末次冰消期西太平洋暖池上层海温千百年尺度变化

西太平洋暖池是全球气候系统中最主要的海洋热源,暖池区表层海温的变化与低纬度大气环流紧密联系,而温跃层变化能够调控暖池区上层海水热含量和结构.为探索末次冰消期(末次冰盛期到全新世的过渡期)暖池区的上层海水温度变化,利用暖池核心区MD01-2386孔岩芯,分析混合层和温跃层浮游有孔虫壳体的δ18O和Mg/Ca指标,重建末次冰消期十年际分辨率的表层和温跃层温度记录.结果表明:(1)末次冰消期早期,表层和温跃层海水在20～21 ka展现小幅度的初始升温,与岁差参数的起始降低同步;(2)与海因里希冷事件1和新仙女木事件近乎同一时段,表层和温跃层海温都表现出升温停滞的平台;(3)冰消期过程中温跃层海温的变化幅度始终大于表层海温.表层和次表层浮游有孔虫的δ18O以及Mg/Ca温度变化与婆罗洲石笋δ18O的变化趋势高度吻合,反映了末次冰消期暖池核心区的温跃层动力、表层海温和大气对流活动之间的耦合关系.对比赤道外暖池区的降水指标记录,提出西太平洋暖池大气对流中心的位置迁移或强度变化是解释末次冰消期千年尺度变化期间暖池区降水变化区域差异的主要原因.另外,百年尺度上暖池上层水体指标记录都体现了明显的220～260 a的周期,与太阳活动的Suess周期近似,可能反映了暖池区上层水体变化对太阳活动的响应.     

夏季亚洲-太平洋热力差异年代-百年尺度变化与太阳活动

利用重建的近千年亚洲-太平洋涛动指数和太阳辐照度时间序列, 用统计方法研究了夏季亚洲与其周边的海陆热力差异在年代-百年际时间尺度上的变化特征及其与太阳辐照度的关系, 结果表明: 亚洲季风区热力差异存在着90 a 左右、10~13 和3~7 a 的周期振荡; 在百年尺度上, 热力差异表现出3 次明显突变, 它们分别发生在1305~1315 年、1420~1430 年以及1625~1635 年. 海陆热力差异与太阳辐照度之间有显著正相关, 并且在250, 120~160, 60~70 a 以及15 a 变化周期上, 二者的联系更显著. 热力差异的3 次突变分别对应着太阳辐照度的明显减弱或加强, 并且滞后太阳辐照度突变时间12~22 a, 可能反映了太阳辐射对亚洲季风气候百年尺度突变的一种影响; 在年代尺度上, 热力差异突变与太阳辐照度关系不紧密, 说明太阳活动可能不是影响亚洲-太平洋热力差异年代际突变的主要因子. 与亚洲-太平洋热力差异比较, 北半球年平均表面气温的年代际突变与太阳活动的关系更紧密, 而气温百年尺度的突变与太阳活动关系较弱.     

两类El Nio的发生与赤道太平洋次表层海温异常

通过资料分析,对比了东太平洋型El Nio(EP-El Nio)和中太平洋型El Nio(CP-El Nio)的生消演变与赤道太平洋次表层海温异常的关系.其结果表明:两类El Nio与赤道西太平洋次表层海温异常都有明显的负相关,但在不同相位阶段相关性的变化明显不同;两类El Nio的发生与赤道温跃层结构的变化密切相关,但其生消演变过程中温跃层东西向的梯度和显著变化的区域以及温跃层振荡的幅度和时间都有显著差异;两类El Nio生消过程中,赤道次表层海温异常的传播演变均起到了重要作用,但在暖SOTA的聚集时间、强度、持续时间以及位相反转等方面存在较大差异.此外,两类El Nio事件中,次表层海温异常的传播有着明显不同的路径:东太平洋型主要的传播回路在赤道及其北侧,在赤道以南虽有SOTA的传播,但没有形成显著的回路;而中太平洋型主要的传播路径在赤道及其南侧,在赤道以北其传播路径则远不如赤道以南清晰.本文还初步讨论了两类El Nio与赤道纬向风异常关系的异同,结果表明EP-El Nio更多是对赤道中西太平洋大范围异常西风的响应;而CP-El Nio则更多是对赤道西太平洋地区异常西风的响应,并且一定程度上需要赤道东太平洋区域异常东风的配合.     

