日本海中部60ka以来的风尘沉积对西风环流演化的指示

对位于西风环流下风区日本海中部LV53-23岩芯沉积物的粒度特征进行了研究,重建了日本海末次冰期(~60 ka)以来的西风环流演化历史和空间变化规律.结果显示,岩芯沉积物以粉砂为主且粒度频率分布曲线多呈单峰分布,与现代日本黄沙和前人报道的邻近区域的岩芯粒度特征一致,具有典型的风尘沉积特征.众数粒组-粉砂组分的中值粒径分析表明,粉砂组分中值粒径可以用作岩芯沉积反映西风环流的替代性指标.在亚轨道及千年尺度上,粉砂组分中值粒径在MIS 3期的冰阶-间冰阶千年尺度旋回与西风环流密切相关:冰阶时,粉砂组分中值粒径增大,这与西风急流轴较长时间位于青藏高原南部,西风环流影响范围变大,风速增强,能携带更多近源的蒙古戈壁-中国东北沙地风尘至日本海有关;间冰阶时,粉砂组分中值粒径减小,这是由于西风急流轴位于青藏高原北部,携带更多远源的塔克拉玛干沙漠风尘至日本海.而在轨道尺度上,末次盛冰期时粉砂组分中值粒径的稳定低值与北半球65°N日照辐射量良好对应,表明北半球日照辐射量和中高纬温度梯度差对西风环流远距离输运粉尘起到重要作用,盛冰期时西风急流轴受北半球冰盖扩张影响显著南移导致西风环流范围也随之南移,从而对日本海40°~50°N上空西风影响减弱.     

扩扩色勒冰芯污化层记录的青藏高原西部过去100年来大气粉尘的变化特征

冰芯粉尘记录是重建大气粉尘特征的良好指标.本文利用慕士塔格山扩扩色勒冰芯污化层重建青藏高原西部近百年来大气环境变化特征.研究发现,污化层等级和污化层厚度比率两个指标与该冰芯Ca~(2+)离子具有较好的一致性,说明其可以作为陆源粉尘的良好指标,为快速获取冰芯大气环境特征提供新手段.污化层比率与中亚粉尘源区和青藏高原北缘粉尘源区的现代沙尘观测记录具有较好的一致性,说明其能够反映近期沙尘事件的变化趋势,冰芯粉尘可能来源于两个源区的共同输入.该地区沙尘天气在1900~2010年间的发生频率呈现逐渐减少的趋势,其原因可能与粉尘源区因降水增多而引起的沙尘事件减少、西风增强引起的局地降水增多,以及青藏高原地面风速减少等方面因素共同作用有关.     

冬季西北太平洋阿留申低压-南北向海温差-西风急流正反馈过程分析

采用NCEP再分析月平均资料和SODA再分析月平均资料, 对冬季西北太平洋海洋-大气相互作用过程进行了分析. 针对阿留申低压、500 hPa西风急流、南北向海表面温度(SST)差, 分别选择了研究的关键区, 定义了阿留申低压指数、西风指数和黑潮影响区与亲潮影响区的海温差. 通过这些指数序列的相关分析以及对上层海洋动力、热力特征的分析, 得到: 阿留申低压增强时, 其西侧北风增强, 海洋上层的副极地环流圈增强, 上层海洋对低温海水的平流输送增强, 使亲潮影响区SST下降, 加大了南北向海表面温差. 海表面温差的增大, 使位于其上空的西风急流加强, 西风急流的增强使位于急流出口区左侧下方海面上阿留申低压的加强, 形成一个正反馈过程.     

