西风与印度夏季季风在晚第四纪期间印度西北部克什米尔山谷气候变率中的共同作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Coupled role of Westerlies and Indian Summer Monsoon in the climatic variability of Kashmir Valley, NW India during the Late Quaternary

气候重建；Karewa palaeolake；西风带与季风耦合；矿物磁性；同位素分析

　　

作者名单：Shirish Verma、Binita Phartiyal、Shailesh Agrawal、P. Morthekai、M.C. Manoj、Rakesh Chandra、Lakhi Narayan Sahu、Sumit Sagwal、Pankaj Kumar、Abhayanand Singh Maurya

研究机构：Birbal Sahni古科学研究所，地址：印度北方邦勒克瑙大学路53号，邮编226007

摘要

本研究通过分析Karewa古湖沉积物中的百年尺度多指标数据，重建了过去4.2万年来克什米尔山谷的气候变化情况。主要使用的指标包括矿物磁参数、颗粒大小分析（End Member Analysis, EMA）、与沉积物相关的有机物的稳定碳同位素（δ¹³C值）、总有机碳含量（TOC），以及介形虫壳中的δ¹³C和δ¹⁸O值。通过光释光和AMS ¹⁴C测年技术确定了沉积物的年代。研究结果表明，西风和印度夏季季风（ISM）之间的相互作用对区域古气候产生了显著影响，两者交替主导导致了不同的气候阶段。在沉积层中识别出了13个不同的气候区（CZ1–CZ13）。西风强度增强的时期分别发生在约40.6–38.2 ka、34–29.4 ka、28.5–27 ka、24–16.5 ka、11.9–10.3 ka和9.1–7.1 ka；而印度夏季季风影响增强的时期则分别对应于38.2–34 ka、29.4–28.5 ka、27–24 ka、16.5–11.9 ka、10.3–9.1 ka和7.1–1.4 ka。这些气候变化与全球主要气候事件（如海因里希事件H1–H4、末次冰盛期LGM、新仙女木期YD和全新世气候最适宜期）相吻合：寒冷时期（西风主导）对应于MIS 3阶段的海洋同位素阶段2和海因里希阶，而温暖时期（印度夏季季风主导）则与丹斯加德-奥施格间冰期及全新世早期太阳辐射峰值相对应。这些模式反映了外部太阳辐射和内部海洋-大气反馈机制的影响，尤其是大西洋经向翻转环流（AMOC）的波动。值得注意的是，西风增强通常伴随着AMOC的减弱。有机碳的δ¹³C值变化表明，在较冷的时期，C?植被占主导地位；介形虫壳中的δ¹³C值则表明湖泊中同时存在大气和水源的二氧化碳输入；δ¹⁸O值则反映了受区域温度、降水和蒸发作用影响的湖泊水分平衡变化。

引言

西北喜马拉雅地区的气候受两大主要大气环流系统——西风和印度夏季季风（ISM）的控制。这些环流模式的动态受多种因素影响，包括太阳辐射、压力梯度、高纬度冰盖的融化以及热带辐合带（ITCZ）的位置变化（Clemens和Prell, 1991; Prell和Kutzbach, 1992; Juyal, 2009; Kotlia, 2015）。在克什米尔山谷，尤其是Karewa盆地，气候同时受到中纬度西风和印度夏季季风的影响，其相对强度随季节和海拔高度而变化。这是由于南部和西南部的Pir Panjal山脉形成的地形屏障限制了ISM进入山谷（Dixit和Tandon, 2016）。西风的强度受北大西洋与喜马拉雅-青藏高原之间的温度和压力差的影响（Lauterbach等人, 2014; Wolff等人, 2017; Rahman, 2024）（图1A）。近期研究表明，克什米尔地区的降水量主要受中纬度西风影响，在西北喜马拉雅地区，这一影响通常在10月至12月最为显著，尽管也有研究将西风显著影响的时期延长至5月（例如Jeelani等人, 2021）。这种季节性变化会显著影响对西风和印度夏季季风相对贡献的评估（图1C）。西风和印度夏季季风之间的相互作用在Karewa盆地形成了复杂的水文气候条件。类似的气候动态也出现在其他山区盆地，如乌塔拉坎德邦的Goting和斯皮蒂山谷，那里的高喜马拉雅山脉限制了ISM的影响。然而，在某些异常强烈的季风年份，这些地区仍会经历夏季降雨（Bookhagen等人, 2005; Juyal, 2009; Phartiyal等人, 2013）。同样，在这些时期，当携带水分的风通过山区通道进入山谷时，Karewa盆地也会出现夏季降水（Jeelani等人, 2017）。 从地质学上看，Karewa盆地北东北部被大喜马拉雅山脉环绕，南西南部被Pir Panjal山脉包围。Pir Panjal山脉的抬升导致河流向北流动受阻，形成了一个大型湖泊，即现在的Karewa湖（Singh, 1982; Kotlia, 1990）。该盆地经历了低能量的湖泊沉积阶段，其间穿插着高能量的河流沉积事件，表现为盆地边缘快速抬升形成的厚层砾岩沉积（Kramer和Holmes, 2009）。随着湖泊干涸，这些河流-湖泊沉积物上覆盖了风成黄土。数十年来，许多研究者从不同角度对这些沉积物进行了研究，包括古植物学（Puri, 1948）、古生物学（Bhatia, 1968; 1975; Kotlia, 1990; Kramer和Holmes, 2009）、岩层学（Bhatt和Chatterji, 1976; 1982; Bhatt, 1989）、沉积学（Singh, 1982）、古气候学（Krishnamurthy等人, 1986）和地质年代学（Burbank和Johnson, 1982; Agrawal等人, 1989; Basavaiah等人, 2010）。上覆的黄土-古土壤序列进一步被用于确定年代（Kusumgar等人, 1980; Singhvi等人, 1987; Meenakshi Kumar等人, 2018）并推断过去的气候条件（Chandra等人, 2016）。此外，附近的Wular湖泊也用于古气候重建（Lone等人, 2019; Lone等人, 2022; Verma等人, 2023; Rahman, 2024）。 尽管有这些广泛的研究，但许多先前的研究在时间上仅限于晚全新世，或者在方法上受到限制，通常依赖于单一指标。为填补这些空白，本研究采用了多指标方法，重建了Karewa盆地从约4.2万年前到1.4千年前的高分辨率古气候记录。使用的方法包括环境磁学、颗粒大小分析、碳同位素比值（δ¹³C值和总有机碳含量（TOC）、介形虫壳中的稳定同位素（δ¹³C和δ¹⁸O值），以及光释光和¹⁴C AMS测年技术。本研究的主要目标是：(i) 探究晚第四纪期间克什米尔地区的气候变化；(ii) 分析西风和印度夏季季风在塑造盆地气候中的作用；(iii) 重建古植被和过去湖泊状况，以提供生态学见解。