江淮梅雨和赤道太平洋区域海温变化的关系

江淮梅雨由江南梅雨和淮河梅雨两个部分组成. 江南梅雨集中在6月下旬, 淮河梅雨出现在7月上中旬. 1998年以来, 江南梅雨、赤道太平洋的表层和次表层海温异常都经历了重大的年代际调整. 进入21世纪以来, 江南梅雨量与淮河梅雨量之间出现了完全相反的趋势变化和准两年振荡. 1999~2000年的强La Niña之前, 海洋增暖在赤道东太平洋. 进入21世纪以来, 赤道太平洋次表层海温距平信号集中在日界线附近露头, 是赤道中太平洋表层海温增暖的早期信号. 2003, 2005和2007年是淮河流域的多降水年, 也是前期冬春赤道中太平洋海温正距平的年份. 一个关系表明, 冬春赤道东(中)太平洋的增暖事件对应江南地区(淮河流域)梅雨量偏多.     

太阳活动与地球表面温度变化的周期性和相关性

基于太阳黑子历史数据、太阳总辐照(TSI)重构数据和实测地球表面平均温度数据(全球、陆地、海洋),利用小波分析和交叉相关分析等方法,考察了太阳活动和地表温度变化在数百年时间尺度上的周期性及相关性.主要结果有:(1)在所考察的时间范围内,太阳活动(包括黑子和太阳总辐照)存在4个置信度高于95%(白噪声)的主周期变化,分别为11 a周期、50 a周期、世纪周期和双世纪周期,全球温度存在64.3 a的主周期变化,接近太阳活动的50 a周期;(2)太阳活动与全球温度变化具有22,50 a的显著共振周期;(3)太阳活动与地表温度长期变化的相关性高于其短期变化的相关性,以黑子为例,它与地表温度年均值的相关系数为0.31~0.35,11 a滑动平均值相关系数为0.58~0.70,22 a滑动平均值相关系数为0.64~0.78,太阳总辐照与地表温度的相关性高于黑子与地表温度的相关性;(4)太阳活动在近100年里有明显增强,它与全球温度(包括陆地、海洋)近100年的升温是一致的,太阳活动与海洋温度的相关性略高于太阳活动与陆地温度的相关性.这些结果表明,太阳活动在百年时间尺度上对于地表温度的变化具有不可忽略的影响.     

热带印度洋偶极子与ENSO事件关系的年代际变化

利用3种百年尺度的海温资料以及来自NCEP/NCAR的大气场资料, 本文探讨了热带印度偶极子和太平洋ENSO事件关系的年代际变化. 在1948~1969阶段, 正(负)位相的偶极子与暖(冷)ENSO事件表现出较多的相对独立性, 但是1970年之后, 它们经常同时发生. ENSO影响偶极子事件的整个生命史, 而偶极子主要影响ENSO事件的发展阶段. 通过分析海温背景场、低层风场以及沿赤道的垂直速度的年代际变化, 本文揭示出偶极子与ENSO关系的年代际变化可能是1970年以后与增强的Walker环流相伴随的海洋性大陆上空加强的垂直运动所导致的. 1970年以后异常增暖的海洋性大陆周围的海水导致了低层风场的异常辐合以及上空对流活动的加强, 从而使得热带东印度洋和西太平洋之间的海水交融加强, 由此, 热带印度洋偶极子事件和太平洋ENSO事件的相互影响相互联系变得更加紧密.     

全球平均温度在21世纪将怎样变化?

采用HadCRUT3全球平均温度距平序列和北太平洋海温年代际涛动(PDO)指数及赤道中东太平洋海温距平序列,探讨了全球温度变化中的长期趋势和多时间尺度周期性波动.研究发现,过去159年(1850～2008年)的增暖速率是每100年0.44℃,其间叠加了1910年前后和1950～1970年前后的两次冷期,以及19世纪70年代、20世纪40年代和1998年以来的3次10年际暖期.器测的全球温度变化中存在准21a和准65a的周期性波动并受百年尺度波动的影响.最近的10年际暖期是这3个周期性波动正位相叠加的结果,形成了器测温度以来的首次叠加现象.3个周期性波动叠加的最大增温是0.26℃,时间发生在2004年.准21a和准65a的周期性波动反映了太阳辐射和海洋变化的影响.根据这一长期趋势和3个周期性波动,能够预测21世纪30年代会出现一个冷期,而在21世纪60年代出现一个暖期.21世纪的最大增暖幅度在0.6℃附近,远小于IPCC报告的预估.     

