千年全球气温中的周期性变化及其成因

采用最新重构的千年全球代用与器测气温序列、近400年太阳辐射和北太平洋海温指数序列, 分解了不同时段气温变化的趋势和全时间域上的多时间尺度周期变化, 探讨了气温周期变化的成因. 千年全球气温序列中清楚地存在中世纪暖期(MWP)、小冰期(LIA)和全球增暖期(GWP). 剔除这3个时期的基本气候态后, 气温序列中仍然存在准21年、准65年、准115年和准200年的周期变化. 这4个气温变化的自然周期中, 准65年的周期与海温变化有关, 而其他3个周期与太阳辐射变化有明确的位相滞后关系. 准21年的气温周期变化形成了十年暖期和十年冷期的交替. 21世纪之交形成了过去千年中首次的上述4个周期暖位相的叠加, 也就形成了国际社会关注的全球性增暖和暖平台现象. 根据长期趋势和周期振荡的叠加, 预计全球气温会在21世纪30年代进入一个冷期, 而在21世纪60年代达到一个新的暖期.     

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.     

中世纪暖期、小冰期与现代东亚夏季风环流和降水年代-百年尺度变化特征分析

利用气象仪器观测资料、降水和温度代用资料以及气候模拟结果, 综合分析近1000年东亚夏季风区海陆热力差异和降水的年代际、百年际尺度变化规律, 对比了现代、小冰期和中世纪暖期东亚季风环流和降水的基本特征, 以及与太阳辐照度和全球气候变化的联系, 得到以下结论: 在近150 年里, 用东亚陆地与其周边海域大气温度差异指示的东亚夏季风环流与降水呈现出显著的年代际波动特征, 并且在过去50 年全球增暖最快时期东亚季风偏弱; 在百年尺度上, 中世纪暖期东亚夏季风环流是过去1000 年里最强时期, 而在1450~1570 年期间东亚夏季风是过去1000 年里最弱的时期; 对应于偏弱的东亚夏季风环流, 中国东部季风雨带总体上位置偏南, 伴随着华北降水偏少、长江降水偏多(即“南涝/北旱”型)异常分布特征; 从20 世纪初到20 世纪20 年代, 降水呈现出长江流域偏少、华北偏多的反“南涝/北旱”型特征; 与中世纪暖期相比, 在1400~1600 年期间发生的是一个更长时间尺度的“南涝/北旱”现象; 此外, 东亚夏季风环流和降水变化与全球气温变化的趋势有不同步特征, 在近150 年里, 尽管全球和中国区域表面年平均气温显著增加, 但是东亚季风环流和降水没有表现出一个增强或者减弱趋势, 在过去1000 年里东亚夏季风最弱时期要比北半球最冷时期出现的早, 并与太阳辐照度的最弱时期相对应.     

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.     

近千年的大气涛动

总结了近千年大气涛动的变化, 即北大西洋涛动(NAO)、北太平洋涛动(NPO)或太平洋年代振荡(PDO)、南方涛动(SO)、南极涛动(AAO). 首先利用观测资料比较研究了近百年(1900~2000年)涛动的变化. 指数相关系数表明, AAO与NAO或NPO有相对的独立性, 但是20世纪的低频变化则有某种程度的一致性: 1920~1940年和1980~2000年各涛动均以正位相为主, 1940~1980年负位相占优势. 根据代用资料建立的1000~2000年涛动序列表明, 涛动变化随时间各有不同: NAO的正位相出现在前期, PDO和ENSO的正位相在中、后期, AAO的正位相主要在后期. 此外, 近500年ENSO的变率有增强的趋势, 同时ENSO增强, AAO增强.     