研究区域

Karewa古湖沉积物广泛分布在克什米尔山谷，覆盖面积约为5000平方公里。这些沉积物是重要的古气候和古环境信息档案，根据磁层学研究，其积累始于约440万年前（Basavaiah等人, 2010）。从岩层学角度来看，这些沉积物被归类为Karewa组（Bhatt, 1982），该组进一步分为三个主要地层：Hirpur、Nagaum...

方法论

本研究在克什米尔山谷的Parigam村附近采集了路边露头样本。从约14米厚的Pampore地层（Nagaum组）中，以约8–10厘米的间隔采集了158个样本（Bhatt, 1989）。分析了多种指标，包括物理、生物和无机指标，以重建过去的气候变化。

Parigam地层的岩性和年代

Parigam地区的约14米厚的河流-湖泊沉积序列包含粘土、粉砂和砂沉积物（图2），详细的岩性描述见表1。通过五个光释光数据和两个¹⁴C AMS测年结果（表2, 表3），确定了沉积物的年代范围为约41,830至1400千年前。光释光测量用于估算等效剂量和衰减率。

基于EMA推断的沉积物运输过程

颗粒大小分析为解析复杂的颗粒分布和识别沉积物产生、运输和沉积的主要过程提供了有力框架（Dietz等人, 2021）。在Karewa古湖系统中，沉积物的来源和运输机制多种多样，这体现在本研究识别出的四个不同类型的沉积物组分（EMs）中：EM1（细粉砂，约8微米）、EM2（中粉砂，约36微米）、EM3（细砂，约121微米）...

结论

本研究基于对Karewa古湖沉积物的多指标分析，提供了西北喜马拉雅地区的古气候记录，时间跨度为约41,830年前至今。结果表明，西风和印度夏季季风在塑造克什米尔山谷的气候变化中发挥了重要作用，它们之间的相互作用调节了沉积物沉积、水文动态和湖泊生产力。在西风强度增强的寒冷时期...

作者贡献声明

Shirish Verma： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、方法设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。 Binita Phartiyal： 负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、结果验证、项目监督、资源协调、概念构思。 Shailesh Agrawal： 负责撰写、审稿与编辑、方法设计。 P. Morthekai： 负责撰写、审稿与编辑。 M.C. Manoj： 负责撰写、审稿与编辑。

未引用参考文献

Agrawal等人, 2015 Badino等人, 2020 Bhatia, 1985 Clark等人, 2009 Dad, 2021 Dar等人, 2021 Dash等人, 2022 Dietze等人, 2021 Farquhar和Sharkey, 1982 Franks等人, 2013 Ghosh等人, 2015 Hetherington和Woodward, 2003 Hutjes等人, 1998 Indermuhle等人, 1999 Jiang等人, 2011 Keenan等人, 2014 Khan等人, 2022 Lawson和Blatt, 2014 Lin等人, 2015 Liu等人, 2021 Lone等人, 2020 McAusland等人, 2016 Meenakshi Shrivastava和Chandra, 2020 Mott, 2009 Murray等人, 2019 Reimer等人, 2020

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢 作者感谢Birbal Sahni古科学研究所的主任提供的支持（BSIP/RDCC/34/2025-2026）。SV感谢CSIR提供的博士研究奖学金（文件编号09/528(0029)/2020-EMR-I）。作者还感谢Midhat Fayaz博士和Rajveer Sharma在野外工作和放射性碳测年分析方面的协助。