青藏高原中东部2485 年来温度变化幅度、速率、周期、原因及未来趋势

分析了根据树木年轮资料重建的青藏高原中东部过去2485 年来温度变化幅度、速率、周期、原因及未来趋势, 发现研究区极端气候事件与全球同步出现, 如中世纪暖期、小冰期和20 世纪增温等. 历史上最大的温度变幅和速率都发生在“东晋事件”(343~425 AD)期间, 而非20 世纪后半期. 过去青藏高原中东部地区温度序列存在显著的1324, 800, 199, 110,2~3 a 的准周期 (P < 0.01), 其中, 1324, 199 和110 a 周期与太阳活动有关. 温度变化在很大程度上受控于太阳活动: 千年尺度周期决定了温度变化趋势长期走向, 百年尺度周期控制了温度变化幅度, 而太阳活动极小期对应冷期出现. 预估结果显示未来这一地区温度将下降, 到2068 AD 前后温度下降到谷底, 2068 AD 后再次升温.     

中北太平洋深海Nd同位素的分布与传输途径

以往一直笼统地认为, 中北太平洋深水(约1500~4000 m)富放射成因Nd来自太平洋岛弧的输入, 但对于其输入的路径与方式缺乏进一步的认识. 通过取自于中北太平洋20°N 附近海山17 个不同深度铁锰结壳, 测定了该区结壳表层样的Nd 同位素组成. 结合已发表的海水Nd 同位素数据, 获得了如下新的认识: 北太平洋中层水(NPIW, 300~800 m)在西太平洋边缘所携带的Nd 通过平流带入整个中北太平洋, 是中北太平洋深水获得富放射成因Nd 的重要来源, 而浅表层海洋Nd 对中北太平洋深海的影响则不明显. 这凸显了大陆边缘洋流垂向混合输入对中北太平洋深水Nd 同位素平衡的作用, 为深入认识海洋Nd 循环提供了启示. 此外, 从铁锰结壳表层样获得的中北太平洋深水ε_Nd 值较为均一, 平均值约为-3.4, 高于已报道的本区现代海水实测的ε_Nd 均值(约为-3.9), 说明中北太平洋深水Nd 同位素在较短时间尺度上的演化并不是稳定不变的.     

早更新世赤道太平洋上部水体结构的东西向不对称格局的形成

选取大洋钻探ODP 130 航次在西太平洋暖池钻取的807 站A 孔上段43 m 岩芯样品为研究材料, 进行浮游有孔虫表层水种、次表层水种的氧、碳稳定同位素分析, 并与赤道东太平洋ODP 851 站的记录比较, 揭示了赤道太平洋海区距今2.5 Ma 以来上部水体的古海洋变迁. 研究发现, 早更新世1.6~1.4 Ma 时, 赤道东、西太平洋表层水和次表层水的氧同位素都发生明显的分异, 进一步证实赤道太平洋类似于现代的东-西向温度梯度(表层水温西高东低)和上部水体温跃层西深东浅的不对称格局在当时最终形成. 由于次表层水的氧同位素东-西向梯度变化大于表层水的, 说明赤道东、西太平洋这种不对称格局的形成应该与东太平洋温跃层变浅、次表层水显著降温关系更为密切. 此外, ~1.6 Ma 之后, 赤道太平洋表层水和次表层水的碳同位素差异明显变小, 且其偏心率长周期也从400 ka 变为~500 ka, 反映了大洋碳储库的改组, 可能与这一时期南大洋深部水的改组及其对热带太平洋(特别是次表层海水)的影响加剧有关, 说明热带系统可以在全球气候变化中起重要作用     

东海内陆架泥质沉积记录的全新世快速气候波动

以东海内陆架泥质区中部MZ02孔岩芯沉积物为材料,挑选底栖有孔虫单种Ammonia compressiuscula进行了壳体氧碳稳定同位素和镁钙比值分析,并结合沉积物粒度、磁化率和地球化学等古环境替代指标,讨论了MZ02孔沉积记录所反映的若干气候和海洋环境变化,识别出发生在8.4,7.2和6.2 ka BP的3次千年事件,其中最为显著的是发生在8.4 ka BP的降温事件.本研究揭示的中全新世大暖期内气候波动特征,与相邻陆地的季风记录、热带太平洋的古海洋记录相一致,具有百年尺度的太阳活动周期,其中以200 a周期最为显著,推测太阳活动可能是研究区全新世快速气候变化的主要原因之一.     

