综述：澳大利亚西北部金伯利地区过去65,000年来的水文气候变率

《Quaternary Science Advances》：Hydroclimate variability in the Kimberley region, north-west Australia, over the past 65,000 years

　　

澳大利亚西北部金伯利（Kimberley）地区为考察多重区域气候系统变率提供了重要视角，尤其适用于在人类迁徙与萨胡尔（Sahul）大陆及现今澳大利亚大陆聚落形成背景下开展研究。尽管该地区具有重要意义，但由于其半干旱环境限制了沉积档案保存，且区域偏远，金伯利过去水文气候的重建长期面临挑战。然而，近年来不断增长的研究表明，多种非常规档案类型在重建金伯利水文气候方面具有潜力。本文综合跨越最近65,000年的环境重建成果，系统展示当前对金伯利水文气候的认识现状。综合来看，与全新世（Holocene）相比，金伯利在末次冰期（last glacial）期间总体更为干燥，但不同记录之间仍存在明显差异，尤其是在海洋氧同位素阶段3（Marine Isotope Stage 3, MIS 3）早期，一些记录指示降水量可能高于现代水平。现有记录表明，MIS 2/1转换期可能以干旱条件或高变率为特征，随后进入湿润的早全新世，并在全新世中晚期转入增强的水文气候波动。对于这一广阔区域而言，现有记录仍较为稀缺。未来亟需获取时间跨度长、时间分辨率高的记录，以解决现有记录之间的不一致性，并阐明地方尺度古气候变率及极端事件的潜在成因。

1. Introduction

引言部分明确了金伯利地区在古气候学、第四纪科学及人类迁徙研究中的多重重要性。该区面积超过420,000 km²，受印度—澳大利亚夏季风（Indo-Australian Summer Monsoon, IASM）及浅广大陆架地貌共同控制，对季风活动和海平面变化高度敏感。文章指出，约50 ka前人类已进入该区，因此金伯利的地质档案不仅记录了水文气候变化，也保存了海平面波动与人类定居过程的环境信息。

作者进一步强调，IASM作为亚洲—澳大利亚夏季风系统的重要组成部分，是全球热量输送的重要机制之一。由于未来变暖背景下IASM变化方向和幅度仍存在模式分歧，重建金伯利古水文气候可为古气候模式校验和未来气候模拟提供关键约束。同时，金伯利位于萨胡尔早期人类迁徙潜在线路上，对厘清海洋氧同位素阶段3（Marine Isotope Stage 3, MIS 3）期间人类所面对的环境条件尤为重要，包括该地区是否适宜持续占居、是否存在生态避难所（refugia）等问题。引言还指出，该区具有持续性的原住民文化意义，古环境历史研究也有助于理解原住民土地利用、文化实践与生物文化知识（Biocultural Knowledge）的深时背景。最后，作者说明，由于半干旱环境和区位偏远，传统古环境档案保存和获取受限，但近年土丘泉、陨坑充填、雨林斑块、泛滥平原、洞穴石笋等新型档案的开发，显著推动了区域水文气候重建。

2. Regional setting

本节概述金伯利地区的自然地理、现代气候、植被与土地利用背景。区域位于澳大利亚西北角，地形上包括东部宽广河流盆地与冲积高原、北部砂岩峡谷和崎岖海岸，以及南部半荒漠景观。现代气候表现出显著季节性，5—10月为旱季，11—4月为湿季。年降水量由西北部超过1200 mm向东南部不足600 mm递减，而蒸发量普遍高于降水量，反映出南部半干旱、北部干旱—半湿润的水分状况。