青藏高原多年冻土区土壤-景观模型与土壤分布制图

为理解青藏高原多年冻土区土壤与环境的关系,同时提供青藏高原基础的土壤数据,以青藏高原多年冻土区为研究对象,基于其2009~2011年的野外土壤调查数据,筛选了10种与土壤形成密切相关的数据作为环境因子,运用决策树See5.0分别建立了青藏高原西部和东部多年冻土区的土壤-景观模型,5折交叉验证的平均精度西部为65.4%,东部为63.5%,显示模型有较好的可靠性.基于此模型,对研究区进行了土壤分布制图.结果表明,青藏高原多年冻土区以寒冻土(Gelisols)和雏形土(Inceptisols)为主,分别占总面积的34%和28%.分区来看,在高原西部多年冻土区,土壤主要以寒冻土、雏形土和干旱土(Aridisols)为主,分别占多年冻土区西部总面积的43%,30%和17%;而在东部,土壤主要以寒冻土、均腐土(Mollisols)和雏形土为主,分别占多年冻土区东部总面积的27%,26%和25%,这主要是因为高原西部气候极端寒冷干旱,而东部相对较为温暖湿润;同一种土壤在东西部的分布有海拔上的差异,也有母质等方面相同的地方.多年冻土的存在也影响了土壤的分布规律,使得干旱土在西部分布在较低的海拔,而在东部却又分布在较高的海拔.从整个多年冻土区来看,青藏高原多年冻土区东部土壤发育要优于西部,土壤类型更多,且各土壤类型所占比例也更趋于均衡.     

青藏高原东北缘黄土粒度记录的末次冰期千年尺度气候变化

末次冰期以来, 北半球高纬地区气候变化是否对青藏高原地区高原季风产生影响以及高原季风本身的变化规律是仍未解决的重要科学问题. 22 m厚的青藏高原东北部合作盆地黄土-古土壤剖面高分辨率的粒度记录表明, 末次冰期以来青藏高原冬季风存在明显的可与北半球高纬地区相对比的千年尺度变化, 但对冷事件(Heinrich事件)的响应明显强于对暖事件(Dansgarrd-Oeschger事件)的响应, 表明北半球高纬地区气候对青藏高原冬季风和高空西风同样产生了深刻影响. 在万年尺度上, 高原冬季风存在两个明显不同于北半球高纬地区气候记录的变化, 一是在36 kaBP附近(H4事件)发生了一次明显的突变增强; 二是在43~36 kaBP期间, 高原冬季风显著减弱, 可能指示了高原冬季风在万年尺度上除了受到北半球高纬地区气候系统影响外, 还受到其他因子的影响.     

青藏高原北部马兰冰芯记录所揭示的近200年来沙尘天气发生频率变化趋势

通过对青藏高原北部马兰冰芯污化层状况的分析, 提出该冰芯中污化层厚度比率是沙尘天气 发生频率的良好指标, 并揭示出近200年来马兰冰芯中污化层厚度比率呈降低趋势, 指示了这一时期沙尘天气发生频率呈减少趋势. 降水增加以及由气候变暖所引起的西风环流强度的可能减弱, 是马兰冰芯记录所揭示的近200年来沙尘天气发生频率呈减少趋势的主要原因. 研究还发现, 马兰冰芯中污化层厚度比率与δ¹⁸O值之间存在着显著的负相关, 这对研究大气尘埃含量与气候变化之间关系具有重要意义.     

青藏高原“亚洲水塔”效应和大气水分循环特征

青藏高原是东亚海陆气相互作用最敏感的地区之一.青藏高原大气水分循环结构特征不仅反映了西风气流与"大三角扇形"影响域季风水汽流的相互作用特征,而且凸现出该区域为全球能量、水汽的交换关键区,构成"亚洲水塔"形成的重要背景;隆升的高原地形和强大的表面辐射加热形成了局地上升对流和高耸入对流层中部中空"热源柱".研究揭示出此"热力驱动"下青藏高原高、低层互为反环流类似台风的自激反馈机制,其提供了"亚洲水塔"水汽"汇流"与抽吸动力效应."亚洲水塔"热源驱动机制有助于"世界屋脊"大气"热岛"、"湿岛"的形成和维持,使暖湿气流从低纬海洋向高原输送、汇聚.针对"世界屋脊"高原对流频繁、云降水异常特征,揭示出"世界屋脊"空气低密度条件对高原对流云的触发效应.分析表明,低纬热带海洋成为"亚洲水塔"大气水分循环的重要水汽源区,水汽源区可跨越赤道追踪到南半球.提出了青藏高原"热力驱动"下大气水分循环结构类似全球性大气"水塔"的观点,青藏高原特殊的跨半球大气水分循环构建出"亚洲水塔"和其周边地区独特的大气-水文功能体系.给出了西风与季风协同作用背景下青藏高原为核心区的陆地-海洋-大气相互作用的"亚洲水塔"大气水分循环物理图像.     

