44万年以来北京地区石笋古温度记录

北京地区洞穴石笋古温度记录表明,在440—78ka B.P.,古温度有三次较明显的周期性变化,每一周期为10万年左右,周期中最高年均温度为12—16℃,最低温度为3—5℃,最大温差为10℃左右.北京地区现代年均温度(12℃)是处于44万年以来古温度演化的高温时期.     

用一年生植物研究大气Δ14C 分布与化石源CO2排放

利用加速器质谱(AMS)技术, 通过测量北京地区一年生植物放射性碳同位素(¹⁴C), 系统分析了2009 年5~9 月北京地区大气Δ¹⁴C 水平和化石源CO₂浓度分布. 研究结果表明, 北京地区大气Δ¹⁴C最高值为29.6‰±2.2‰, 最低值为-28.2‰±2.5‰, 表现出远郊-近郊-市区依次递减趋势, 这与由人类活动(人口密度、交通流量等)引起的化石源CO₂ 排放增加呈相反的变化趋势, 即人类活动频繁地区大气Δ¹⁴C值较低. 2009 年5~9 月北京地区大气化石源CO₂浓度变化范围为(3.9±1.0)~(25.4±1.0) ppm, 每排放1 ppm 化石源CO₂可使大气Δ¹⁴C水平下降~2.70‰. 用AMS 测量一年生植物¹⁴C这一方法, 为快速示踪大气化石源CO₂浓度提供了有效手段.     

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.     

150 年以来红原雨养型泥炭中高分辨的汞同位素沉积记录

利用LUMEX 915 和多接收等离子体质谱(MC-ICP-MS)等仪器, 分别对红原一个约150 a (²¹⁰Pb 定年)时间跨度的泥炭剖面进行总汞含量和汞同位素比值测定. 发现泥炭中汞含量从底部到表 层逐渐增加, 汞同位素δ²⁰²Hg 从底部至表层呈变轻的趋势, 变化范围分别在16.7～101.3 ng/g 和 (?0.44‰±0.14‰)～(?1.45‰±0.22‰)之间. 研究结果表明, 工业革命不仅使研究区大气受到明显汞的 污染, 也使汞同位素组成呈现出变轻的趋势, 这说明人类活动排放的汞同位素与自然排放的汞同位 素有差异.     

“城市干岛”对北京夏季高温闷热天气的影响

利用北京1940~2000 年的气候资料, 对北京夏季高温闷热天气的年代际变化进行了初步研究. 20 世纪40~70 年代, 北京夏季高温闷热天气日数逐年代减少; 70~90 年代, 高温闷热天气日数逐年代增多. 虽然上述年代高温闷热天气日数的变化趋势与气温的变化趋势一致, 但高温闷热天气日数在40 年代最多, 而不是在相对最热的90 年代(90 年代的平均气温比40 年代高1.0℃左右). 从形成北京地区夏季高温闷热天气的天气系统和北京地区高温闷热天气日数与副热带高压活动的相关性的分析来看, 90 年代的高温闷热天气日数应比40 年代多, 但事实并非如此. 为了解释这一看似矛盾的现象, 分析了80 年代以来北京地区“城市干岛”的演变趋势. 结果表明, 虽然80 年代以来北京地区的气温也和全球其他地方一样呈现出变暖的趋势, 夏季的“城市热岛”强度也呈现增强的趋势, 进而增加了北京夏季发生高温闷热天气的可能性, 但由于城市化发展带来的“城市干岛”效应使北京城区夏季的相对湿度减小, 加上高温时人体舒适度对相对湿度的变化更敏感, 从而对冲掉了部分由于气温变暖和城市热岛增强而增加北京发生高温闷热天气的可能性.     