植被方面，区域以热带稀树草原为主，北部因降水较高而树木、灌木更为密集；高地常见桉树林地（Eucalyptus savanna woodlands）及高草、针茅；南部与东部逐渐过渡至大沙地和塔纳米沙漠边缘的沙原与沙丘地貌。海岸带发育红树林，西北部广布土丘泉，局部还保存有受水文缓冲的雨林斑块（vine thickets）。这些生态系统不仅反映现代环境梯度，也构成重要古环境档案载体。文中同时指出，当前区域土地利用以牧业和灌溉农业为主，并包含大面积由传统所有者管理的原住民保护区（Indigenous Protected Areas, IPAs），凸显了现代生态管理与传统知识结合的现实意义。

2.1. Present-day climate influences

本小节讨论控制金伯利现代水文气候的关键过程，并为古气候解释建立动力学框架。最核心的控制因子是印度—澳大利亚夏季风（IASM），其通常在12月至次年3月活跃，通过地表盛行风由东南风转为西北风、季风槽南移以及陆海热力差异增强，带来雷暴、热带低压和热带气旋降水。文中指出，热带辐合带（Inter-Tropical Convergence Zone, ITCZ）的纬向位置通过影响季风降水带南北范围及热带气旋路径，对金伯利降水具有重要调控作用。

此外，印度尼西亚贯穿流（Indonesian Throughflow, ITF）通过调控印度—太平洋暖池（Indo-Pacific Warm Pool, IPWP）和西太平洋暖池（West Pacific Warm Pool, WPWP）向东印度洋的热量输送，影响季风对流区海表温度（sea surface temperature, SST），从而影响季风降水。海平面变化可改变陆海格局及ITF结构，因此在第四纪尺度上具有显著意义。厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o Southern Oscillation, ENSO）则主要通过影响ITCZ位置、降水异常和热带气旋发生频率，对金伯利降水产生调制作用；年代际太平洋振荡（Inter-decadal Pacific Oscillation, IPO）通过调节ENSO进一步影响区域水文气候。相比之下，马登—朱利安振荡（Madden-Julian Oscillation, MJO）、宁格罗尼诺（Ningaloo Ni?o）、印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole, IOD）等因子更多表现为短暂或事件性作用。

3. Chronology

年代学部分说明了本文综合的各类古环境记录所采用的定年方法，包括加速器质谱¹⁴C测年、光释光（optically stimulated luminescence, OSL）、热释光（thermoluminescence, TL）和同位素地层学。文中统一将“距今千年”表示为ka，并对原始未校正¹⁴C年龄采用OxCal 4.4和SHCal20曲线进行校正。研究聚焦过去65 ka，并依照既有分期方案，将讨论组织为MIS 4、MIS 3、MIS 2、MIS 2/1转换期以及早、中、晚全新世，为不同档案之间的区域综合提供时间框架。

4. Changes in past boundary conditions

本节强调过去65 ka中控制季风系统的重要边界条件变化，包括轨道尺度日照量、全球冰量、温室气体浓度和海平面。作者指出，大气CO₂浓度可能通过增强温室强迫影响澳大利亚季风强度；15°S处日照量变化影响驱动季风的陆海热力差异；65°N日照量则通过影响北半球冰盖扩张间接控制全球海平面。对金伯利尤其关键的是海平面变化，因为其不仅改变海岸线位置与内陆站点距海距离，也改变海洋热量和水汽输送路径及海洋性影响向内陆的渗透程度。文中指出，在MIS 4至MIS 2期间，现今海岸附近站点距古海岸线可达350—550 km，这一大陆性增强对区域水文气候解释具有基础性意义。

5. Terrestrial records

陆相记录部分系统综述了沉积岩芯、石笋、地貌证据与考古遗址四类档案。总体上，这些记录共同揭示：MIS 4偏干；MIS 3内部差异较大但总体趋干；MIS 2以干旱或高变率为主；MIS 2/1转换期波动显著；早全新世湿润增强；中晚全新世再度表现出干湿波动。