春季北极涛动对南海气候的影响

利用1979~2013年月降水量和NCEP再分析大气环流资料,分析了春季(3~5月)北极涛动对南海气候变率的可能影响.结果表明,春季南海多气候要素主导模态的时间系数与同期北极涛动指数相关系数达?0.4,超过95%的信度水平,二者反位相的特征在年际尺度上更加明显.当北极涛动指数为正异常时,西太平洋副热带高压减弱,热带西太平洋有异常气旋式环流,南海地区偏南风减弱,南海大部分地区降水增多,北部到华南地区降水减少,北极涛动指数为负异常时情况则相反.北极涛动可由两条途径影响南海地区气候,一是通过青藏高原南侧西风急流的波列,二是通过北太平洋西风急流区南北侧的偶极型环流异常.南海地区环流和气候的异常与这两条途径的相对强弱和配置有关,当高原南侧波列异常偏强同时北太平洋偶极型异常偏弱时,二者共同作用可增强西太平洋副热带高压和南海地区异常反气旋环流,导致降水的显著减少.当北极涛动指数为正异常时,北太平洋偶极型南支的气旋还可触发热带地区海气相互作用间接影响南海气候.     

西风急流的季节转换特征: 希夏邦马峰达索普冰川6900 m 处实地观测

为了解极高海拔地区的气候特征和气候变化, 2005 年8 月4 日, 在喜马拉雅山中段希夏邦马峰达索普冰川(28°23.04′N, 85°43.72′E, 海拔6900 m)架设了一台自动气象站(AWS), 对极高海拔地区的气候进行了连续自动观测. 探讨了此AWS 记录的一整年的观测结果, 分析了风向、风速、气温、气压和湿度等指标. 分析结果发现: 该区自2005 年10 月10 日至2006 年4月21 日期间受到西风急流的强烈影响, 而5~9 月受到印度季风的影响. 西风急流的季节转换以各气象要素发生突变为特征. 受西风急流的影响, 研究区冬季风速极高, 风速波动剧烈, 多大风日. 气温和气压波动剧烈, 气温的日较差减小而气压的日较差增大. 相对湿度和比湿剧减, 空气干燥. 夏季受印度季风的影响, 相对湿度和比湿处于高值状态. 此外, 还分析了AWS所在位置的再分析资料, 结果证实AWS 所在位置在2005 年10 月10 日至2006 年4 月21 日期间受到西风急流的强烈影响, 西风急流的季节转换是以各气象要素发生突变为特征的观测事实.     

沙尘直接辐射效应对东亚地气系统的影响

基于东亚-北太平洋地区太阳高度角在春季乃至由冬季到夏季的逐日变化规律, 选取 2001 年春季发生的3 次典型沙尘暴为例, 利用包含详细气溶胶辐射参数化方案的大气辐射传 输模型, 模拟研究了该地区太阳高度角的变化对东亚-北太平洋地区沙尘直接辐射效应的可能 影响. 研究结果表明, 在沙尘暴爆发时间从春初(或冬季)到春末(或夏季)的变化过程中, 由于 该地区太阳高度角逐渐增大, 导致沙尘在大气顶晴空正辐射强迫值增加、负辐射强迫值降低 甚至转变为正强迫. 具体表现为: 在地表反照率低的海洋上空, 春初到春末太阳高度角的增 加使得沙尘在大气顶负辐射强迫的值由大变小, 即对地气系统由较强的降温转变为较弱的降 温作用; 在地表反照率较高的沙漠及其周边地区, 春初到春末太阳高度角的增加导致沙尘在 大气顶辐射强迫由负值转变为正值, 即对地气系统由辐射降温逆转为辐射增温. 云天辐射强 迫的研究结果与晴空类似, 但低云的存在相当于在一定程度上增加了地表反照率, 它一方面 使得沙漠上空沙尘层由冷却地气系统到加热地气系统这一逆转过程发生的日期提前, 也导致 了沙尘在海洋上空负的辐射强迫比晴空时随着太阳高度的增加减小得更为明显, 甚至局部地 区因为低云的存在由弱的负强迫变为弱的正强迫. 这一研究结果说明, 在东亚沙漠附近地区, 即便是同等强度的沙尘暴事件, 因为发生的日期不同, 太阳高度角不同, 沙尘层在大气顶的 辐射强迫和对地气系统的影响也会因此不同甚至相反. 沙尘暴发生的时间越靠近初春或冬季, 在沙漠附近, 沙尘在大气顶辐射强迫越倾向为负值, 对地气系统表现为降温作用, 沙尘暴发 生时间越靠近春末或夏季, 由于太阳高度角的增大, 沙尘在大气顶越容易产生正辐射强迫, 对地气系统表现为增温作用. 简而言之, 即在东亚沙漠源区附近, 沙尘直接辐射效应可能呈 现“春初(冬季)降温, 春末(夏季)增温”的特征.     