“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。     

近千年中国东部夏季气候百年尺度变化的模拟分析

利用全球海气耦合模式ECHO-G 近千年积分模拟试验结果, 通过Lanczos 滤波器滤去100 年以下的年际-年代际变化信号, 保留百年尺度的气候变化信息, 分析了近千年来中国东部夏季气候在百年尺度上的时空变化特征并探讨了影响其变化的主要原因. 结果表明: (1) 近千年中国东部经历了暖-冷-暖3 个阶段, 由暖期进入冷期相对由冷期进入暖期缓慢, 暖期降水多冷期降水少, 降水的峰谷变化滞后于温度. 有效太阳辐射和太阳辐照度分别是影响温度和降水变化最显著的因子, 现代暖期之前火山活动的增强对极端低温的出现有明显影响, 火山活动与降水在1400 AD之前为正相关, 在1400 AD 之后为负相关, 温室气体浓度与现代暖期温度和降水有一致的变化趋势. (2) 温度的百年尺度与年际-年代际尺度的第一特征向量的空间分布型都为全区一致分布, 高纬的变率大于低纬, 这一分布型主要受有效太阳辐射和温室气体的共同影响. 降水第一特征向量的空间分布型在百年尺度与年际-年代际尺度上存在着显著差别, 百年尺度为全区一致的分布, 而在年际-年代际尺度上长江和黄河中下游与其两侧的区域呈反相分布, 太阳辐照度和温室气体共同影响了降水百年尺度上的这一空间分布型.     

山西宁武公海湖泊岩芯的环境磁学特征及中世纪暖期湿润气候探讨

对山西宁武公海GH09B1孔2.8m长岩芯进行的磁化率、非磁滞剩磁、等温(饱和)剩磁、J-T 曲线、磁滞回线和XRD 等测试结果表明, GH09B1 孔岩芯磁性矿物以磁铁矿为主, 磁性矿物含量高的岩芯段, 磁性颗粒也较细, 形成于湖盆流域土壤发育较强、降水量较多的时期, 而磁性矿物含量低的时期则相反. 公海湖泊沉积物环境磁学参数变化主要受控于湖盆流域土壤发育程度, 进而指示亚洲夏季风强弱, 尤其是χ与S_-300 参数清晰地记录了近1200 年来宁武公海地区夏季风的变化历史, 发现中世纪暖期(910~1220 AD)显著湿润, 夏季风强盛, 这一结果得到同岩芯孢粉记录的支持. 3~6 年分辨率的环境磁学参数记录还显示, 中世纪暖期内部存在980~1050 AD 的次级干旱阶段. 公海沉积物磁学参数记录的近千年夏季风变化与历史文献记载、万象洞石笋氧同位素和气候模拟结果一致, 共同指示了中世纪暖期季风强盛的湿润气候环境且内部存在百年尺度的气候干湿波动. 环境磁学参数可作为高分辨率湖泊沉积记录的季风气候变化的有效参数.     

青藏高原北部太阳辐射影响的晚全新世温度变化

近年来,小冰期(约公元1400～1850年)的气候变化已经得到了较为详尽的研究.但是,在中世纪暖期(约公元800～1400年)温度是否比近50年温度高这个问题上,仍存在很多争论.有气候模型表明,包括青藏高原北部在内的中亚地区在中世纪暖期的温度仍然低于现代温度.然而,这一区域包含中世纪暖期的高分辨温度记录非常有限,通过气候建模得出来的结论     

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.     

工业革命前自然强迫的气候效应的模拟研究

应用MPM-2古气候模式模拟工业革命前800 a间(1000~1800 AD)气候系统对自然强迫的响应, 特别是地表温度的长期变化. 自然强迫主要包括火山爆发和太阳辐射的变化, 二者被认为是工业革命前主要的气候强迫. 研究表明太阳辐射变化决定了气候系统长期变化的基本趋势, 而火山爆发强迫起到了强化或弱化这种趋势的作用, 二者基本上确定了工业革命前气候系统的长期变化, 这一结论无论是与其他模式结果还是重建数据都是高度一致的. 自然强迫很好地解释了小冰期和中世纪暖期的产生. 并且, 研究表明在各个空间尺度上地表温度对自然强迫的响应基本上是一致的. 然而, 模式结果与重建的太阳辐射强迫和火山序列高度相关, 即模拟结果很大程度上依赖于所选择的强迫序列. 因此, 为了更准确地揭示历史气候的长期变化, 必须更加准确地重建过去10000 a, 至少2000 a以来的太阳辐射变化, 以及火山爆发强迫序列. 对太阳辐射突变的敏感性实验表明: 太阳辐射增强除了造成全球各纬度带地表温度的非线性升高以外, 还强化了全球水循环, 对生物圈也产生了较大影响. 太阳辐射突变对气候系统的强迫作用需要进一步研究.     

