喀纳斯湖植物残体碳同位素记录的温度波动

喀纳斯湖位于阿尔泰山脉南坡,区域森林植被茂盛,气候相对湿润.目前,阿尔泰山脉南坡的古温度记录主要来自于树轮宽度及短时间序列的树轮同位素,从结果来看,最近100多年来似乎没有表现出明显的增温趋势.在全球大部分地区(尤其是北半球中高纬度地区)普遍增温的情况下,是否这一区域因为某些特殊原因对全球气候变暖没有响应,抑或是该区域的树轮对长期趋势表现不明显?本文基于喀纳斯湖湖滨29 m水深处获得的81 cm岩芯,在陆生植物残体AMS ~(14)C定年的基础上,利用陆生C_3植物残体δ~(13)C序列经过大气CO_2浓度校正,探讨过去近600年区域温度对全球气候变化的响应.本文δ~(13)C序列很好地记录了阿尔泰山脉南坡对气候变暖的响应.19世纪前期以来温度在冷暖波动中持续上升;20世纪是近600年来最暖的一个世纪.这种温度变化特征与俄罗斯阿尔泰地区的冰芯、湖泊沉积物和树轮重建的温度记录以及周边地区的温度记录表现出比较一致的趋势,与北半球中高纬度地区多代用指标集成重建温度也表现出很好的一致性.此外,岩芯顶部的δ~(13)C序列表现出降温的趋势,这与近十几年来北半球许多地区出现的增温停滞现象以及喀纳斯湖邻近气象站的器测资料中表现明显的降温趋势相互印证.     

树轮宽度记录的松潘地区年平均气温变化

利用采自四川省松潘县境内3个样本点的冷杉树轮样本建立了树轮宽度标准年表(STD),并合并成了区域年表(RC).与气候要素进行相关分析发现,该地区树木径向生长主要受到温度的限制,树轮年表与多个月份的气温相关显著,其中,区域年表与前一年9月至当年8月(P9C8)平均气温的相关最高(r=0.576,P0.0001).在此基础上,利用区域年表重建了松潘地区1701年以来的年平均气温变化,重建方程稳定,其方差解释量达33.2%(R2adj=32%,N=59,F=28.33).重建结果显示,在过去310年间,该地区先后经历了8个偏暖阶段和7个偏冷阶段.通过时空相关分析,表明重建序列具有较好的时空代表性.此外,重建结果不仅通过了统计检验,还得到了海螺沟冰川末端变化、周边地区其他树轮资料重建的温度结果以及气象灾害历史记录的验证,证实了重建序列的可靠性.多窗谱分析结果显示该地区气温变化存在显著的2~3 a,26 a,准33 a和准40 a周期变化.     

区域优化平均法重建1500~1949年北半球的平均温度

<正>研究全球温度的空间分布与时间变化特征是研究气候变暖归因等问题的基础.对全球、北半球或中国以及地球上其他的任何国家或指定地区进行该区域历史平均温度的重建,得到可以代表该区域平均温度变化的时间序列,这是气候变化研究的基本任务.因为区域平均温度重建可还原该区域的历史温度,而了解该区域温度变化     

用天山雪岭云杉年轮最大密度重建新疆伊犁地区春夏季平均最高温度变化

为了研究新疆伊犁地区过去温度变化, 利用该区雪岭云杉6个样点的年轮最大密度年表(MXD)和年轮宽度年表(TRW), 分析了其年表特征和气候响应特点. 结果表明, 该地区不同样点的雪岭云杉树轮最大密度年表对气候变化有较为一致的响应, 与4~8月平均温度和平均最高温度均具有很好的正相关关系. 利用逐步回归分析方法筛选出的3个样点的树轮最大密度序列重建了该地区1848~2000年春夏季平均最高温度距平, 重建方程方差解释量达到56.2%, 且方程稳定. 重建结果揭示, 在伊犁地区, 20世纪50年代初到70年代初存在近153 a春夏季最显著的冷期, 并且在重建的时段内, 4~8月平均最高温度距平并没有表现出明显的上升趋势.     