全新世黔北降水特征的石笋记录及适宜期结束时间在亚洲季风区的不等时性

基于黔北石膏洞两支石笋(SG1 和SG2)的12 个高精度²³⁰Th 年龄(误差为±2.5~55 a)和479 个氧同位素数据, 建立了全新世9.9 ka BP (相对1950 AD) 至今较高分辨率的东亚季风和印度季风交汇区季风降水序列. 石膏洞δ¹⁸O 记录表明: 9.9~6.6 ka BP, 季风降水处于降水丰沛的湿润期; 6.6~1.6 ka BP, 该时段为降水逐渐减弱时期; 1.6 ka BP 至今石笋δ¹⁸O 最为偏正, 季风降水整体处于较弱期, 其长期演变趋势整体追随30°N 夏季太阳辐射能量变化曲线. 利用时序分析方法, 对石膏洞与已发表的高分辨率石笋δ¹⁸O 记录分析发现, 石笋所揭示的全新世适宜期结束时间在不同季风区存在显著差异: 统计分析结果显示印度季风区的阿曼为7.2~7.4 kaBP, 东亚季风下的华中地区为5.6~5.8 ka BP, 而地处于两季风交汇处的西南一带则介于其中约为6.6~7.0 ka BP. 我们认为供应东亚季风水汽来源的热带西太平洋海水表面温度变化, 是可能造成亚洲不同地区全新世适宜期结束时间不一致的原因.     

距今3 ka来京东地区的古温度变化: 石笋Mg/Sr记录

通过分析石笋和其上方滴水中的Mg/Ca与Sr/Ca比值，并用Sr含量来校正Mg在初始溶液中的变化，获得Mg的固液相分配系数DMg/Ca，它与Mg/Sr比值呈线性正比，即Mg/Sr比值代表DMg/Ca值，亦即反映碳酸盐沉积时的温度变化。采自北京平谷大溶洞石笋ZFFS－1的Mg/Sr记录表明，距今3ka来京东地区的古温度变化可分为两大时期：3－2kaBP为凉湿气候，平均气温约为9．8℃；2kaBP至现今，气候以热干为特征，气温比3ka的平均值（11．7℃）升高约1℃。其中在0．5－0．2kaBP，气温比现今低约1．2℃，可能是欧洲小冰期在研究区的响应。自大约0．2kaBP开始，Mg/Sr比值与δ^18O和δ^13C同向正偏，表明气温逐渐回升，这种格局一直持续到现今。     

隋唐时期东中部地区温度变化的重建(601~920年)

根据史料对隋唐时期初终霜雪、春耕、山桃开花、秋收、海冰、柑橘种植北界等现象的记载, 重建了公元601~920年的东中部地区温度变化. 结果发现: 隋唐时期, 东中部地区的气候在总体上比较温暖, 与1961~2000年相比, 601~920年的冬半年平均温度高约0.22℃; 其中, 601~820年的冬半年平均气温比现在(1961~2000年, 下同)高约0.52℃, 821~920年时比现在低0.42℃左右; 隋唐时期的冬半年温度存在显著波动, 其在100, 50, 30和20年尺度上的最大变幅分别达到1.05, 1.38, 2.02和2.3℃; 在最暖的4个20年(601~620, 641~660, 701~720, 781~800年), 冬半年平均温度分别比现今高约1, 1.44, 0.88, 0.65℃, 在最冷的3个20年(741~760, 821~840, 881~900年), 冬半年平均温度分别为–0.37, –0.45, –0.87℃.     

石笋密度蕴含的过去气候变化信息: 以末次冰消期黄土高原西部武都万象洞石笋为例

亚洲季风区边缘甘肃武都万象洞一根石笋(WX42A)在末次冰消期不同生长时期密度变化表现出有规律的波动. 高精度²³⁰Th测年和高分辨率的石笋密度结果表明, 生长于17644~12758 a BP之间石笋密度变化时间序列在长时间尺度上与反映亚洲季风强度变化的石笋δ¹⁸O记录变化趋势非常一致, 显示出季风强度增强/减弱(δ¹⁸O值偏轻/偏重), 石笋密度随之增大/减小的特征; 在短时间尺度上石笋密度的降低也对应于一些季风减弱事件如Inter-Allerød Cold Period (IACP)、Older Dryas (OD)和Inter-Bølling Cold Period (IBCP). 总体上, 石笋密度的降低是对季风减弱、降水量减少造成洞穴滴水速率降低、结晶核减少和晶体增大、生物活动强度减弱和土壤CO₂分压降低、碎屑杂质物质增多的反映. 然而在季风极端减弱、降水量大幅度减少和生物活动强度减弱时期, 温度的变化将主导石笋密度的变化, 如在北大西洋H-1事件温度突然降低时, 石笋密度却突然增大, 这是由环境温度的突然降低使得少量下渗水在低温下溶解的碳酸氢钙浓度升高、溶液过饱和度升高而形成晶体规则紧密排列且密度较大的石笋矿物所造成的. 这种灵敏记录石笋生长历史和外界环境变化的过去石笋密度随着时间波动, 说明石笋密度在过去气候变化研究中具有极大的潜力.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