千年气候模拟与中国东部温度重建序列的比较研究

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G进行的1000年长时间积分气候模拟试验与中国东部区域温度重建资料作对比, 以验证ECHO-G模拟中国区域气候的能力, 并探讨近千年来中国区域气候变化的原因. 重建资料是中国东部地区(25°~40°N, 105°E 以东)1000年来分辨率为30年的冬半年温度距平变化序列. 模拟试验以随时间变化的有效太阳辐射、CO₂浓度和CH₄浓度场为外强迫, 从1000年开始积分至1990年. 结果表明: 重建和模拟结果的相关系数为0.37, 置信度为97.5%. 模拟和重建结果均反映出了1000~1300年的中世纪暖期、1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期. 对于1300~1850年的小冰期和1900年之后的升温期, 模拟和重建的正负距平基本一致, 尤其是1670~1710年Maunder太阳黑子最小期时, 模拟和重建值都达到了温度低谷, 且无位相差异. 但对1000~1300年的中世纪暖期, 模拟与重建资料存在显著差异, 这与重建资料质量降低有关. 模拟的变幅(1.62 K)略小于重建值(2.0 K),但两者具有较好的可比性. 模拟结果的诊断分析表明, 在1000年尺度上, 太阳辐射和火山活动是控制全球和区域温度变化的主要因子, 而在最近百年尺度上, 温室气体含量的变化对快速增温起着更为重要的作用.     

中国近三千年来火灾群发期与环境变化

中国近三年十年来火灾群发期主要出现在中国周代（６００～４９ａＢ．Ｃ）、西汉（６０～０ａＢ．Ｃ）、东汉（１００～２００ａＡ．Ｄ）、南北朝（４８０～５７０ａ．Ａ．Ｄ）、唐代（７００～８５０ａＡ．Ｄ）、南宋（１１２０～１２４０ａＡ．Ｄ）、明代（１５００～１６００ａＡ．Ｄ）及清代（１６６０～１７６０ａＡ．Ｄ）八个时期．灾害事件时间序列谱分析得出火灾的周期序列为５１７，１７３．２９，９０．６３．３２．２３．１６．１１年。火灾群发期与太阳活动及中国典型地区环境变化对比分析得出，近两千年来的火灾群发期出现在太阳活动的异常时期及中国温度变化的寒冷期．     

近0.5 ka来中国北方干旱半干旱地区的降水变化分析

从IGBP集成研究的思想出发, 采用冰芯、树轮、历史文献和湖泊沉积等多种气候代用资料, 重建了近0.5 ka来中国干旱区西部和东部, 以及整个干旱区分辨率为10年的降水变化序列. 在此基础上与1470年以来半干旱区西部和东部代用降水序列进行了比较. 结果表明, 近0.5 ka来各区域降水曲线均存在5次气候干旱期, 每个干旱期持续50年左右, 同时降水表现出区域差异性. 近0.5 ka来干旱区东部与半干旱区西部、半干旱区东部的降水呈现出基本一致的变化趋势, 而干旱区西部的降水变化比较独特, 呈现出显著的局地性降水特征. 最大熵谱和奇异谱分析结果表明每个区域降水序列, 包括干旱区西部、东部, 整个干旱区、半干旱区西部和东部, 以及中国北方区域降水序列, 均存在百年尺度约120年左右的周期.     

