综述：湖泊岩芯记录显示的末次冰消期莫哈韦沙漠的古水文状况

《Quaternary Science Reviews》：Paleohydrologic conditions in the Mojave Desert during the last deglaciation recorded by core-to-shore lacustrine records

　　

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  从最后冰期最大值到早全新世，冰盖、温室气体以及轨道强迫因素影响了美国西南部的地表水状况，而AMOC驱动的环流变化则在HS-1时期增强了水汽输送。
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  莫哈韦湖以及其他美国西南部的水文气候记录显示，该地区对千年尺度的气候变化有着一致的响应，不过不同记录之间的差异则由当地的水文因素造成。
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  莫哈韦湖从24.8千年前一直存在到9.8千年前，即便在区域上较为干燥的B?lling-Aller?d时期也是如此，这表明该地区的水平衡对冬季降水的微小增加极为敏感。

引言

美国西南部的干旱地区正经历着快速的气候和地表条件变化，预计这些变化在未来几十年还会加剧（Lenihan等人，2003年；Seager和Vecchi，2010年；Swain等人，2018年；Thorne等人，2018年）。过去几十年来，观测数据表明该地区的夏季气温持续上升（Martinez-Austria和Bandala，2017年；Navarro-Estupi?an等人，2018年；Djaman等人，2020年），这就导致了干旱程度加剧，科罗拉多河和里奥格兰德河的流量减少（Vano等人，2014年；Woodhouse等人，2016年；Udall和Overpeck，2017年；Overpeck和Udall，2020年）。气候预测表明，这些变化还将持续，干旱状况会愈发严重（Lau和Kim，2015年；Jones和Gutzler，2016年；Escalante-Sandoval和Nu?ez-Garcia，2017年；Seneviratne，2021年），热浪将更加频繁且更为剧烈，而且每年有更多降水以强风暴的形式出现，从而增加洪水风险（Shields和Kiehl，2016年；Easterling等人，2017年；Prein等人，2017年）。尽管存在这些总体趋势，但由于该地区复杂的地理和气候特征，要预测未来水资源可用性的变化时间和范围依然十分困难。通过对过去那些气候变化迅速且边界条件与如今不同的时期的古气候重建，我们可以了解控制区域地表水平衡的机制，同时也能为检验气候模型提供参考依据（Oster等人，2015年、2023a年；Wong等人，2016年；Lora和Ibarra，2019年；Hudson等人，2019年；Rehfeld等人，2020年；Amaya等人，2022年；de Wet等人，2023年）。

最后冰期最大值时期（LGM，约26千年前至19千年前；Clark等人，2009年）表明，大规模的气候重组能够显著改变美国西部的地表水分布。在LGM时期，广阔的雨湖占据了如今干旱的大盆地的大片区域（Mifflin和Wheat，1979年；Reheis等人，2014a年）。这一时期，水文气候变化呈现出纬度偶极特征，美国西南部比现代更湿润，而西北部则比现代更干燥（Oster等人，2015年；Hudson等人，2019年）。西南部湿度的增加很可能是由较低的年平均气温（Morrill等人，2018年；Tabor等人，2021年）、增加的年降水量或季节性降水量，以及/或者降低的潜在蒸散量共同作用的结果（Hostetler和Benson，1990年；Ibarra等人，2014年、2018年；Harbert和Nixon，2018年；Santi等人，2020年；Mering等人，2026年）。导致这种气候状态的机制仍是当前研究的热点。早期的假说强调北美洲冰盖对大气环流的影响，认为冰盖较高的地形会分割并强化冬季西风风暴路径，使其向南移动，经过东太平洋地区（Manabe和Broccoli，1985年；Kutzbach和Wright，1985年；COHMAP，1988年）。较新的研究则着眼于冰盖反照率对北太平洋海表温度的影响，这种影响促使西风带来的水汽向南方输送（Roberts等人，2019年；Amaya等人，2022年），或是由于冰盖冷却导致的温度和水汽梯度增大，从而增强了冬季水汽的平流作用（Morrill等人，2018年）。