末次间冰期以来北大西洋深层海温与青藏高原气温的千年尺度位相关系及其演变

采用代用资料研究了北大西洋深层海温和青藏高原气温自末次间冰期以来在千年尺度上的位相关系及其变化.通过对比分析和小波交叉谱分析表明,自末次间冰期以来二者同位相和反位相关系交替出现,同位相的持续时间相对较短,而反位相的持续时间较长,并且二者同位相和反位相关系的转换在间冰期比在冰期频繁,北大西洋深层海温与青藏高原气温的位相关系大体被北大西洋气温(格陵兰冰芯氧同位素)与青藏高原气温所验证.此外,北大西洋海表温度可能是北大西洋深层海温在千年尺度上影响青藏高原气温的一个重要因子.     

末次间冰期以来北大西洋深层海温与青藏高原气温的千年尺度位相关系及其演变简

采用代用资料研究了北大西洋深层海温和青藏高原气温自末次间冰期以来在千年尺度上的位相关系及其变化. 通过对比分析和小波交叉谱分析表明,自末次间冰期以来二者同位相和反位相关系交替出现,同位相的持续时间相对较短,而反位相的持续时间较长,并且二者同位相和反位相关系的转换在间冰期比在冰期频繁,北大西洋深层海温与青藏高原气温的位相关系大体被北大西洋气温(格陵兰冰芯氧同位素)与青藏高原气温所验证. 此外,北大西洋海表温度可能是北大西洋深层海温在千年尺度上影响青藏高原气温的一个重要因子.     

盛冰期太阳活动在南京石笋年层序列中的印迹

根据南京葫芦洞一支石笋高精度²³⁰Th年龄及纹层计数, 确定该石笋在24~21 kaBP期间发育连续3000年左右的年层序列. 石笋年纹层厚度与光面灰度具有良好的相关性(r = 0.55), 支持纹层厚度反映夏季风降水效应的观点. 年纹层厚度与反映太阳活动的冰芯¹⁰Be记录在百年-千年尺度上的一致性, 说明全球冰量最大背景下东亚夏季风气候的高频变化仍受太阳活动驱动. 年层序列的功率谱分析结果表明十年-百年尺度的季风气候变化与太阳活动周期基本一致.     

全球变暖背景下ENSO特征的变化

利用1895~2014年Had ISST月平均海温资料和CO_2浓度加倍前后600年海气耦合模式CESM试验结果,对比分析了全球变暖前后厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)特征(强度及其中心位置、生命期与频率)的变化及其可能原因.主要结论如下:全球变暖后,在观测和模拟中气候平均的海温增暖中心分别位于热带西太平洋(类拉尼娜型增暖)和热带东太平洋(类厄尔尼诺型增暖),引起热带太平洋低层东风信风相应地增强和减弱,从而改变了热带太平洋最强海气耦合的位置,决定了ENSO演变特征的不同变化.ENSO事件强度中心位置在类拉尼娜型增暖背景态下更倾向于发生在赤道太平洋中部,形成"中太平洋ENSO",而在类厄尔尼诺型增暖背景态下则更偏向赤道东太平洋,形成"东太平洋ENSO".两种气候态的改变都会造成全球变暖后El Ni?o事件生命期的明显延长,其中,类厄尔尼诺型增暖的影响更大,最大可延长约3个月,极端El Ni?o事件生命期的增长更显著.其主要原因是:全球变暖一方面使热带西太平洋异常西风更早出现,有利于El Ni?o事件的提早发生发展,另一方面会减小热带太平洋温跃层的平均深度和热带中东太平洋赤道内外平均海温梯度,分别减慢了海洋次表层负反馈Kelvin波的东传速率和减弱了El Ni?o暖信号的"放电"速率,使El Ni?o事件衰亡速度减缓,持续时间更长.另外,观测和模式结果均表明,ENSO事件强度和频率在全球变暖背景下明显增强和增多,并且类拉尼娜型和类厄尔尼诺型增暖背景态会分别导致极端La Ni?a事件和极端El Ni?o事件频率显著增多.本文研究结果很好地统一了观测和模式中不同气候背景态下ENSO特征变化的现象和机理,为理解和预估全球变暖后ENSO特征的变化及其气候影响奠定了重要的科学理论基础.     