黔北石笋记录的MIS 5d/5c季风突变过程

基于黔北三星洞石笋(SX29)9个铀钍年龄和420个氧同位素分析,获得了113.6±0.3~106.2±0.4 ka BP(相对于1950年)10年际分辨率的?18O时间序列.该石笋?18O时间序列记录了MIS 5d/5c转换时亚洲夏季风强度变化的突变过程.根据突变过程中间点的年龄确定MIS5d/5c突变时间为108.1±0.3 ka BP.石笋记录对MIS 5d/5c突变时间的精确标定可以作为MIS 5阶段重要的年龄控制点,用以校正南北极冰芯记录和深海沉积记录的时间标尺.季风MIS5d/5c转换阶段也表现为类似过去4个冰消期的2个阶段变化过程:阶段Ⅰ为夏季风较弱时期,而南极温度缓慢上升;阶段Ⅱ为夏季风快速增强时期,与甲烷浓度突变同步,南极温度则上升至最高值.     

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.     

北京及周边地区5~8月红外云图亮温的统计学特征及其天气学意义

为了给北京地区的对流天气临近预报提供必要气候背景, 利用1997~2004年5~8月高分辨率的地球静止卫星逐时红外亮温资料对北京及周边地区的对流活动情况进行了统计分析, 并同使用常规地面观测资料统计的雷暴日数分布以及已有文献中基于闪电资料的分析结果进行了对比, 结果表明-52℃红外亮温的统计特征可以较好地展现该地区夏季对流活动时、空分布的基本气候特征, 特别是5, 6月份和7, 8月份亮温统计特征的显著差异表明, 影响北京及其周边地区的盛行对流系统有两大类: 一类是春末夏初发生在中纬度大陆变性极地气团中的对流, 它具有典型的热对流特征, 主要发生在午后到傍晚西部和北部的山区, 常伴随雷雨大风和冰雹天气; 另一类是盛夏季节发生在低纬度暖湿气团中的湿对流, 主要发生在华北平原和渤海周边地区, 并具有夜发性, 常伴随暴雨天气. 上述研究结果也显示出, 长时间的静止卫星逐时红外云图资料可以在一定程度上弥补地面观测资料和雷达资料在时、空覆盖率和完整性方面在对流天气气候学研究中的缺陷.     

用一年生植物研究大气△~(14)C分布与化石源CO_2排放

利用加速器质谱(AMS)技术,通过测量北京地区一年生植物放射性碳同位素(14C),系统分析了2009年5～9月北京地区大气△14C水平和化石源CO2浓度分布.研究结果表明,北京地区大气△14C最高值为29.6‰±2.2‰,最低值为-28.2‰±2.5‰,表现出远郊-近郊-市区依次递减趋势,这与由人类活动(人口密度、交通流量等)引起的化石源CO2排放增加呈相反的变化趋势,即人类活动频繁地区大气△14C值较低.2009年5～9月北京地区大气化石源CO2浓度变化范围为(3.9±1.0)～(25.4±1.0)ppm,每排放1ppm化石源CO2可使大气△14C水平下降～2.70‰.用AMS测量一年生植物14C这一方法,为快速示踪大气化石源CO2浓度提供了有效手段.     

实验测得的C2-C6二元羧酸溶液的冻结温度:冰核核化过程中的重要指标

由于大气气溶胶影响着地球辐射总量的平衡与能量的估算, 有机化合物作为气溶胶和云凝结核(cloud condensation nuclei, CCN)的重要组成成分, 其重要性已经越来越引起科学家们的重视. 而低分子量二元羧酸(low molecular weight dicarboxylic acids, LMWDCA)作为大气(包括云和雾)中气溶胶的重要成分,其在大气中的传输与转化过程中的作用尤其是对冰核(ice nuclei, IN)核化过程的影响已经成为当前的一个重要的前沿科学研究领域. 本研究利用麦吉尔大学的冻结核记数仪分别测量了不同pH的水溶液(超纯净水与自来水)中单纯态的与混合态的低分子量二元羧酸(C2-C6)液滴的冻结温度. 结果显示, 低分子量二元羧酸(C2-C6)自来水溶液的冻结温度明显的高于其相应的超纯净水溶液. 不同混合态的二元羧酸(C2-C6)的纯净水和自来水溶液液滴的平均冻结温度范围分别是: (-24.1±2.8)~(-21.3±3.9)℃和(-10.2±2.2)~(-9.5±2.2)℃, 而所测对照水(超纯净水与自来水)溶液液滴的平均冻结温度则分别是(-22.6±3.5)和(-11.2±2.4)℃. C2-C6二元羧酸的加入对于水溶液液滴的冻结温度增高的促进作用并不显著.     