LGM时期比现代更湿润的状况一直持续到冰消期（约18千年前至11千年前），其间还出现了千年的尺度上的水平衡剧烈波动，这些波动的规律与冰盖记录中所反映的全球温度变化趋势一致（Wagner等人，2010年；Broecker和Putnam，2013年；Reheis等人，2014a年；Asmerom等人，2017年；McGee等人，2018年；Hudson等人，2019年），这表明美国西部的冰消期水文气候既受到北美洲冰盖的影响，也受到全球大气环流变化的影响（Lora和Ibarra，2019年；Fu，2023年）。这一时期的水文敏感记录通常显示，在Heinrich Stadial 1时期（HS-1，18千年前至14.7千年前；Broecker和Putnam，2013年；Munroe和Laabs，2013年；Reheis等人，2014a年；Ibarra等人，2014年；McGee等人，2018年；Hudson等人，2019年）湿度达到峰值，这很可能是劳伦泰德冰盖使冬季风暴路径向南移动，以及大西洋经向翻转环流减弱导致赤道辐合带向南移动共同作用的结果（Lora等人，2017年；Asmerom等人，2017年；McGee等人，2018年；Hudson等人，2019年；Fu，2023年）。赤道辐合带的南移加强了冬季西风，并使其向赤道方向移动，进而提升了太平洋水汽向美国西南部的输送量。相比之下，在随后的B?lling-Aller?d间冰期（B/A，14.7千年前至12.8千年前；Alley和Clark，1999年；Shakun和Carlson，2010年），AMOC增强、赤道辐合带向北移动以及北美洲冰盖退缩，都导致了风暴路径向极地方向移动，使得美国西南部相比西北部更加干燥（Broecker和Putnam，2013年；Lora等人，2016年；Wong等人，2016年；Lora和Ibarra，2019年；Hudson等人，2019年）。随后到来的Younger Dryas时期（YD，12.8千年前至11.7千年前；Clark等人，2012年）又回到了较为寒冷的气候状态，美国西南部的湿润程度有所恢复，但仍然不稳定（Wong等人，2016年；Pigati和Springer，2022年；Fu，2023年）。

千年尺度水文气候变化的时机和空间分布并不均匀（Lyle等人，2012年；Kirby等人，2013年；Oster等人，2015年；Egger等人，2018年；McGee等人，2018年；Hudson等人，2019年、2023年）。例如，大盆地的雨湖在HS-1时期和B/A时期都曾达到水位高峰（McGee等人，2018年；Hudson等人，2019年、2023年），大盆地的中部和西南部在降水量和入渗量方面也存在差异（Maher等人，2014年），而YD时期和早全新世则带来了区域间不同的水分状况（Ballenger等人，2011年；Feng等人，2014年；Steponaitis等人，2015年；Wong等人，2016年；Kirby等人，2018年；Menking等人，2018年；Springer和Pigati，2020年；Hudson等人，2023年）。这种差异很可能是由区域到局部的气候强迫因素和地理因素造成的，包括地形对风暴路径的偏转作用（Lechler和Galewsky，2013年；Gagnon等人，2023年）以及内华达山脉的冰盖作用（Clark和Gillespie，1997年；Kessler等人，2006年）。这也凸显出需要获取地理分布多样、分辨率高的古气候记录，以便弄清过去冰消期美国西部地表水资源变化背后的各种机制。

在本研究中，我们利用莫哈韦河最终流域——莫哈韦湖的湖底沉积物，为美国西南部的水文气候研究提供了新的依据。我们采用从湖心到湖岸的方法重建过去的湖泊状况，将沉积物岩芯的粒径数据与稳定同位素数据相结合。这些沉积物岩芯数据还与高分辨率的湖岸凝灰岩稳定同位素及元素分析结果进行了对比。通过对介形虫和凝灰岩进行放射性碳定年，我们获得了涵盖从最后冰期最大值到冰消期的14千年的记录（24.8千年前至9.8千年前）。通过将这一记录与美国西南部的其他水文敏感记录以及气候模型的输出结果进行对比，我们得以将莫哈韦湖的记录置于区域水文气候格局的背景下，进而分析从最后冰期最大值到早全新世期间，影响美国西南部地表水资源变化的主要气候强迫因素。

