东亚全新世洪水事件与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象及西太平洋暖池动力系统的相互作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Holocene flood clusters in East China driven by coupled ENSO-Western Pacific Warm Pool dynamics

中晚全新世黄淮海平原季风过渡区古洪水记录与气候驱动机制研究，通过Xichen遗址的沉积物多代理分析（粒度、地化学、OSL测年），识别出四次大洪水事件（4800–4600、4000–3600、3250–2750、1250–835 cal yr BP），揭示ENSO和WPWP协同作用主导洪水群发，为未来气候变化下的洪水风险评估提供千年尺度依据。

　　

梁周|严苏|李玉凡|尚正|韩辉|卢鹏|王佩佩|陈学祥|余世勇

中国江苏省徐州市江苏师范大学地理、地理信息与规划学院区域可持续发展系统分析与模拟重点实验室，邮编221116

摘要

预计在人为气候变化的影响下，全球未来的洪水风险将增加，然而极端洪水在百年到千年尺度上的重现模式仍然知之甚少，尤其是在像中国东部的淮河流域这样的气候敏感过渡带。为了解决这一难题，本文基于泗河（淮河的一个主要支流）的西陈遗址，提供了中全新世至晚全新世的古洪水记录。通过结合粒径分布、地球化学元素分析和光释光（OSL）测年等多方法，我们识别并重建了一系列极端溢流洪水的发生时间和规模。共识别出四次重大洪水事件，分别发生在4800–4600年、4000–3600年、3250–2750年和1250–835年前。基于粒径的洪水能量指数（FEI）显示，从中全新世到晚全新世，峰值洪水能量总体上有所下降，但在约4000年前后，背景平均FEI有所上升，表明洪水频率向更频繁的中等强度洪水转变。与区域古洪水档案和全球气候代用指标的比较表明，太平洋动力学对沂沭泗河流域的洪水发生具有显著影响。增强型洪水事件可能由类似拉尼娜的条件以及更温暖的西太平洋暖池（WPWP）驱动，这促进了西太平洋副热带高压带的北移，并加剧了该流域的梅雨降雨。我们的发现突显了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和西太平洋暖池（WPWP）对全新世洪水聚集的协同影响，为评估持续气候变暖背景下季风过渡带的未来洪水风险提供了长期视角。

引言

全新世期间，突发的气候变化常常表现为极端水文事件，包括特大干旱和灾难性洪水（Knox, 2000）。在当代全球变暖的情况下，这些极端事件继续在全球范围内造成深远的社会、经济和生态破坏（Schiermeier, 2011; Munoz et al., 2018; Gu et al., 2020; Zhou et al., 2021）。古水文事件的规模和持续时间往往超过仪器记录期间的情况（Hirabayashi et al., 2013）。然而，由于测量记录的短暂性和洪水发生的固有随机性，理解极端洪水的长期动态和气候驱动因素受到限制（Munoz et al., 2018; Wilhelm et al., 2018）。因此，通过保存完好的沉积档案将洪水历史延伸至全新世，并精确确定其年代，对于改进未来洪水灾害的预测至关重要。

已经使用了多种自然档案来重建古洪水历史，包括河谷中的静水沉积物（Huang et al., 2012a, Huang et al., 2012b; Zhou et al., 2016; Zhang et al., 2019）、废弃河道中的溢流沉积物（Toonen et al., 2012; Munoz et al., 2018）、高山湖泊沉积物（Wilhelm et al., 2018），以及基于洞穴沉积物的代用指标，如δ¹⁸O和磁性矿物（Denniston and Luetscher, 2017; Zhu et al., 2017）。其中，保存在泛滥平原序列中的溢流沉积物（OFDs）因具有较高的保存潜力、地层连续性和可获取性，特别适用于重建百年到千年尺度的洪水频率和规模（Toonen et al., 2015; Ishii et al., 2017; Peng et al., 2019）。因此，泛滥平原河流档案已成功应用于从北美和欧洲到东亚的多个地区的古洪水研究（Wang and Leigh, 2012; Toonen et al., 2012; Gutiérrez et al., 2017; Ishii et al., 2017; Wu et al., 2017）。

