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.     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

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.     

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.     

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.     

赤道东太平洋海温异常的年际和年代际变率

用 1950～ 1996年月的海温异常 (SSTA)资料做了年代际空间场的特征分析和用赤道东太平洋NINOC区时间序列做了子波变换 ,发现海温异常明显地存在着年代际变化 (130个月 )、年际变化 (57个月 )和准两年变化 (2 8个月 ) .依此变化规律可以预测 1997/ 1998年的E1Ni o事件 .     

赤道东太平洋海温异常的年际和年代际变率

用 1950～ 1996年月的海温异常 (SSTA)资料做了年代际空间场的特征分析和用赤道东太平洋NINOC区时间序列做了子波变换 ,发现海温异常明显地存在着年代际变化 (130个月 )、年际变化 (57个月 )和准两年变化 (2 8个月 ) .依此变化规律可以预测 1997/ 1998年的E1Ni o事件.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

外强迫因子对20世纪全球变暖的综合影响

利用LASG格点大气环流模式GAMIL1.1.0(Grid-point Atmospheric Model of IAP LASG, Version 1.1.0), 按照国际CLIVAR计划设计的“20世纪气候模拟”试验方案, 模拟研究了包括观测海温、自然驱动和人类活动在内的各种外强迫因子对20世纪全球变暖的综合影响, 发现上述外强迫因子在年际、年代际尺度上, 对地表气温的演变起重要作用, 20世纪30年代和自70年代开始的增暖, 均是由外强迫所致. 在除欧亚和北美大陆的部分区域外, 外强迫对两次变暖期间的区域温度变化也有重要影响. 大气内部噪音的影响, 在变冷期比变暖期要强.     

近0.9 ka来青海湖湖水盐度的定量恢复

通过对青海湖沉积物中成体特异湖浪介(Limnocythere inopinata)的体长测定, 运用青藏高原特异湖浪介的体长与盐度关系的经验公式, 定量重建了青海湖近0.9 ka来的古盐度变化序列. 同时利用胖真星介(Eucypris inflata)壳体的Sr/Ca比值, 结合湖水以及现生介形虫壳体的Sr/Ca比值, 定量恢复了相同时段的古盐度序列. 对两种不同方法恢复的古盐度作了比较评价, 与历史气候序列进行对比, 结果表明利用介形虫体长恢复盐度具有较高的可信度, 而利用介形虫壳体微量元素恢复盐度的方法在青海湖不适宜应用. 从恢复的盐度变化序列来看, 1160~1290年的湖水低盐度表明中世纪暖期时该地区气候较为湿润, 而小冰期的3个冷期所对应的1410~1540, 1610~1670和1770~1850年的3个湖水高盐度期表明该地区在小冰期的冷期, 气候较为干燥, 而最近几十年的高盐度和近几十年的气候暖干化是一致的. 所恢复的青海湖古湖水盐度的变化曲线与该地区树轮所恢复的降水曲线较好的一致性, 可以说明本文所重建的盐度变化是比较可靠的, 具有一定的区域代表性.     

西北地区气候湿化趋势的新特征

21世纪初有研究提出西北气候暖湿化,但由于当时变湿时段短、变幅小,对此观点有不少存疑,并且对暖湿化的趋势发展、持续时间及影响程度等问题缺乏明确结论.本研究通过构建变湿综合指数,利用多元数据,系统分析了西北暖湿化的时空特征.研究表明,在百年尺度上,西北西部和东部温度均经历了20世纪40年代和60年代至今的两个增暖期,且当前的暖期更强;西部与东部的降水在很多时期呈跷跷板变化,但21世纪开始西部与东部同时进入增湿期. 1961年以来西北西部基本为一致变湿趋势, 1987年以来更为显著;而东部在1961～1997年呈干化趋势,1997年也转为湿化趋势.西部的温度、降水和干燥度变化一致性较好,大多时段以冷干和暖湿为主;而东部变化的一致性较差, 21世纪之前很少出现暖湿时段,直至21世纪暖湿配置才较为频繁.西北地区温度呈现空间一致的增加特征,且变暖程度逐渐增强;降水则呈西增东减的空间变化,但西增东减的分界线近3个气候态时段以来持续东扩.西北地区降水、干燥度和变湿综合指数均表现为非线性增强,变湿的增强、东扩征兆显著, 21世纪以来尤为突出.不过,当前气候暖湿化并没有改变基本的气候形态,但如果未来气候趋势持续当前的增强特征,对基本气候形态的改变并非没有可能.气候变湿的增强、东扩特征可能是21世纪以来西风环流和东亚夏季风环流协同增强作用的结果.     

全球气候变暖的背景

全球气候变暖是指全球气温升高。近100多年来,全球平均气温经历了冷－暖－冷－暖两次波动,总的来说为上升趋势。进入20世纪80年代后,全球气温明显上升。     

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.     

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.