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.     

全球气温变化的千年回顾

由于２０世纪９０年代是有记载以来全球气温最高的年份,就使得“人类活动对自然的影响”这一问题成了研究热点。但是从有记载的年代起,大气就已经不断地被温室气体污染,所以对于引起２０世纪气温剧变的原因很难简单确定。不过我们可以在不考虑现代人类影响的情况下,看一看变暖的２０世纪之前的１０００年里气温是如何变化的呢？表面看来,答案可能很简单,２０世纪变暖之前是一个“小冰期”,再向前就是所谓的“中世纪变暖期”了。不过要深入探讨这个问题,那么答案就不仅仅是这么简单了,还有很多问题需要进一步研究。 莱姆是第一个提…     

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.     

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     

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.     

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.     

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.     

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.     

贵州龙泉洞石笋在距今1600至250年间的古气候古环境重建

对贵州龙泉洞2号石笋进行了高分辨率的碳氧同位素分析和TIMS铀系测年,建立了从公元400-1750年间的δ18O和δ13C值的变化序列,重建了中国西南地区距今1 600年以来到距今250年之间的古气候和古环境演化.根据δ18O值,以1 600年为界,之前处于中世纪暖期,其后是小冰期事件.其间讨论了δ13C变化所指示的环境变化,并与其他研究成果进行对比分析.     

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.     

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.     

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.     

由造礁珊瑚重建南海西沙海区近220 a海面温度序列

在已建立的南海北部滨珊瑚     

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.     

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.     

气候增暖对我国近40年植物物候变化的影响

根据现代气象观测资料及中国科学院物候观测网络26个观测站点的物候资料，分析了近40年温度变化对我国木本植物候变化的影响，并建立了不同年代物候期与地理位置之间的关系模式，分析了当前气候增暖背景下物候期地理分布模式对温度变化的响应。结果表明：（1）物候期的提前与推迟对温度的上升与下降的响应是非线性的。20世纪80年代以后，在同等升降温幅度情况下，因降温而导致的物候期推迟幅度较因升温而导致的物候期提前幅度大；因升温而导致的物候期提前日数的变化率随着升温幅度的增大而减小，因降温而导致物候期推迟日数的变化率随着降温幅度的增大而加大。（2）物候期与地理位置的关系模式因气候变化而呈现不稳定特点。随着20世纪80年代以后我国大部分地区的春季增温及秦岭以南广大地区的降温，东北、华北及长江下游等地区的物候期提前，西南东部、长江中游等地区的物候期推迟；同时物候期随纬度变化的幅度减小。     

城市边界层温度廓线及特征的季节变化

利用北京月坛公园180 m铁塔城市边界层常规微气象观测资料, 分析了城市边界层温度及其层结的季节变化. 结果表明: (1) 与其他季节不同, 冬季地面气温日变化与其上层的气温日变化不同步, 即地面最高气温比上层提前1~2 h达到; 这种位相差表明了观测场地的地理位置、建筑物分布对观测结果的影响. (2) 除中午前后为不稳定层结以外, 其他时间, 城市冠层顶部与城市摩擦副层间的静力稳定度具有季节性变化的特征, 即冬季为弱不稳定层结, 而夏季为弱稳定层结, 这种弱稳定层结可能会抑制城市冠层内污染物向上扩散的过程. (3) 城市冠层顶部(即屋顶)对城市边界层热状态的影响具有季节性的差异, 即夏季城市冠层顶部对城市摩擦副层起加热作用, 而冬季起冷却作用, 这与青藏高原对大气热状态的影响非常相似.     

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.     

近20年来中国大陆农田表土有机碳含量的变化趋势

调研并分析了中国大陆1993年以来关于区域农田土壤有机碳变化的文献200余篇. 为了客观评价中国大陆农田有机碳的变化, 从中选出132篇具有代表性的文献, 这些文献涵盖了不同地区60000余个土壤样品的测定结果. 分析结果表明, 近20年来占中国大陆农田面积53%~59%的土壤有机碳含量呈增长趋势, 30%~31%呈下降趋势, 4%~6%基本持平. 进一步分析结果指出, 中国大陆农田表土有机碳贮量总体增加了311.3~401.4 Tg. 其中, 华东和华北地区增加明显, 但东北地区呈下降趋势. 有机碳含量增加明显的土壤类型为水稻土和潮土, 黑土下降显著. 有机碳含量增加主要归因于秸秆还田与有机肥施用、化肥投入增加与合理的养分配比以及少(免)耕技术的推广; 黑土区有机碳含量下降的主要原因是水土流失和投入不足. 为了有效地促进农田土壤碳固定, 最大限度地遏制东北地区土壤有机碳下降的趋势, 未来应通过配套技术的研究、农户培训和政府补贴等措施, 进一步推广秸秆还田、平衡施肥、少(免)耕等保护性耕作措施, 加大水土流失的综合治理力度. 与此同时, 为了应对后《京都议定书》时代对中国可能产生的减排压力, 未来需加强4个方面的研究: (1)第二次土壤普查期间及目前中国农田土壤有机碳贮量, (2)由自然因素和人为因素控制的农田土壤有机碳变化机理, (3)增加土壤碳固定及减少碳损失的有效途径, (4)农田土壤的固碳潜力及未来演变趋势.     

青海湖长链烯酮U37K′指标与实测水温拟合建立的温度方程

长链烯酮不饱和度受控于温度变化,因此烯酮温度指标被广泛应用于海洋及湖泊环境古温度重建研究.海洋中的烯酮指标与温度的关系较为一致,而不同湖泊中温度关系方程差异较大.从在欧洲、北美和中国不同类型湖泊中已开展的研究看,可产生烯酮物质的藻种差异及不同的湖泊条件可能导致不同的烯酮温度关系.因此,特