印度尼西亚海道关闭对气候的影响:一个数值模拟研究

利用一个全球海洋环流模式及其对应的海气耦合模式,分别采用现代、6和14Ma以前的海底地形进行数值试验,研究澳大利亚北移对热带海洋环流特别是赤道西太平洋暖池形成的作用.使用现代气候强迫的单独海洋模式模拟结果表明,随着澳大利亚板块向北移动,印尼海道关闭可以导致热带太平洋海温增加,热带印度洋变冷;并且可以引起通过印度尼西亚贯穿流的海水来源的变化,即在14 Ma以前流入印度洋的水主要来自南赤道流,而在现代则主要来自北赤道流.海气耦合模式的结果在定性上与单独海洋模式结果基本一致.     

太阳活动的甚长周期性变化

近期Solanki等利用树木年轮中¹⁴C含量变化的测算资料, 重建了过去10000多年间采样间隔为10 a的太阳黑子数序列, Usoskin等则利用地磁变化资料重建了过去近7000年间采样间隔也为10 a的太阳黑子数序列. 本文采用Lomb-Scargle谱分析方法研究了这两个序列, 得到了太阳活动的百年至千年时间尺度的周期和准周期, 它们大约为225, 352, 441, 522和561 a以及近1000 a和略大于2000 a的准周期. 同时采用小波变换方法对它们的进一步分析表明, 这些长和甚长的准周期性分量均具有较明显的时变特征, 即它们的周期长度和波动的幅度是随着时间的推移发生变化的, 并在某些时段出现较大的波动, 显示了太阳活动长期变化的复杂性.     

热带太平洋海气系统的一种年代际局地正反馈

利用大气再分析资料和海温资料等, 分析了热带太平洋地区海气系统年代际变化的内在联系. 结果表明, 在年代际尺度上经过热带海气系统的内部调整, 减弱信风的作用下海气间热交换减少, 导致了热带太平洋温跃层的异常, 有利于热带中东太平洋海温异常增暖; 同时, 海温的增加又促使热带东太平洋对流发展, 激发热带东太平洋局地上升运动和热带中东太平洋的西风距平, 进而减弱Walker环流, 把信号反馈给大气. 反之亦然, 如此构成了一种正反馈过程的年代际模态. 这个热带海气系统自我反馈的年代际“加幅”过程有别于以往用于解释热带海气系统年代际变率时所倡导的中纬度地区对热带地区的远程驱动机制.     

西北太平洋台风生成频次与南极涛动的关系

研究了西北太平洋台风生成频次(WNPTN)和南极涛动(AAO)的关系, 发现6~9月AAO和西北太平洋台风生成频次(WNPTN)具有显著的反相关关系(1949~1998年期间年际变化的相关系数&#8722;.48). 还分析了和AAO的变化相联系的热带西太平洋大气环流和海温的变化, 结果表明: 当AAO处于正位相时, 西北太平洋区纬向风的垂直切变幅度加大, 对流层低层为异常反气旋环流并且涡度异常为负值, 而高层为异常气旋环流并且涡度异常为正值, 海表温度降低, 这些变化均不利于台风生成和发展. 反之亦然.     

亚洲-太平洋涛动变化与北太平洋海温异常的联系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季(6~8月平均)亚洲-太平洋涛动(APO)变化和北太平洋海表温度(SST)异常的关系, 发现APO强弱的年际变化与北太平洋SST之间存在显著的正相关关系(1954~2003年间年际变化的相关系数为0.58). 夏季APO偏强(弱)时, 北太平洋SST往往偏高(低). 与APO异常相关联的动力和热力条件佐证了APO和北太平洋SST的同位相变化关系. 当APO处于正位相时, 高空东亚西风急流减弱, 北太平洋对流层低层为异常反气旋型环流控制. 此外, 北太平洋区域感热潜热通量出现负异常, 海洋得到热量, 同时, 暖水向北的异常平流输送增强. 这些变化均有利于北太平洋SST增暖, 反之亦然.