氧同位素在古温度重建及水循环研究中的应用

适宜的温度是宜居地球最基本的要素之一.地质历史时期海水温度演变规律成为揭示地球气候变化和生物演化的关键环境参数.目前,恢复深时古海水温度最常用的技术手段是碳酸盐和磷酸盐矿物化石骨骼的氧同位素组成.但该方法面临成岩蚀变、化石属种的生命效应、区域性海水氧同位素组成差异、海水氧同位素组成是否随时间发生变化等诸多不确定性因素的影响.本文在回顾深时氧同位素古温度计基本原理的基础上,详细评估了成岩蚀变、生命效应、区域性海水同位素组成等不确定性因素对准确重建深时古温度的制约和解决方法;同时,还对应用氧同位素指标开展深时地表和深部水循环研究中的进展与存在的问题进行了探讨.     

近百年中国气候变化科学问题的新认识

全球和中国的气候变化问题日益受到各国政府、科技界和公众的关注.其中科学问题作为气候变化影响和对策的科学基础与支撑,得到了广泛而深入的研究,无论在国际上还是在中国都取得了重大进展.本文从全球的视野对与中国气候变化有关的6个方面的重要科学进展和新认知作了概述.它们包括:(1)近百年中国区域地表气温和大气平均气温的变化特征;(2)中国地区的水循环与区域降水变化;(3)亚洲季风的长期变化与原因;(4)海洋在近百年中国气候变化中的作用;(5)中国气候变化的原因;(6)全球与中国气候变化的预估和检验.最后,本文对未来中国气候变化研究需要加强的重点科学问题也提出了研究建议.     

古生代-中生代之交的水循环演变及驱动机制

水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的重要物质循环过程.本文根据地质记录和深时气候模拟等数据总结了古生代-中生代之交的水循环演变.结果表明,水循环在晚古生代、早中生代发生了重大变化:(1)地质记录恢复的气候带显示,当时全球的干旱带发生了明显扩张,蒸发岩面积从中-晚二叠世开始扩张,到早三叠世达到顶峰,中三叠世恢复至中-晚二叠世的水平,晚三叠-早侏罗世继续收缩;(2)全球年平均降水量在晚石炭、早侏罗世较高,中-晚二叠世和早三叠世较低,呈现为“V”字形变化,显示出一次重大的波动;(3)全球大陆的聚合可能导致泛大陆巨型陆面风和特提斯区域跨赤道风的形成,进而构成全球性的超级季风;(4)热带辐合带摆动的纬度位置在志留纪-石炭纪以及侏罗纪-现代较低,在二叠纪-三叠纪时期向高纬度大幅度漂移.根据事件发生的时间,这些水循环的重大变化与泛大陆的聚合、华力西造山、晚古生代冰期的结束以及大量碳释放和升温事件吻合,这些因素与当时的大气环流和水循环的变化存在密切联系:泛大陆的聚合改变了当时水储量的空间分布,同时改变了大气环流和“季风”,进而导致中-晚二叠世干旱带开始扩张,降水量减少;晚古生代末期华力西造山运动...     

气候学:过去、现在与未来

自20世纪70年代提出气候系统概念以来,气候学研究发生了巨大的变化。本文把此后的气候学研究视为现代气候学,而之前的称为过去的气候学。作者认为,未来的气候学是从天文气候学到宇宙气候学;由于气候变化及其预测的不确定性,人类必须学会适应气候变化,求得可持续发展。     

太阳驱动地球环境变化研究进展

太阳是地球表层系统最重要的能量来源,地球表层环境变化记录中含有太阳辐射变化或太阳活动的印记,实际观测的太阳辐射变化却被认为不足以引起地球气候系统的剧烈变化,不同学者发展了多种物理模型来解释太阳驱动地球环境变化的机制。本文从地质记录入手,综述了太阳影响不同时间尺度气候变化的地质[CD*2]生物记录,评述了几种放大机制,发现这些物理模型在解释某种气候现象时具有很好的适用性,但在其他方面也往往存在一定缺陷。我们认为：太阳变化是驱动地球环境变化的最根本因素;地球环境变化可能直接响应太阳变化。要么太阳活动引起的辐射量变化在气候系统中的作用被低估,要么还有未被发现的新机制,未来的研究应该针对这两个问题展开。     