5.1. Sediment cores

沉积岩芯方面，Bullo River泛滥平原记录提供了持续约65 ka的长序列。地球化学和沉积学指标显示，MIS 4湿季降水较弱，中MIS 3至MIS 2为最干阶段。Birrindudu记录支持MIS 2/1转换前湿季降水偏低的判断。Skull Springs、Black Springs和Gap Springs等较年轻记录则显示，约14—10 ka雨林与蕨类扩张，指示湿润增强；11—7.5 ka为高湿阶段，与King River、Parry’s Lagoon及Bullo River中的高能沉积、C₃植被增加等证据一致。约7.5 ka后，多记录显示淡水影响减弱、雨林成分下降、输沙能力降低。4—1 ka期间Skull Springs炭屑峰值提示火活动增强，与水文气候共同促成雨林收缩。约2 ka后，一些记录显示环境向现代条件改善。

5.2. Speleothems

石笋记录来自Ball Gown Cave和KNI-51，是区域内时间分辨率最高的古降水序列之一。δ¹⁸O主要反映“降水量效应”，δ¹³C则综合受植被、生物活性、方解石沉淀和基岩矿物组成影响，通常在湿润时期降低。Ball Gown Cave记录显示39 ka存在湿润阶段，此后至32—26 ka间记录中断前降水逐步下降。MIS 2期间，两洞石笋均指示湿季降水减少或高度波动。MIS 2/1转换期内，约16 ka降水增强，随后在B?lling-Aller?d阶段减弱，年轻干冷期（Younger Dryas, YD）期间再度增强。早全新世两个站点均显示降水增加，并持续至约7.5 ka。KNI-51记录还显示约4 ka后降水减少，2.0—1.5 ka出现晚全新世最弱湿季降水。

5.3. Geomorphology

地貌记录虽连续性和时间分辨率较低，但在缺乏湖泊和湿地连续档案的半干旱区具有重要价值。Lake Gregory在MIS 4缺乏高湖面证据，但MIS 3前半段出现高湖面；Wolfe Creek Crater显示MIS 3早期至35 ka地下水位高于现今，之后进入持续干旱阶段；Cabbage Tree Creek在37—35 ka记录到湿润期。MIS 2期间，多处风成作用、陨坑沉积和河口沙丘形成指向干旱或高变率状态。约14 ka后，Gregory Lakes Basin、Fitzroy流域和Wolfe Creek均显示降水回升，而Cabbage Tree Creek恢复河流活动稍晚，至12 ka左右。早全新世多个地点记录到极端洪水、冲积作用和红树林受淡水输入增强，表明10.5—5.5 ka期间降水增强。约5 ka后，Lake Gregory快速沙丘堆积、Victoria River三角洲贝脊形成及Cape St Lambert沙丘活动增强，提示中晚全新世干旱事件和气候变率增加。

5.4. Archaeological sites

考古遗址既记录人类活动，也保存植被与水分条件变化信息。Carpenter’s Gap 1遗址表明人类至少在51—45 ka已活动于金伯利。植物硅酸体、孢粉和大植物遗存分析显示，在约44 ka之前，当地环境较现代更湿润，混交植被更为茂密，棕榈分布较现代更偏南。约38 ka起，草地组成与棕榈减少表明水分条件下降或火频率上升。沉积微形态学与Riwi Cave木炭分析也支持整个更新世后期逐渐干旱并在MIS 2强化的趋势。尽管趋干，24—10 ka之间Carpenter’s Gap仍保存少量藤本灌丛和季风雨林成分，表明湿润生态斑块并未完全消失。全新世期间，考古记录显示人类活动增强，并与早全新世湿润化相伴；晚全新世植被则转向适应干旱和高变率条件的类型。