章节摘录

现代区域气候学

莫哈韦沙漠的西面和西南面分别被内华达山脉、圣加布里埃尔山脉和圣贝纳迪诺山脉所环绕，这些山脉能够偏转盛行的西风（Lechler和Galewsky，2013年；Gagnon等人，2023年），同时还能拦截来自太平洋的水汽（Hereford等人，2006年）。正是这种雨影效应使得莫哈韦成为地球上最为干旱的地区之一，其长期平均年降水量在44毫米到310毫米/年之间（Hereford等人，2006年）。降雨

介形虫壳

大盆地的湖泊沉积物中富含介形虫壳，人们一直利用它们进行地球化学分析，以此重建湖泊和湿地的水文地球化学特征，同时通过放射性碳定年确定沉积序列的年龄（Benson等人，2003年；Forester等人，2005年；Bright等人，2006年；Owen等人，2007年；Jayko等人，2008年；Pigati等人，2009年；Broecker等人，2009年；Reheis等人，2012年；Garcia等人，2014年；Oviatt，2017年；Hudson等人，2017年、2023年）。在莫哈韦湖，介形虫

介形虫和凝灰岩的地质年代测定

我们从沉积物岩芯中得到了22个介形虫的年龄数据，这些数据的年代范围从475厘米深度处的11.15±0.13千年前校正值，到1710厘米深度处的23.841±0.7千年前校正值，涵盖了从最后冰期最大值到早全新世的时段（见图3）。由于某些深度的样本量有限，介形虫放射性碳定年的误差也有所不同。放射性碳地质年代测定结果及校准数据见表2。

这里还展示了两个凝灰岩样本：SLNW24-12 A是从海拔279.58米的波浪切割平台采集的，而

分析粒径、稳定同位素和微量元素数据

沉积盆地中的粒径变化是衡量沉积能量和沉积环境的常用指标，因此能够很好地反映过去的水文气候状况（Anderson，1977年、2001年；Inman和Jenkins，1999年；Conroy等人，2008年；Warrick和Mertes，2009年；Covault等人，2010年；Kirby等人，2010年、2013年、2014年、2018年、2023年；Warrick和Barnard，2012年；Shuman等人，2015年）。例如，Kirby等人（2015年）分析了一个从晚更新世到全新世的沉积物岩芯

结论

美国西南部的雨湖记录有助于我们了解在最后冰期最大值和冰消期期间，影响水资源平衡的主要气候强迫因素。在本研究中，我们基于沉积物核心样本的粒径数据和介形虫地球化学分析结果，以及湖岸凝灰岩的地球化学数据，为莫哈韦湖提供了新的记录。我们将这一湖泊的历史与其他美国西南部的水文气候记录，以及iTraCE气候模型的输出结果进行对比，以此探究当地湖泊的演变规律

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

我们要感谢Steve Clemens和Soumen Mallick，感谢他们在布朗大学为我们提供了碳酸盐稳定同位素测量和激光烧蚀分析的技术支持。我们还要感谢土地管理局，尤其是Jim Shearer（位于加利福尼亚州巴尔斯托的土地管理局野外办公室的考古学家），感谢他们为2018年的岩芯采集工作提供的资金支持。我们还要感谢Gregg Drilling公司的John Gregg和Pat Keating，他们为我们提供了非常出色的沉积物取芯服务。此外，我们还要感谢加利福尼亚州立大学富勒顿分校的研究、学术与创意活动奖励计划

Gavin Piccione|Matthew Kirby|Jaxson Stephen|Anna Dubey|Alejandra Torres|Matias Gibertoni|Alondra Ruiz Contreras|Robert Leeper|Angela Daneshmand|Justin Custado|Daniel Ibarra