轨道时间尺度气候变化是古气候学中研究程度最深、理论体系最为完善的内容之一。自20世纪90年代开始，学术界在东亚夏季风周期规律和米兰科维奇冰期旋回理论验证、季风气候动力学（高、低纬驱动）等方面取得一系列具有重大国际影响的成果。但是，仍有若干重大问题尚未解决。其中之一就是，东亚季风系统轨道尺度变率是如何响应2.7 Ma“北半球大冰期加剧”（Intensification of Northern Hemisphere Glaciation）？研究的难点在于，环境记录的沉积过程往往比较复杂、指标存在多解性，由此导致不同研究揭示的季风周期规律往往互相矛盾。因此，揭示2.7 Ma前后季风周期规律的基本事实，仍是东亚季风研究面临的重要任务。
在郭正堂院士的指导下，中国科研实验室地质与地球物理研究所岩石圈演化与环境演变全国重点实验室的博士生张浣荻，与导师郝青振、邓成龙、史锋、秦小光等老师合作，对大同盆地的钻孔岩心召开了系统的沉积学和古气候学研究，从盆地水文变化的角度，为认识3.6–1.8 Ma期间东亚夏季风周期变化规律给予了关键证据和认识。
DY-1钻孔位于山西地堑系大同盆地东北部的沉降中心之一。研究区处于季风-干旱区的过渡地区，对东亚夏季风强度的变化敏感，该区年均降水量为300–400 mm，其中> 70%的降水来自夏季风。DY-1钻孔岩心沉积是一套难得的古气候记录：钻孔位于冲积扇（坡度在1–1.5°之间）的远端与盆地内湖泊过渡的位置，对于季风降水引起的流域水文变化非常敏感；这套沉积以粉砂质沉积为主（图1e），3.6–1.8 Ma之间地层沉积模式简单，先后为湖心相沉积、湖相-冲积平原交互沉积，其中的冲积平原相层是平缓冲积扇远端的片流沉积。因此，这种沉积模式的地层能够相对陆续在地记录夏季风控制的水文的变化。
对大同钻孔召开了粒度、色度、频率磁化率等测量，其中粒度和色度的分析间距为10–20 cm，时间分辨率为2.5千年/样品。年代标尺是根据毕云鹏等（2022, Palaeo. Palaeo. Palaeo.）的磁性地层结果，利用粒度权重模型内插建立的。在指标学研究的基础上，召开了多窗谱分析、陆续在小波分析、集合经验模态分解等周期分析，系统研究了季风周期性演变、不同周期组分的贡献，取得了如下进展和认识：
（1）结合沉积相分析，提出两个最细的粒度端元组分EM1和EM2（众数粒级分别4.2、10.8 μm）之和，即（EM1+EM2）%，可以作为夏季风降水的指标（图1d）。（EM1+EM2）%高值对应湖相沉积阶段的高湖面，或者湖相-冲积相交互沉积阶段的湖相层，指示夏季风降水增强，反之亦然。
图1 大同盆地DY-1钻孔岩心沉积的磁化率、粒度和色度的高分辨率时间序列与沉积速率变化。（a）线性沉积速率（SAR）；（b） 样品红度a*；（c） 粒度端元组分含量（EM4+EM5）%；（d）粒度端元组分含量（EM1+EM2）%；（e） 中值粒径；（f）频率磁化率χfd。指标的变化指示在∼2.7、∼1.8 Ma发生阶段性湖退
（2）（EM1+EM2）%时间序列的阶段性变化揭示，自3.6 Ma以来，东亚夏季风的整体强度在~2.7 Ma、1.8 Ma经历了2次阶段性减弱，其中2.7 Ma对应北半球大冰期加剧的时间、1.8 Ma对应格拉斯阶/卡拉布里雅阶界限（在第四纪底界下移至2.6 Ma之前，1.8 Ma曾长期作为第四纪下界）。
（3）（EM1+EM2）%时间序列的旋回性变化揭示，在3.6‒2.7 Ma, ~41-kyr周期（44-kyr）为主要周期（图2a、图2c），在偏心率、斜率、岁差三个周期组分中，方差贡献最大（达20%）；而2.7‒1.8 Ma，~100-kyr周期（83-kyr和138-kyr）周期组分贡献最大（图2b, d），其中83-kyr周期组分的方差贡献为19.1%，高于斜率和岁差的贡献。这表明在2.7Ma前后，东亚夏季风主导周期发生转型，由晚上新世~41-kyr主导周期转为早更新世~100-kyr周期。
图2 DY-1钻孔岩心沉积3.6‒1.8 Ma （EM1+EM2）%时间序列的陆续在小波变换和多窗谱周期分析结果。（a）和（c）分别为 3600−2717 ka时段陆续在小波变换和多窗谱分析结果；（b）和（d） 分别为2717−1837 ka时段陆续在小波变换和多窗谱分析结果
（4）上述周期转型与深海氧同位素曲线显示的2.7 Ma以后4万年周期增强截然不同，但与北半球高纬度地区的海表温度证据具有吻合性。在北大西洋ODP982站位（58°N），海表温度（SST）序列的“偏心率与斜率周期组分贡献的比值” （即方差贡献比值（C5+C6）/C4），由3.6‒2.7Ma的1.02提高到2.7‒1.8 Ma的1.15。与北半球高纬SST周期耦合性变化指示夏季风100-kyr周期的加强可能源于北半球高纬度信号。而在晚上新世，季风的41-kyr周期由太阳辐射经向梯度或者低纬过程驱动。
学术界长期认为，早更新世为41-kyr的主导周期，在中更新世革命（1.2‒0.7 Ma）之后转变为100-kyr主导周期。而这项研究表明，2.7‒1.8 Ma期间东亚夏季风具有~100-kyr主导周期，且与北极信号有关。这一结论暗示，学术界可能需要重新思考，深海氧同位素揭示的早更新世41-kyr主导周期是否客观反映了北极气候的变化，这是第四纪轨道尺度气候动力学研究的新线索。
此外，在晚上新世单极冰盖为主的时期，东亚夏季风气候周期为地轴斜率的41-kyr周期，这对理解未来全球变暖场景下，格陵兰冰盖消融后，仅南极冰盖存在的场景下，东亚季风气候变化规律具有借鉴意义。
研究成果发表于国际学术期刊JGR-Atmos （张浣荻，郝青振，庞尔成，孙永硕，刘玉龙，卞秋曼，史锋，秦小光，谭程鹏，高新勃，邓成龙，郭正堂. Shift of the dominant orbital periodicity of the East Asian summer monsoon linked to the intensification of Northern Hemisphere Glaciation at 2.7 Ma[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2025, 130: e2024JD042603. DOI: 10.1029/ 2024JD042603.）。研究受科技部国家重点研发计划（2023YFF0804600）、国家自然基金委基础科学中心项目（42488201）、中国科研实验室先导专项项目（XDB0710000）等的联合资助。
张浣荻（博士生）