新世纪以来青藏高原绿度变化及动因

青藏高原作为中国乃至亚洲生态安全屏障的重要载体,其生态系统变化已成为公众和学者关注的焦点问题之一。基于前人的研究结果,并结合相关数据分析,从气候变化和人类活动视角阐释了2000—2013年青藏高原植被绿度变化的时空过程及其原因。结果表明:2000—2013年青藏高原生长季植被覆盖度总体增加3%~5%,或称变绿了,但局部地区植被覆盖度出现下降。约98.34万km~2的区域植被覆盖度呈现增加趋势,其中显著增加的地区面积为16.85万km~2,主要分布在高原中东部;约5.73万km~2的地区覆盖度呈现下降趋势,其中0.18万km~2的地区显著下降,主要位于西藏中西部。气候暖湿化和生态建设是高原植被绿度增加的主要因素,但局部区域人类活动强度增加和气候暖干化导致的高寒植被退化也不容忽视。     

人类影响气候研究的一个新观点:人口迁移流动的作用

正传统上,人类影响气候的研究主要针对温室气体与气溶胶排放、土地利用等人类活动的特定方面.例如,IPCC第五次评估报告将20世纪50年代以来全球平均地表温度增加主要归因于人类活动的影响;1951~2010年温室气体引起的增温可能为0.5~1.3℃,气溶胶等其他人为强迫的影响可能为-0.6~0.1℃[1].最近几十年,大规模人口从乡村迁移到城市.世界城市人口占总人口的比率由1950年的30%增加到2014年的     

基于激光雷达数据的奥运大气污染控制效果评估

为有效评估2008年奥运会期间北京本地及周边地区的大气污染控制效果, 利用双波长偏振激光雷达观测数据, 分析研究了奥运会期间北京地区气溶胶消光系数的演变规律. 结果表明: (1) 在气象要素几乎相同的情况下, 2008年奥运会期间近地面(250 m以下)消光系数较2007年同期下降了42.3%, 这表明北京本地污染控制措施对改善奥运会期间的空气质量起到了明显的作用. (2) 通过对比分析奥运会前(2008年7月20日~8月7日)与奥运会期间(2008年8月8~24日)气溶胶消光系数的变化, 发现奥运会期间消光系数日均值在边界层中上层(0.5~1.5 km)减少显著. 为解释此现象, 利用NAQPMS模式分别模拟了北京周边地区在奥运会前与奥运期间对北京地区大气污染物的输送状况, 发现PM₁₀的输送量在奥运期间有36.6%的削减, 这表明北京周边地区污染控制措施对改善奥运会期间的空气质量也起到了重要作用.     

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.     

近2 ka来东海内陆架的泥质沉积记录及其气候意义

通过对位于东海内陆架闽浙沿岸泥质沉积区北部的DD2孔进行AMS¹⁴C年龄测试和粒度分析, 获得了粒度随深度以及时间变化的高分辨率曲线. 近2 ka以来DD2孔粒度曲线揭示出9次粒径变大时期, 它们与历史时期中国温度下降有良好的对应关系, 可能是东亚冬季风活动加强的响应, 其中包括首次揭示的、约990 AD的最大降温事件. 根据沉积物粒度的变化情况, 基本认同竺可桢所界定的隋唐温暖期, 并认为气候存在温暖-寒冷-温暖的波动, 且其中的相对寒冷期为750~850 AD. 研究认为小冰期开始于1450 AD, 期间的寒冷期分别约为1510, 1670和1840 AD左右. 由于所建立的时间标尺还有不确定性, 本研究所提出的冷事件的时间范围值得进一步确认.