们通过选择和处理来自洞穴沉积物、湖泊沉积物和泥炭沼泽的高质量古湿度/降水代用记录，来评估5千年前事件期间的异常干旱或湿润气候状况。通过TraCE21模型模拟，我们还验证了5千年前事件期间百年尺度水文气候变化的显著空间异质性。我们认为这种空间模式可能是由高纬度、中纬度和低纬度因素共同驱动的。这些发现有助于我们更好地理解中纬度亚洲水文气候变异的空间模式，并为预测未来干旱半干旱地区的气候提供参考。

章节摘要

研究区域、数据收集与处理

中纬度亚洲地区西起东地中海和伊朗高原，东至华北平原北部边缘，南以喜马拉雅-帕米尔山脉为界，北以西伯利亚南部边缘为界。这一广阔的地区主要以干旱和半干旱环境为主，包括三个典型的子区域：西亚（28°–50°E，25°–42°N）、中亚干旱地区（50°–100°E，36°–50°N）以及东亚中北部（100°–125°E，32°–45°N）。总体而言，西亚的气候特征是

5千年前事件期间中纬度亚洲的异常水文气候变化

在东亚中北部地区，5千年前事件期间，9份选定的代用记录中有8份显示出异常干旱的气候特征（见图3）。具体来说，芦芦洞的洞穴沉积物δ¹⁸O记录呈现出正值偏移（Zhao等人，2021），这表明在5千年前事件期间东亚夏季风环流减弱。其他洞穴沉积物记录，如莲花洞、马沟洞和九仙洞的记录（Dong等人，2015；Cai等人，2010，Cai等人，2021）也显示出相对较高的δ¹⁸O值，进一步

结论与展望

基于18份已发表的高质量代用记录，本研究系统地研究了大约5千年前可能发生的百年尺度水文气候事件期间中纬度亚洲的水文气候变化空间异质性。研究结果显示出明显的三极模式，即东亚中北部和西亚地区出现异常干旱气候，而中亚干旱地区则出现显著的湿润气候事件。这种“西亚干燥-中亚干旱地区湿润-东亚中北部干燥”的空间模式得到了进一步的支持

CRediT作者贡献说明

Zhen Wang：撰写——初稿，调查，正式分析。Xiaokang Liu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，方法论，资金获取，数据整理，概念构建。Shengqian Chen：撰写——审阅与编辑，验证，资源，方法论。Shuai Ma：资源，方法论，调查，数据整理。Qi Nan：方法论，调查，概念构建。Wenjie Ma：正式分析。Jianhui Chen：撰写——审阅

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号42471177、42522107和41901099）以及中国科学院地球环境研究所黄土科学国家重点实验室开放基金（编号SKLLQG2316）的支持。