季风与大气环流系统

人类有气象仪器记录的历史太短, 不足以捕捉气候系统全部的变率, 更难以用来预测未来数十年到数百年的气候变化. 重建过去气候变化的历史、理解其机制和过程可以在很大程度上弥补上述不足. 在气候系统中, 由于季风的演化与变率对人类经济、文化和生活节奏的许多方面均有重要影响, 其研究工作对社会的重要性也日益增加. 亚洲季风受欧亚大陆和印度洋-太平洋之间海陆热力差异及青藏高原的强烈影响, 是气候系统非常重要的一个组成部分. 从气候学上讲, 季风区是大气对流活动最强烈的地区, 与热带辐合带密切相关, 对全球大气的热量和水汽传递起着非常重要的作用[1]. 通过地质记录来揭示季风在地质历史时期的变化过程和机制, 对更好地理解季风的变化规律、预测其未来趋势至关重要.     

古生代-中生代之交海洋生物泵演变与浮游革命

探究深时海洋生物泵的演变,对理解现代海洋碳循环的过程和机制有重要启示意义.显生宙海洋生物泵主要包括两种类型:古生代型(古生代-中三叠世)和现代型(晚三叠世-现代).古生代型生物泵以浅海底栖藻类和浮游疑源类为主导,现代型由远洋超微浮游生物主导.此外,在二叠纪-三叠纪之交大灭绝这一特殊地质历史时期,由于古生代型的海洋生物泵遭到摧毁,海洋的碳循环被扰乱,海洋中短暂出现了由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊生物泵.化石记录表明,浮游藻类(颗石藻和沟鞭藻)在晚三叠世起源并在侏罗纪快速辐射,促进了现代型远洋浮游生态系统的建立,即“中生代海洋浮游革命”.这被认为是中生代海洋化学革命的关键驱动因素,同时也驱动了海洋底栖生态系统的重组(中生代海洋动物革命).浮游藻类的繁盛增强了远洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力,提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力.因此,关键海洋生产者的起源、演化及控制因素是深时碳循环领域未来需要重点研究的科学问题.     

古生代-中生代之交海洋生物泵演变与浮游革命

探究深时海洋生物泵的演变,对理解现代海洋碳循环的过程和机制有重要启示意义.显生宙海洋生物泵主要包括两种类型:古生代型(古生代-中三叠世)和现代型(晚三叠世-现代).古生代型生物泵以浅海底栖藻类和浮游疑源类为主导,现代型由远洋超微浮游生物主导.此外,在二叠纪-三叠纪之交大灭绝这一特殊地质历史时期,由于古生代型的海洋生物泵遭到摧毁,海洋的碳循环被扰乱,海洋中短暂出现了由蓝细菌和其他自养细菌为主导的特殊生物泵.化石记录表明,浮游藻类(颗石藻和沟鞭藻)在晚三叠世起源并在侏罗纪快速辐射,促进了现代型远洋浮游生态系统的建立,即“中生代海洋浮游革命”.这被认为是中生代海洋化学革命的关键驱动因素,同时也驱动了海洋底栖生态系统的重组(中生代海洋动物革命).浮游藻类的繁盛增强了远洋生物泵和碳酸盐泵的固碳能力,提升了海洋生态系统对碳循环扰动的缓冲能力.因此,关键海洋生产者的起源、演化及控制因素是深时碳循环领域未来需要重点研究的科学问题.     

深时古土壤——远古地球环境演变的“记录仪”

深时地球环境演变的定量化和系统化研究对于服务宜居地球建设意义重大。古土壤是认识深时地球历史演化的一把钥匙。文章简要地介绍了深时古土壤的鉴别特征，并从深时古气候环境重建、深时古景观恢复、深时关键带研究和重要地质气 候事件响应等四个方面论述了深时古土壤的应用研究，旨在为深化深时古土壤研究和深入理解深时地球环境演变提供借鉴与证据。     

中更新世气候转型:特征、机制和展望

中更新世转型(mid-Pleistocene transition,MPT)的特征、机理及其影响一直是古气候研究的热点问题之一.通过综合分析全球代表性的地质记录,揭示出海洋和陆地气候变化在中更新世(距今~1.2至~0.7 Ma)多表现为从准4万年到准10万年的主导周期转型,但低纬地区水文气候的周期变化不显著.数值模拟研究表明,地球轨道参数变动引起的太阳辐射变化可能是冰期-间冰期气候旋回的根本驱动,而下垫面和大气CO2浓度变化的反馈机制则触发了中更新世气候周期转型并放大冰期-间冰期的波动.因此,MPT是地球气候系统内外部多个因素共同作用的结果.未来研究一方面应加强中低纬地区水文循环变化研究,关注中更新世气候转型影响的区域差异;另一方面通过整合气候重建和模拟结果,辨析区域气候变化响应差异的主要诱因.     