砗磲记录的南海西沙晚全新世温暖期的高海温特征

IPCC第四次报告中利用长尺度综合法获得的全球平均温度表明北半球20世纪后半叶的温度很可能是过去1300年来最高的50年,并且20世纪最后10年很可能是过去1300年中最温暖的10年.但是,此结论仍然存在争议,其中一个争论的焦点就是最近半个世纪的温度是否高于中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly,MCA,AD 800~1300)和罗马暖期(Roman Warm Period,RWP,BC 200~AD 400)这两个距今最近的晚全新世自然温暖期.本研究从南海北部西沙群岛采集了两个库式砗磲,定年结果显示这两个砗磲的存活时代分别位于MCA期间(AD990±40)和RWP期间(AD 50±40).对这两个砗磲进行高分辨率?18O和Sr/Ca比值测试,结合前期现代砗磲的研究结果,定量重建了MCA期间(AD 990±40)和RWP期间(AD 50±40)两个时间段的高分辨率海表面温度(sea surface temperatures,SSTs).结果表明AD 990±40和AD 50±40附近的平均SST分别为28.1和28.7℃,比AD 1994~2005的平均SST分别高出了0.8和1.4℃.根据本研究中砗磲的高分辨率高精度定量重建结果,结合中国东部和西北地区其他树轮、湖泊沉积物、文献记录等重建结果,认为在中国西北到南海北部的广大区域,最近几十年的温度很可能并没有超过MCA时期的自然变化范围.     

树木年轮记录的青海乌兰地区近千年温度变化

过去1000 a气候变化历史是评价当今气候变暖的重要背景资料. 作为全球变化的敏感地区, 青藏高原过去千年高分辨率气候变化重建还很少. 对采集于青海省乌兰地区祁连圆柏林上限的树轮样本进行了气候响应分析, 揭示了上限祁连圆柏生长主要受温度变化限制, 即与上年9, 11月和当年2, 7月的平均温度相关显著(P<0.05), 而与降水量之间不存在显著的相关关系. 基于以上分析, 重建了过去1000 a来上年9月至当年4月平均温度的变化, 转换方程的方差解释量为40.8%. 重建结果显示, 20世纪是过去千年中最暖的百年, 20世纪90年代是最暖的10 a. 重建与邻近地区的树轮、湖泊沉积记录的温度变化具有较好的一致性, 表明该重建是可靠的. 与北半球千年温度变化对比表明, 中世纪暖期时该地区的气候变化存在明显的区域特殊性, 最近400 a来, 该地区对北半球气候变化有较好的响应.     

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.     

西北地区气候暖湿化的研究进展与展望

西北地区地理位置特殊,气候变化独特,形成机理复杂,对社会和自然环境的影响突出.尤其,自21世纪初有研究提出西北气候从暖干向暖湿转型的科学认识后,其气候变化问题引起了社会各界的普遍关注,也兴起了对西北气候变化趋势、驱动机制及影响的广泛研究,多年来已积累了大量的研究成果.然而,由于以往不同研究所用资料的类型、序列长度和时空分辨率不同,所关注的时段和区域不同,认识问题的视角和维度不同,使得存在一些分歧认识或者相悖结论.鉴于此,本研究通过系统梳理西北地区气候变化研究的历史经纬,归纳已有的研究成果,综合考虑不同视角和维度,划分了西北地区增暖与干湿变化科学认识的6个阶段;概括了西北暖湿化的驱动机制;评估了暖湿化对生态、农业及水资源等的影响;预估了未来暖湿变化趋势及其存在的可能风险;提出未来研究需要从大气、水文及生态等多学科相互作用角度探讨气候暖湿化的驱动机制、暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征、地表水分循环对暖湿化的响应特征、暖湿化与水文和生态的耦合机制、暖湿化对水安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险,以及“双碳”(碳达峰、碳中和)目标下西北地区未来气候变化趋势等重点科学问题上取得突破.     

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.     

东亚夏季风年代际进退与中国和全球温度变化的联系

利用现代大气观测与中国东部历史旱涝记录等资料,提取中国东部区域干湿分布型变化的年代际信号并揭示了东亚夏季风年代际进退与中国和全球平均气温的可能联系.在东亚夏季风进退、中国东部干湿型分布和中国及全球平均气温变化的关系中,季风推进偏北时期对应中国东部"北湿南干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏冷;反之对应中国东部"南湿北干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏暖.在近千年东亚夏季风干湿型指数序列和去百年以上气候背景后的全球平均气温序列中,年代际主频振荡信号集中于60a左右.