6. Marine records

海相记录主要来自帝汶海、班达海及西北澳大利亚外海，通过黏土矿物、孢粉、微体化石、有机地球化学和元素地球化学等指标重建区域水文气候。作者指出，虽然这些记录受海平面变化、河口距离变化和洋流调整影响，其陆源组分主要来自Ord河、Victoria河和Fitzroy河，因此仍能部分反映金伯利环境。总体上，海相记录显示降水具有明显冰期—间冰期旋回：MIS 4与MIS 2降水较弱，MIS 1较湿润。对于MIS 3，部分记录认为降水低于现代，另一些则认为较MIS 4略湿，但总体仍未达到全新世水平。38 ka以后，多条记录显示草地扩张和陆源输送变化，指示夏季降水逐渐下降。MIS 2期间，花粉与微体化石证据普遍支持显著干旱。约13 ka后，河流径流和陆源输入增强表明湿润化开始，而早全新世海相记录一致支持强降水、红树林扩张和暖湿环境。中晚全新世海相孢粉记录则显示湿季降水减弱，与陆相证据基本一致。

7. Synthesis

综合部分指出，现有记录在长期趋势上具有较强一致性：MIS 4与MIS 2整体偏干；MIS 3较MIS 4和MIS 2稍湿，但总体仍较全新世干；约17—13 ka开始湿度上升；早全新世达到湿润高值；约5 ka后湿度下降并在中晚全新世出现更高变率。对于MIS 3早期，一些湖泊和地下水记录指示降水可能高于现代，但这一结论与海相记录及Bullo River等陆相连续记录存在冲突，因此这些高湿信号可能代表局地或极端事件，而非持续性区域季风增强。作者据此认为，尽管区域平均图景可以建立，但关键时期尤其是MIS 3和MIS 2/1转换期仍存在显著不确定性。

7.1. Comparison between model outputs and proxy records in the kimberley

文章将Weather Research and Forecasting model（WRF）在21 ka、12 ka和6 ka三个时间片的降尺度模拟结果与代理记录进行对比。21 ka模拟表明湿季降水较工业化前减少0.5—3 mm day^?1，温度低3—5°C，这与代理记录所示干燥状态一致。12 ka模拟仍显示较低降水，但与不少代理记录所指示的约14—12 ka起湿润回升相矛盾，作者认为这可能与该时间片处于强波动末段有关，也可能反映模型时间选择稍早。6 ka模拟在多数地区仍给出低于工业化前的降水，但许多经验记录显示此时仍处于早全新世湿润峰值向下降阶段，提示模式与记录之间在中全新世降水量级和空间格局上仍需进一步协调。

7.2. Key uncertainties

关键不确定性主要体现在三个方面。其一，北部和西南部金伯利长序列、高分辨率记录稀缺，限制了对季风槽纬向摆动及区域差异的判读。其二，MIS 2究竟是持续干旱还是强变率时期，尚难定论，因为不同代理可能同时响应温度、CO₂和植被变化，而不仅仅是水分变化。其三，海平面变化引起的大陆性增强与季风本身强度变化难以分离，尤其在浅广的Sahul陆架背景下，这一问题对解释第四纪水文气候尤为关键。对于MIS 4与MIS 3，由于记录过少，尚不能充分厘清IASM与其他气候驱动因子的耦合关系，也无法确定早期高湿信号究竟代表持续湿润背景还是孤立强降水事件，这对解释早期人类活动空间格局具有直接影响。

7.3. Opportunities

未来研究方向包括：推进原住民主导或伙伴式研究；获取更高分辨率、定年更精确的记录；扩大区域空间覆盖；提高重建结果的定量化水平。作者特别强调应继续开发宁宾（Ningbing）和纳皮尔（Napier）山地石笋档案，以延伸MIS 3以前序列并弥补现有缺口；在西北部可进一步利用土丘泉和雨林斑块建立孢粉转换函数（transfer functions）；在东南部则应更多依赖泛滥平原、湖泊、沙丘等沉积—地貌档案。海洋岩芯作为长时间尺度区域记录同样具有优势，未来可通过拓展代理指标与改进年代对比加强海陆记录联动。总体而言，填补金伯利古环境记录的时空空白，不仅有助于揭示第四纪季风驱动机制，也能为北澳早期人类迁徙、定居及原住民生态知识形成提供更坚实的环境背景。