过去2000年全球典型暖期的形成机制及其影响

通过对中国不同地区气候序列重建与暖期气候特征、气候驱动因子变化分析与典型暖期成因机制模拟诊断、暖期气候对中国社会经济的影响与人类适应、北半球温度变化及典型暖期协同特征等问题的研究,发现:(1)20世纪气候增暖在过去2000年中并非空前,但20世纪气候增暖在北半球几乎同步,而中世纪增暖在空间上则存在幅度和位相差异;这主要是因为20世纪全球增暖主要受温室气体增加驱动的"大气稳定机制"、而中世纪增暖主要受太阳短波辐射变化驱动的"海洋恒温机制"所致.(2)与2008年初中国南方"雨雪冰冻"相似的极端寒冷事件可能对温度年代际变化有早期预警意义,当前的"增暖停滞"可能是自然变率导致的气候由暖转冷的一个早期信号.(3)中国历史上的社会经济波动与气候变化之间存在"冷抑暖扬"的对应特征;但与暖期相伴的社会经济发展与人口膨胀也增加了对资源与环境的压力,使得在出现温度下降、降水减少等重大气候转折时,容易导致人地关系失衡、甚至触发社会危机.这些结果增进了对年代至百年尺度气候变化特征与机制的理解,也对我国适应未来气候变化具有参考价值.     

树轮记录的吕梁山地区公元1836年以来5~7月平均气温变化

随着全球气温的升高, 气候变化越来越受到人类的重视, 同时区域性气候也引起人们的普遍关注. 利用采自吕梁山中部的油松树轮样本, 重建了该地区1836年以来5~7月平均气温的变化, 重建方程对观测时段1955~2003年平均温度的方差解释量为45% (F=38.474). 该重建气温序列指示的5个偏暖时期和4个偏冷时期与我国北方中部其他几条树轮重建温度序列所指示的冷暖时段基本一致. 20世纪50年代以来气温呈缓慢上升趋势, 但是这种上升趋势并不是平稳的, 90年代初的升温更强烈一些, 并且1994~2002年是整个重建序列中温度最高的时段; 同时, 重建气温与研究区周边更大范围内各气象站点5~7月平均气温之间的显著相关分析也表明, 本文重建的过去近170年来的温度变化不仅反映了吕梁山地区、似乎也可以反映我国北方中部地区较大范围的同期气温变化.     

近千年来南北半球气候变化模拟比较

依据全球海气耦合气候模式ECHO-G近千年积分的模拟结果, 对南、北半球气温及降水变化的相似性和差异性进行了分析, 并探讨了造成南、北半球气候变化异同性的可能原因. 结果表明: (1) 南、北半球平均气温在年际、年代际、百年际尺度上变化位相基本一致; 但从气候阶段转变的时间来看, 北半球年平均温度正负距平的转变明显提前于南半球; 从距平的振幅变化来看, 北半球明显大于南半球. (2) 对降水而言, 年代际及百年际尺度上的变化南、北半球基本同相, 而在年际尺度上的变化两者反相, 且年际及年代际的正相关主要体现在中、高纬地区, 年际负相关主要体现在低纬地区. (3) 中世纪暖期南、北半球的增暖幅度相差不大, 而现代暖期北半球的增暖幅度明显大于南半球; 现代暖期北半球高纬地区气温大幅上升, 而南半球高纬地区气温有所下降, 呈现出明显的反相变化特征, 这是中世纪暖期温室气体浓度保持在较低水平时所不具有的一个气候特征. 其机理有待进一步研究.     

德令哈地区树轮宽度指数与草地植被指数的关系

利用德令哈地区五条祁连圆柏树轮宽度指数序列和1982~2001年逐月NOAA/AVHRR的标准化植被指数(NDVI)数据及气候数据, 在分析树轮指数及草地NDVI与气候因子关系的基础上, 探讨了祁连圆柏树轮宽度指数序列与草地NDVI之间的关系. 结果表明, 德令哈地区树轮宽度指数及草地NDVI深受6月份的水热状况, 尤其是降水的影响, DLH1~DLH5五条序列与草地6~9各月NDVI有显著的相关关系, 其中与8月份的NDVI相关性最强. 五条序列的第一主成分(PC1)与草地生长季各月NDVI值及生长季NDVI均值间存在显著的线性关系, 祁连圆柏树轮指数和草地NDVI变化的一致性体现了德令哈地区不同类型植被对水分胁迫的一致响应. 树轮指数与草地NDVI间的显著相关性为研究该地区草地过去的动态变化提供了基础, 本研究利用PC1重建了德令哈地区草地8月份NDVI的千年变化.     

利用兴安落叶松树轮最大晚材密度重建大兴安岭北部5～8月气温变化

对大兴安岭北部3个样点的兴安落叶松(Larix gmelinii)树轮样本进行树轮密度的分析,相关分析结果显示,树轮最大晚材密度年表与夏季气温变化有显著正相关关系,利用其中两个样点的树轮最大晚材密度对研究区1855年以来5～8月的平均最高气温变化进行了重建,重建值的解释方差量为39.5%.在大兴安岭北部过去的154年里,存在4个冷期:1874～1893,1927～1948,1951～1960和1992～2002年;以及4个暖期:1855～1873,1894～1916,1961～1991和2003～2008年.该地区20世纪末冬季气温的变暖现象比夏季更为明显.重建结果与研究区周边的气温序列均有较好的一致性,可以指示较大区域的气候特征.     