令戈错湖芯重建过去17ka青藏高原大气环流变化

亚洲季风和西风作为北半球重要的大气环流系统,对青藏高原冰川进退、水量平衡及生态环境变化具有重要意义.大量研究重建了两者的强弱变化,但是末次冰消期以来,西风与亚洲季风强度变化仍然存在争议.青藏高原中部令戈错湖泊岩芯样品重建的末次冰消期以来令戈错粒度与介形虫氧同位素记录表明,17~11.7 ka,令戈错水位较浅且波动频繁,西风是气候变化的主要影响因素,研究区环境变化与北大西洋冷事件关系密切;11.7~10ka,对应于印度季风的增强,令戈错水位迅速升高,冬季风力变小,印度季风取代西风成为控制环境变化的主要因素;10~8 ka之后,令戈错水位略有降低,可能对应于印度季风的减弱或者冰川融水的减少;8 ka之后,响应于印度季风逐渐减小,令戈错逐渐萎缩,西风可能存在增强.末次冰消期以来西风与印度季风强弱演替历史可以归纳为:16.5 ka之前,中纬度西风强盛,青藏高原大部分区域均由西风控制,与北大西洋气候变化表现出较好的耦合关系;16.5~11.5 ka气候格局与现今类似,西风控制着青藏高原中-北部地区,而青藏高原南部受印度季风影响更大.早中全新世,夏季太阳辐射增加,印度季风增强;晚全新世,印度季风减弱,西风可能对青藏高原西部以及北部存在影响.     

慕士塔格冰芯中大气粉尘记录的季节变化

根据帕米尔东部的慕士塔格冰芯中氧同位素比值和微粒记录, 揭示了过去近40 a来该地区大气粉尘的季节变化特征. 研究显示, 慕士塔格冰芯中粉尘浓度的高值和较粗的粒径具有与氧同位素比值相似的变化趋势, 约有50%~60%的高粉尘浓度样品出现在氧同位素比值的高值时段, 即夏季高温期, 而在春季和冬季出现的频率较低. 气团反轨迹追踪结果表明西亚(如伊朗-阿富汗高原)和中亚地区是慕士塔格粉尘的主要源区, 这些源区的尘暴频发期出现在夏季(5~8月份). 而中国西部和北部的尘暴频发期出现在春季(3~5月份), 两者在时间上存在差异. 亚洲粉尘传输路径上不同地点(如日本、北太平洋和格陵兰)的粉尘浓度出现的季节与中国西北部地区一致, 其浓度峰值出现在春季(尤其是4月). 亚洲干旱区的不同区域在尘暴频发季节上存在显著差异, 这将有助于深入理解其对北半球粉尘的贡献及其气候效应.     