地质作用与碳循环研究的回顾和展望

大气温室气体浓度升高与全球气候变化相互关系的探讨使地球系统的碳循环受到了越来越多的关注. 后者是指碳在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间, 以CO₃^2- (以CaCO₃, MgCO₃ 为主), HCO₃^-1, CO₂, CH₄, (CH₂O)_n(有机碳)等形式相互转换和运移的过程. 它既可制约一系列资源环境问题, 如农林业和水泥生产、化石燃料的形成分布、大气CO₂ 浓度变化等, 也受制于一系列地质作用, 如风化作用、搬运沉积作用、地震火山作用等.掌握其运行规律和机制, 是可持续发展的重要科学支撑.     

碳循环对气候变化历史责任归因的影响

全球碳循环是气候变化的根本问题,其长期演变决定了人类导致的气候变化的速度和程度,也决定了稳定大气CO2浓度的减缓政策的制定和减排技术的施行.本研究利用2个参与了第5次耦合模式比较计划的耦合了碳循环过程的地球系统模式CESM和BNU-ESM,模拟研究了工业革命以来碳循环对气候变化历史责任归因的影响.模拟结果表明,以大气CO2浓度的升高为衡量指标,相比通常研究中以累积排放量为指标,发达国家碳排放的历史责任减小了6%~10%,发展中国家增大了6%~10%.这是由于历史时期(1850~2005年)发达国家占主导的工业碳排放对这一时期海洋和陆地固碳量的增加贡献了61%~68%和61%~64%,而发展中国家贡献了32%~39%和36%~39%.因此发达国家排放情景下,相对较大的全球碳汇固碳量减小了发达国家碳排放的历史责任,但也由于海洋吸收了更多的碳,使得发达国家对全球海洋的酸化负主要责任(68%).而且发达国家的高排放降低了全球碳汇的固碳效率,可能影响未来长期的固碳量,加剧全球增暖的程度.因此未来在制定减排方案时,需要进一步考虑到碳循环过程对减排方案的响应和影响.     

深时气候演变和板块运动

<正>碳在地球各个圈层中的流动和转化过程称为地球的碳循环.地球的碳循环过程可以划分为表层和深部碳循环.两个碳循环过程密不可分,以不同的时间变率相互交织共同维持着地球上气候平衡.古气候指标数据显示,新生代以来大气中的二氧化碳浓度(pCO₂)与地球表面温度之间存在着显著的正相关关系,即当二氧化碳浓度上升时,地球表面的温度也会随之升高^[1,2](图1(a)).     

显生宙长时间尺度碳循环演变的模拟:现状与展望

长时间尺度碳循环演变控制了大气CO₂的含量.显生宙以来,大气CO₂含量的变化及其对地表气温的控制,是古气候地球化学研究的前沿领域.地球系统箱式模型被广泛用于揭示长时间尺度碳循环和古气候变化的过程与机制.以COPSE(Carbon-Oxygen-Phosphorus-Sulphur-Evolution)和GEOCARB模型为代表的早期长时间尺度碳循环模型,在应用于显生宙大气CO₂含量变化研究上成效显著,但因无法表达地球三维地表的影响,制约了其进一步发展.新发展的SCION(Spatial Continuous Integration)模型基于COPSE模型,结合了GEOCLIM模型中运用的FOAM(Fast Ocean-Atmosphere Model)气候模型数据集,实现了大陆风化的动态表达,进而更准确地表征了长时间尺度的碳循环演变.然而,最新版SCION模型模拟的大气CO₂含量变化,仍与大气CO₂的地质指标记录存在不一致之处.采用多箱式海洋替代单一箱式海洋,区分硅酸盐岩性对风...     