对中国主要河流流域的研究揭示了全新世气候变率与洪水制度之间的复杂相互作用。在长江流域，极端洪水与东亚夏季风（EASM）减弱以及强烈的厄尔尼诺事件有关（Wu et al., 2017; Zhou et al., 2021; Guan et al., 2022）。相反，黄河中游在寒冷干燥时期和气候过渡期间频繁发生洪水（Huang et al., 2012a, Huang et al., 2012b; Zhang et al., 2015, Zhang et al., 2019），而黄河下游在强烈的拉尼娜条件下经历了重大洪水事件（Yu et al., 2020）。这种空间异质性突显了一个关键的知识空白：这些主要流域之间的季风过渡带中极端洪水的驱动机制仍不明确（Kundzewicz et al., 2020）。

沂沭泗河流域位于中国东部湿润区和半湿润区之间的气候边界，是解决这一问题的理想自然实验室。该流域位于东亚夏季风的北部边缘，因此对太平洋动力学，特别是厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和西太平洋暖池（WPWP）极为敏感。这种气候敏感性使得该流域极易发生严重洪水，过去千年的历史记录也证明了这一点（Zhou et al., 2002; Shen et al., 2015）。此外，该流域因纳入南水北调工程（SNWDP）而具有战略重要性，任何洪水频率或规模的增加都可能严重威胁到数百万人的水资源安全和生计。

本文基于泗河流域的西陈（XC）遗址，提供了中全新世至晚全新世的精确年代的高分辨率古洪水记录。通过多方法分析溢流沉积物，并结合区域古洪水及古气候数据集，我们旨在（1）重建极端洪水事件的发生时间和规模；（2）阐明东亚夏季风变率和太平洋动力学（ENSO和WPWP）对该脆弱过渡区洪水发生的相对影响。我们的发现为评估全球变暖背景下季风过渡带的未来洪水风险提供了千年尺度的视角。

地理环境和遗址描述

沂沭泗河流域由沂河、沭河和泗河组成，发源于太行-沂山山脉，最终通过淮河流入黄海，淮河是中国第四大河流（图1）。该流域的总面积约为8.0×10⁴平方公里。沂沭泗河流域也是中华文明的发源地之一，拥有丰富的考古记录和众多古代定居点（Long et al., 2017）。

泗河位于

采样

2019年9月的野外考察中，在泗河流域的辽河沿岸发现了多个含有溢流沉积物（OFDs）的遗址。选择了一个暴露良好、未受干扰的泛滥平原剖面（以下简称XC）进行详细采样和分析。在清理露头表面并进行详细岩性描述后，每隔10厘米采集了一批沉积物样本。

地层和年代

详细的岩性描述见表1。XC剖面主要由灰黄色淤泥组成，其中夹杂着四层古砂质水平层和波状层，这些层代表溢流沉积物（OFDs）（图2a, b, c）。这些OFDs与相邻沉积单元之间存在明显的不整合界面。根据沉积物的质地、结构和颜色，XC剖面可以分为三个地层单元。

单元 1（1050–963厘米）包含两个子单元（图2d；

古洪水沉积物的识别

粗粒沉积物，尤其是泛滥平原序列中的床荷物来源的EM4和EM5层，表明与重大洪水事件相关的高能量水动力条件（Toonen et al., 2015; Peng et al., 2019; Guan et al., 2022）。这一解释通过沉积元素的地球化学分析得到了进一步证实。地球化学分析为识别高能量水文事件提供了可靠的依据（Zhang and Zhou, 2020; Zhou et al., 2021）。

结论

本研究对沂沭泗河流域的XC剖面进行了系统的多方法分析，以重建中全新世至晚全新世的古洪水事件，并探讨其气候驱动机制。基于粒径、地球化学和年代分析的综合结果，我们在中全新世地层中识别出四个独立的溢流沉积物（OFD）层（OFD1–OFD4）。我们对区域古洪水记录的整合表明，极端溢流

作者贡献声明

梁周：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学研究，数据收集，概念化。严苏：撰写 – 原稿，数据管理。李玉凡：研究，数据管理。尚正：撰写 – 审稿与编辑，研究。韩辉：撰写 – 审稿与编辑，研究。卢鹏：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究。王佩佩：研究，数据管理。陈学祥：撰写 – 审稿与编辑。

未引用的参考文献

Alley et al., 2003

An et al., 2021

Baker, 1987

Baker, 2008

Fang, 2003

Huang et al., 2013

Jia et al., 2017

Kirby et al., 2010

Li et al., 2021

Lian et al., 2018

Lim et al., 2013

Luan and Wagner, 2009

Ouyang et al., 2014

Shi, 1996

Zhou et al., 2011

利益冲突声明

无。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42477477和41706096）、考古学古环境重建与生计研究重点科学基地（山东大学）以及国家文物局（项目编号SDULA202501）的支持。