过去千年3 个特征期气候的FGOALS 耦合模式模拟

利用一个气候系统模式, 对过去千年气候演变的3 个特征期——中世纪暖期、小冰期和20 世纪增暖期, 进行了系列平衡态模拟和瞬变强迫模拟试验, 比较了3 个特征期气候的异同点.结果表明: 中世纪暖期的暖信号在除北太平洋中纬度以外的全球大部分地区普遍存在, 但自然增暖的幅度整体上较20 世纪要弱; 北半球中高纬地区的增温幅度大于南半球. 小冰期变冷近乎是全球性的, 在欧亚大陆及高纬地区尤为显著, 变冷极大值位于北极地区的表层. 中世纪暖期和 20 世纪温度变化的垂直结构表现出类似特征, 最强增温都出现在热带对流层中上层的200~300 hPa. 与暖期不同, 小冰期的变冷主要表现为极地强化. 模拟结果与重建资料的比较表明, 模式对暖期温度变化的模拟能力强于冷期, 对中低纬地区温度变化的模拟能力强于高纬地区. 东亚夏季风的年际变率特征受背景气候态的影响不大, 不同特征期年际变率的降水距平型近乎相同, 但是主导周期变化显著, 东亚夏季风的准两年振荡现象在暖期更容易出现, 在冷期则不明显. 在百年尺度上, 有效太阳辐射外强迫变化驱动的季风变化外部模态由大尺度海陆热力对比的变化决定, 在110°E 以东降水呈现出“南北同号”的特征, 这与伴随耦合系统内部变率出现的“南北反号”的降水距平型不同.     

近千年中国温度序列的建立

根据各种代用资料建立了近千年中国10个区的温度序列, 时间分辨率为10 a. 10个区是: 东北、华北、华东、华南、台湾、华中、西南、西北、新疆及青藏. 采用的代用资料包括: 冰芯、石笋、树轮、泥炭、湖泊沉积、孢粉、史料等. 然后按10个区的面积加权平均得到中国平均温度序列. 根据这个序列分析了中国近千年的温度变化, 特别是中世纪暖期、小冰期及现代暖期的特征.     

利用树轮宽度重建过去238 年来内蒙古喀喇沁年降水量

根据树轮气候学实验步骤, 经过精确交叉定年, 建立了内蒙古喀喇沁地区油松树木年轮宽度年表. 相关函数分析表明, 树轮宽度年表与上年8 月至当年7 月的降水总量显著相关,在此基础上设计转换方程, 重建了该地区1771~2008 AD 之间上年8 月至当年7 月的降水总量, 方差解释量达49.3% (调整自由度后为47.1%). 重建序列可与邻近赤峰-围场地区已有的树轮降水序列进行良好对比. 在1771~2008 AD 期间有8 个降水量较多的时期(高于多年平均值)和7 个降水量较少的时期(低于多年平均值), 分别反映了东亚夏季风较强和较弱的时期.功率谱分析检测出重建降水序列含有120, 80, 8 和2 a 左右的准周期.     

“气候门”与20世纪增暖的千年历史地位之争

2009年哥本哈根世界气候大会召开前夕的“气候门”(climategate)事件，将科学界对过去千年温度变化的“曲棍球杆曲线”(hockey stick)之争推向顶点。介绍了这一争议的始末，并根据相关文献对这一争议中的两个关键问题“中世纪暖期与小冰期是否在全球广泛存在、20世纪是否为过去千年最暖”进行了综述。结果显示：尽管大尺度的地表温度重建结果存在不确定性，但随着近20年来全球代用资料的不断丰富和研究方法的改进，大尺度温度变化重建结果的不确定性逐步降低，争议各方的观点正在逐步接近。特别是最新的研究结果显示：虽然20世纪增暖迅速，温暖程度也很明显，但在过去千年中并不是空前的。     

青藏高原东北缘黄土粒度记录的末次冰期千年尺度气候变化

末次冰期以来, 北半球高纬地区气候变化是否对青藏高原地区高原季风产生影响以及高原季风本身的变化规律是仍未解决的重要科学问题. 22 m厚的青藏高原东北部合作盆地黄土-古土壤剖面高分辨率的粒度记录表明, 末次冰期以来青藏高原冬季风存在明显的可与北半球高纬地区相对比的千年尺度变化, 但对冷事件(Heinrich事件)的响应明显强于对暖事件(Dansgarrd-Oeschger事件)的响应, 表明北半球高纬地区气候对青藏高原冬季风和高空西风同样产生了深刻影响. 在万年尺度上, 高原冬季风存在两个明显不同于北半球高纬地区气候记录的变化, 一是在36 kaBP附近(H4事件)发生了一次明显的突变增强; 二是在43~36 kaBP期间, 高原冬季风显著减弱, 可能指示了高原冬季风在万年尺度上除了受到北半球高纬地区气候系统影响外, 还受到其他因子的影响.     