末次间冰期以来古里雅冰芯微粒记录与极地冰芯的对比

通过古里雅冰芯中δ18O与微粒含量的研究, 恢复了末次间冰期以来青藏高原大气粉尘和环境变化的历史. 记录显示, 青藏高原在末次间冰期时处于低粉尘值, 105 ka时高原上的粉尘浓度开始升高. 约75 ka左右进入冰期后, 微粒浓度大幅度剧增, 并在末次冰期早期(MIS 4阶段)达到了最高水平. 在末次冰盛期, 古里雅冰芯中微粒含量的增加并不显著, 与南极和格陵兰不同. 在轨道时间尺度上, 温度和北半球高纬夏季太阳辐射与微粒记录都有良好的相关性, 但也存在幅度和相位上的差异. 青藏高原及其外围山地的冰芯记录反映的是中亚粉尘源区以及粉尘传输起始阶段的变化, 而格陵兰冰芯记录反映的是粉尘最终的沉积状况, 二者的意义是不同的.     

史前时代人类向青藏高原扩散的过程与动力

青藏高原是对人类生存最具挑战性的地区之一,研究史前人类向青藏高原扩散的历史及其主要的影响因素,对认识和理解人类对高寒缺氧极端环境的适应机制具有重要价值。通过青藏高原史前遗址的测年分析和动植物遗存的鉴定,结合古气候研究的最新进展,显示史前人类向青藏高原的扩散主要经历了三个阶段：旧石器人群在距今15 000年之前到青藏高原季节性游猎;新石器人群距今5 200年后大规模定居到青藏高原海拔2 500 m以下的河谷地带;距今3 600年后人类永久定居至海拔3 000 m以上地区。气候变化对狩猎采集人群在高原的活动有重要影响,而新石器-青铜时代欧亚大陆农业发展与传播是促使人类向青藏高原大规模扩张和定居的最主要因素。     

青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间大气的质量交换

利用卫明莹1987年提出的直接诊断分析方法,使用1978～1996年逐日的NCEP资料,讨论了青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间大气质量交换,同时还利用1988-07～1993-12逐月的SAGE资料,计算了100hPa上的气溶胶和臭氧的年际变化情况.结果表明:（1）青藏高原及其邻近地区夏季以对流层大气穿过对流层顶进入平流层的输送为主,这种输送的范围和强度在盛夏7～8月份最强,出现了两个极大值中心,分别位于孟加拉湾北部和青藏高原东南侧,高原上空也为一大值区,只是比前两者小一些;冬季则以平流层大气下沉进入到对流层的输送为主,此向下的运输在1月份强度最强.（2）就青藏高原及其邻近地区上空平流层-对流层之间19年平均夏季总的质量交换来看,青藏高原及其邻近区域上空穿越对流层顶有净的对流层大气质量输送到平流层,其大小约为14.84×10~(18)kg.由此推出夏季青藏高原与青藏高原东南侧及孟加拉湾北部连成一片的区域是其周围低层大气向对流层高层及平流层低层输送的一个重要的物质通道.（3）青藏高原及其邻近地区穿越对流层顶的质量有可能将该地区中、低层气溶胶粒子携带到对流层顶附近,致使该地区对流层顶附近气溶胶浓度增大,而使臭氧浓度减小.     

青藏高原向东挤出与向北扩展——高原隆升深部过程之探讨

青藏高原下方的软弱物质在印度-欧亚大陆的汇聚挤压作用下,从增厚、抬升的高原中部向东部逃逸挤出.本文基于一条宽频地震密集台站剖面观测给出的青藏高原-秦岭构造转换带地壳和上地幔顶部结构断面,结合前人的地质和地球物理学研究成果,探讨了青藏高原物质向东的挤出,揭示秦岭作为一个可能的通道,将如何协调青藏高原物质的挤出,进而探讨上述地球动力学过程如何影响高原东缘的隆升和扩展,并对比了青藏高原东缘和北缘的地壳变形增厚机制以及地幔岩石圈行为模式之差异.研究结果揭示了,受区域大型断裂带控制的中下地壳软弱物质挤出和由软流圈地幔流触发的岩石圈底部拆沉导致的重力均衡,可能同时在青藏高原东缘下方发生,断裂和块体控制的壳内软弱物质挤出可能是青藏高原东缘边界带上大地震发生的一个重要深部孕震机制.上述两个机制的共同作用导致了青藏高原东缘与秦岭以及四川盆地构造转换带区域的高原隆升和扩展.青藏高原东缘物质挤出的深部过程与处于青藏高原北缘的青藏高原-阿拉善构造转换带区域的高原向北扩展之深部机制存在差异,而造成高原北缘与东缘差异隆升模式的根本动力学原因,可能是从青藏高原中东部(青藏高原内部)到高原北缘岩石圈性质的横向变化.     