澳大利亚墨累-达令河流域水文气候变化的影响与适应对策

应澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO)邀请,2018年4月清华大学组织科技考察团赴澳大利亚墨累-达令河流域开展为期一周的科学考察。考察团从墨累河出海口逆流而上,通过学习交流、现场考察和访问农场等方式,与澳大利亚同行们进行了深入交流,对澳大利亚墨累-达令河流域的气候变化与水的影响与适应对策研究,尤其是陆面水文-气候、极端水文研究、水资源管理体系的最新动态,及其气候变化应对与减缓、极端水文事件风险管理等进一步了解。此次考察对认识多时空尺度的气候-陆面-水文相互作用机理及其对自然强迫和人类活动(含人为强迫和下垫面人类活动)的响应机制,揭示全球气候系统能量-水循环动态演变规律和极端水文事件变化成因,构建全球增暖背景下应对极端水文事件的风险管理体系,提出中国适应性对策具有重要的借鉴意义。     

青藏高原水体中稳定同位素研究

从1961年开始, 国际原子能组织(IAEA)和国际气象组织(WMO)联合启动了全球范围内的降水中稳定同位素监测(GNIP)计划, 最多时有500多个站点加入. 该计划的最初目标是通过降水中稳定同位素监测解释全球水循环过程中的地球化学特征, 为水资源管理提供基础数据. 但在计划的实施过程中, 却发现了全球中高纬度地区降水中稳定同位素变化与气温之间的关系. 这一发现被应用于古气候研究, 并成功恢复了极地冰芯中稳定同位素所记录的气候变化. 同时, 水体中的稳定同位素也被作为一种天然示踪剂, 广泛运用于水循环过程研究并验证GCM模型的可行性.     

深部碳循环：来自火成碳酸岩的启示

全球碳循环研究对于理解现今及未来大气圈CO2浓度及其变化趋势至关重要。传统的碳循环研究多侧重于探讨碳元素在大气圈、水圈、生物圈等地球表层之间的循环过程,基本不讨论地球内部圈层碳元素地球化学的行为与循环,现在发现传统的研究方式已很难深刻认识大气圈CO2浓度变化的规律。探讨地球内部与表层碳元素双向交换过程的深部碳循环研究应运而生,成为当前全球碳循环研究的主要方向。火成碳酸岩主要由碳酸盐矿物所组成,是地球内部碳元素含量最高的岩石,因而成为深部碳循环研究的主要对象之一。当前的研究发现,相当一部分火成碳酸岩中的碳来自大气圈的CO2,是再循环的碳。地表附近消耗大气CO2所新生成的沉积碳酸盐岩借助板块深俯冲作用被带入地球内部,在（超）高温和含水条件下发生部分熔融作用,形成碳酸岩浆,后者再上侵形成火成碳酸岩,或者直接喷发至地表,碳元素又重返地球表层。因此,地球内部的构造运动主导碳元素在地球表层与内部的循环过程,进而控制大气圈CO2浓度长周期变化的趋势。     

岩溶作用对环境变化的敏感性及其记录

自70年代以来逐步发展起来的现代岩溶学具有以下两个特点:一是引入了地球系统科学;二是从全球的角度研究岩溶.国际地质对比计划299项目“地质、气候、水文和岩溶形成”(1990～1994年)被认为是这一趋势的里程碑.通过现场测试,已清楚地认识到了碳循环与岩溶形成之间的相关关系.作为地球上最大碳贮库的全球碳酸盐岩,其总含碳量为10~(16)t.它们曾被认为只在地质历史时期是活跃的,而在人类时间尺度上并不重要,但已有的发现清楚     

地球内部流体的动力学过程与机制

<正> 1 现代地球科学 地球内部流体行为研究涉及到5个方面的问题:即流体在地球内部不同层位的(1)存在形式;(2)分布;(3)来源;(4)迁移过程以及(5)迁移过程中与所附存的岩石间所发生的化学的和物理的作用。这5个方面代表了地球内部流体研究的最关键性问题。地球内部流体的动力过程(dynamic processes)则主要是指第(4)和第(5)个问题。由于进行地球内部流体研究所涉及问题的广泛性和特殊性,以及进行地球内部流体研究时必须以整个现代     

流域“自然-社会”二元水循环理论框架

流域水循环的“自然-社会”二元演变是导致近年来水问题和水危机的本质原因. 实现缺水地区供用水、水环境、水生态安全的国家目标, 必须依靠以流域水循环为统一基础的水资源科学调控, 其首要的科学基础是对高强度人类活动干扰下的流域水循环与水资源演变的内在机理及其规律的认知. 本文从我国二元水循环演进历史、流域二元水循环理论、典型流域水资源演变规律、流域二元水循环模式与概念模型4 个方面进行探讨, 为变化环境下水循环的基本认知模式、现代环境下水资源衰减规律等提供研究参考.