找出"真凶"

综合前述各种信息,科学家重建了过去1000多年中北半球的气候变化情况.结论是,20世纪以来的全球变暖是过去1000多年中都从未有过的异常现象,而到了20世纪90年代以后,全球变暖更是变本加厉.这一研究结果如今虽然仍存争议,但已为大部分科学家所接受.     

找出"真凶"

综合前述各种信息,科学家重建了过去1000多年中北半球的气候变化情况.结论是,20世纪以来的全球变暖是过去1000多年中都从未有过的异常现象,而到了20世纪90年代以后,全球变暖更是变本加厉.这一研究结果如今虽然仍存争议,但已为大部分科学家所接受.     

利用花粉资料重建加拿大1 ka来气温变化序列

植物花粉资料用来恢复千年-万年尺度的气候变化是一种比较成熟的方法，并取得了大量的成果，但应用于十年至百年尺度的气候序列重建仍属探讨性研究，本文采用花粉资料，以50a为时间尺度单元，对加拿大过去1ka的温度进行了历史重建，近千年来北美地区气候环境受人为干扰甚少，1～0.1ka尺度的气侯变化主要受自然因子控制，因此可为认识和鉴定中国千年来气候变化序列中人为影响程度提供有价值的参照系，此外，本文所采用的花粉-气候转换法可以为中国的千年尺度的气候重建提供实用技术。     

利用树木年轮资料恢复祁连山地区近700年来气候变化

祁连山位于我国西北部,气候较为干旱,海拔3200m以上出现林带,海拔4000m以上存在有永久性冰雪覆盖.自70年代起,在祁连山发现有树龄较长的老树,有的近千年,且与气候要素有较好关系,是我国利用树木年轮研究气候变化规律极有潜力的地区之一.同时,应该指出的是,早期在祁连山的树木年轮工作,由于样本量不足,达不到“复本”的基本要求,也因为量测与定年的误差,所建成的年表远不符国际树木年轮数据库(ITRDB)的规定.本文则按照树木年轮气候学的基本原理与概念,采用最新的分析程序,在该地区进行取样、建立年表,并通过研究年轮指数和温度降水的关系,重建了一条祁连山地区过去湿润指数变化序列,进而探讨该地区过去气候变化特征.     

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.     

外强迫驱动下气候系统模式模拟的近千年大气涛动

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)气候系统模式进行的过去千年气候模拟数据, 分析了近千年大气涛动的变化, 并与重建资料进行了比较. 基于代用资料的近千年大气涛动重建序列表明, 北大西洋涛动(NAO)与太平洋年代际振荡(PDO)的演变在千年尺度上呈反位相变化, 在中世纪暖期(MWP)期间, NAO强, PDO弱; 在小冰期(LIA)期间, NAO弱, PDO强. MWP 期间盛行类La Niña 状态,LIA 期间盛行类El Niño 状态, 15, 17, 19 世纪最明显. 模式基本再现了1000~1400 AD NAO 正位相及1650~1900 AD NAO负位相特征, 但模拟的NAO在1400~1650 AD与重建结果差别较大. 模拟的PDO 演变与重建资料较为一致, 均表现为MWP 期间PDO 负位相(1000~1400AD)、LIA 期间PDO 正位相(1400~1900 AD)的特征, 模拟与重建结果的相关系数可达0.61. 模拟的近千年Niño-3 指数演变与重建资料差别较大, 模拟结果表现为中世纪暖期ENSO 正位相、小冰期ENSO 负位相的特征. 模拟与重建的近千年南极涛动(AAO)均表现为中前期负位相、后期正位相的变化特征. 模式可以合理再现MWP 期间亚洲-太平洋涛动(APO)指数整体偏强, LIA 期间APO 指数整体偏弱的特征, 在1000~1985 AD 期间, 模拟与重建结果的相关系数为0.50. 太阳辐射和火山活动等外强迫变化是影响近千年大气涛动变率周期的重要因子之一.