青藏高原北部的早期隆升

青藏高原北部边界构造变形的研究是认识高原变形隆升时间及机制和印度-欧亚板块碰撞远程效应的重要途径.阿尔金断裂和祁连山北缘断裂控制的河西走廊盆地是位于高原最北端的新生代前陆盆地, 其中巨厚的沉积物和沉积演化较完整地记录了高原北部的变形隆升历史.盆地中最老新生代地层火烧沟组为山麓-河湖相沉积, 与上下地层均为不整合接触.高精度古地磁学与岩石磁学测年表明它们的年龄分别约为40.2和33.4 Ma, 前者揭示新生代青藏高原北部早期隆升的最晚时间, 推断导致高原北部隆升的印度-欧亚板块碰撞变形的前缘最迟在那时就已到达高原最北部, 阿尔金断裂和祁连山北缘断裂最晚也在那时形成和连通.后者揭示高原发生了第二次强烈变形和隆升, 并导致了盆地自此以来顺时针旋转了17°, 并使火烧沟组顶部代表的晚始新世高原最早期夷平面瓦解.     

青藏高原多年冻土特征、变化及影响

青藏高原是全球中纬度面积最大的多年冻土分布区,青藏高原多年冻土对东亚季风乃至全球气候系统都有重要影响.本文在前人研究成果的基础上,系统地梳理了青藏高原多年冻土基本特征的现状,主要包括活动层厚度,多年冻土面积、温度和厚度的空间分布,以及多年冻土区地下冰和土壤碳储量等方面的研究进展.通过补充最近监测资料,阐述了高原尺度活动层和多年冻土热状况的动态变化过程及趋势,并分析了这种变化的水文效应.随后,概述了多年冻土与生态系统、多年冻土与碳循环相互作用关系方面的研究进展.青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,对多年冻土区地表的水、土、气、生间的相互作用关系产生了显著影响,进而影响着区域水文、生态乃至全球气候系统.本研究可为冻土与气候变化相互作用关系的机理研究提供思路,为寒区环境保护、工程设计和施工提供参考经验.     

若尔盖地区湿地萎缩、草地退化沙化与北方沙尘干旱地区因果关系探索

分析若尔盖高原盆地的地质地貌、高原特有的热力学特性、流经此地的季风与控制北方干旱区的西风带的相互关系以及环境退化后下垫面改变引起的地空传递关系变化等因素；对近半个世纪以来若尔盖的降雨等气候条件与北方地区的干旱沙尘天气发生情况进行对比分析，发现北方地区的干旱风沙天气与若尔盖的降水频率存在很大程度上的相互关系。表明沙化中的若尔盖地区是一个潜在的沙源地，并有可能通过季风影响到我国北方主要干旱地区的干旱程度。在研究卫星图片、大量的气象资料的基础上，设计出了探索若尔盖地区与我国北方干旱沙尘地区关系研究的野外考查路线。并组成了多学科的联合研究小组展开了研究工作。     

长江流域梅雨带水汽输送源-汇结构

采用NCEP资料分析了长江流域旱、涝年整层水汽输送结构, 揭示了“大三角形”关键区整层水汽输送流入与流出边界总体收支呈同位相年际变化, 提出了高原周边降水异常区水汽输送结构以及夏季南海-青藏高原-长江流域水汽远距离输送模型; 采用整层水汽输送相关矢量场计算方案, 发现了长江流域旱、涝年整层水汽输送流型反位相特征; 提出季风梅雨带整层水汽输送遥相关源-汇结构综合模型及其物理图像, 即长江流域涝年水汽输送“大三角形”关键区来自海洋(印度洋、南海、西太平洋等)水汽流在高原周边“转向”效应构成了遥相关源-汇结构.