黄土是沙尘暴过后的沉积物，能够为重建过去近地面风强度的变化提供重要的载体。在以往的黄土研究当中，粒度参数如平均粒径、中值粒径或粗组分含量等指标被用于重建近地面风强度变化。新近研究发现这些常用的粒度指标可能会受到物源以及植被覆盖度变化的影响。行星风沙科学研究院董治宝教授团队发现密度大的矿物通常与密度小但是粒径更大的矿物一起搬运和沉积，这种效应被前人描述为“等效沉积效应”。理想状态下，矿物粒径的比值能够根据矿物密度之间的比值计算得到。但是，风力越强，风对矿物的选择性会越差，会导致“等效沉积效应”越不明显，即不同矿物之间粒径差别越小，沉积物碎屑颗粒粒径分布越均匀。粒度分选系数就是反映沉积物碎屑颗粒粗细均匀程度的参数。因此，风力越强，分选系数越小，而且分选系数几乎不受物源和植被覆盖度的影响。所以，分选系数是一个更加敏感的指示风强度的代用指标。
基于上述认识，团队将分选系数用于新疆黄土的古气候重建：
一、重建末次冰期西伯利亚高压强度变化
现代观测结果表明，我国西北地区冬春季近地面风强度与西伯利亚高压密切相关。因此，进一步将分选系数用于新疆塔城盆地额敏河河流阶地上一处14 m厚的黄土剖面（图1）当中，重建了末次冰期西伯利亚高压强度的变化。研究发现：（1）不同于平均粒径和粗组分含量指标，分选系数指标表明在北大西洋千年尺度气候事件（Heinrich事件）期间，西伯利亚高压显著增强，并且西伯利亚高压强度大体上以5千年周期波动。（2）进一步与东亚季风区的石笋记录对比，发现更高的分选系数对应更偏负的三宝洞石笋δ18O值，表明末次冰期西伯利亚高压与东亚夏季风强度呈现反相位的变化关系。（3）通过比较千年尺度气候事件的幅度，进一步发现分选系数幅度的变化与北极海冰的幅度变化更相似，支持了北极海冰对西伯利亚高压强度的影响（图2）。
图1 新疆塔城盆地库尔托别黄土剖面地层与年代
图2 库尔托别黄土分选系数与三宝洞石笋δ18O、格陵兰冰芯δ18O、以及北极海冰记录的对比
二、重建80万年以来北半球冰量变化
过去80万年以来，我们地球的气候经历了以10万年为周期的冰期间冰期的波动。一般来说，间冰期温暖湿润，冰期寒冷干旱。我们地球现如今正处于一个间冰期的开始阶段（全新世），为了预测未来气候的变化，我们迫切需要了解全新世之前的间冰期的气候变化特征及其驱动机制。在中更新世期间，大约43万年之后的间冰期的全球冰量要小于43万年之前的间冰期，全球CO2浓度也在43万年之后的间冰期出现明显的升高，这个转折也被称为中布容转型（MBT），MBT一直是国际古气候学研究的前沿热点问题。一般认为中布容转型之后（post-MBT）的间冰期要强于中布容转型之前（pre-MBT）的间冰期。通过收集对比亚洲不同地区80万年以来的降水记录，发现黄土高原和中亚塔吉克斯坦地区post-MBT间冰期的降水要高于pre-MBT间冰期，而其他大多数地区post-MBT间冰期的降水大体上要低于pre-MBT间冰期。轨道参数、CO2浓度和全球冰量变化、以及青藏高原隆升都无法用来解释这一现象。由于缺乏直接的北半球冰量的记录，南北半球冰量变化的不对称性很少受到重视。为了了解MBT前后气候变化的驱动机制，我们把目光放在了北半球冰量的重建上。新疆伊犁盆地202 m厚的三宫乡黄土钻探岩心（图3）为我们的研究提供了重要的基础。
图3 三宫乡黄土钻孔的分选系数、平均粒径和磁性地层
既然末次冰期北极海冰与西伯利亚强度有着显著的相关性（图2），因此，分选系数也被用于三宫乡黄土钻孔，间接反映80万年以来北半球冰量的变化。研究发现：post-MBT间冰期深海氧同位素MIS 11（42.4-37.4万年）、MIS 9（33.7-30万年）和MIS 7（24.3-19.1万年）的北半球冰量要多于pre-MBT间冰期，与全球冰量的变化特征不一致（图4），进一步认为这个3间冰期的南北半球冰量出现显著的不对称性。通过CESM1.2.2模式模拟了间冰期北半球冰盖增加，对亚洲地区降水变化的影响，发现模拟的年降水量的结果与地质记录能够较好的对应（图5）。增加的北半球冰盖使得西风环流向南移动，从而东亚夏季风水汽在黄土高原地区辐合，降水增加。同时西风环流增强，给塔吉克斯坦地区带来较多的冬季降水。因此，研究组认为post-MBT间冰期MIS 11，MIS 9和MIS 7相对增加的北半球冰盖，可能导致了亚洲地区间冰期降水强度变化的空间差异。而MIS 5e (12.3-10.9万年)阶段南北半球冰量的不对称性并不显著，其降水变化可能是由于南北半球冰量同时减少导致的。
图4 亚洲地区90万年以来降水记录的对比（左）和亚洲地区近地面风强指标与北极海冰以及全球冰量记录的对比（右）
图5 模拟的北半球冰盖的增加对亚洲地区夏季和年降水量的影响
上述成果近期发表于地球科学领域知名期刊《Geophysical Research Letters》和《Paleoceanography and Paleoclimatology》，两篇论文的第一作者均为太阳官网行星风沙科学研究团队的程良清博士后，合作导师为董治宝教授，陕西师范大学太阳集团tyc539为第一完成单位。
论文详情：
Cheng L., Wu Y., Song Y., Yang L., Miao X., Sun H., Qiang X., Chang H., Long H., Dong Z., 2022. Strong asymmetry of interhemispheric ice volume during MIS11, MIS 9 and MIS 7 drives heterogeneity of interglacial precipitation intensity over Asia. Geophysical Research Letters, 49 e2022GL100269. https://doi.org/10.1029/2022GL100269
Cheng, L., Song, Y., Yang, L., Chang, H., Wu, Y., Long, H., Miao, X., Dong, Z., 2022. Variations of the intensity of the Siberian High during the Last Glacial revealed by the sorting coefficient of loess‐paleosol deposits in Eastern Central Asia. Paleoceanography and Paleoclimatology 37, e2022PA004468. https://doi.org/10.1029/2022pa004468
