石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。     

扰动位能在东亚夏季风变化中的作用研究现状及展望

东亚夏季风变化对中国气候有显著影响,从能量学角度探讨季风环流的动能来源对认识季风变率及其机制至关重要。在回顾传统有效位能理论的相关研究的基础上,阐述了其在应用于区域环流有效能量转换问题分析上的局限性,介绍了适用于研究区域环流能量循环和转换的大气环流扰动位能(PPE)理论,阐述了PPE理论在研究非绝热加热和局地动能转化的优越性,总结了PPE在区域环流异常与能量转换及其在夏季风变化中的作用相关研究进展,并指出未来利用PPE研究东亚夏季风变化的重要科学问题:东亚季风区季节—年际尺度上PPE的时空变化特征、主导模态及其与东亚夏季风及下垫面强迫的关系;如何建立以PPE为纽带的东亚夏季风环流变化的能量学理论;下垫面加热如何通过PPE转换为东亚夏季风环流的扰动动能;寻找东亚夏季风的前期PPE信号,解释相关机制,探讨可预报性等。     

中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常

中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常国家自然科学基金项目“中高纬度低频环流系统与东亚季风低频变化及其异常”（项目编号４９０７０２３７）经过三年研究主要取得以下四方面的成果。１．比较系统地揭示了中高纬度低频环流的结构和传播特征（１）发现中高纬...     

大气准定常行星波异常传播及其在平流层影响东亚冬季气候中的作用

东亚季风区同时受世界上最广阔的大洋和陆地的影响,这种行星尺度的海陆热力对比以及青藏高原大地形的作用,从而产生很强的行星尺度扰动,并且这种扰动具有准定常的性质。利用再分析资料研究了准定常行星波活动的变化对东亚地区冬季气候异常的影响,主要侧重于年际和季节内时间尺度上的变化。在年际时间尺度上,冬季行星波两支波导的变化存在反相关的振荡关系,这种年际振荡一方面影响了北半球环状模的位相,另外一方面导致了东亚地区的气候异常。当有异常强的低纬波导时,一般对应有西伯利亚高压的减弱和我国东北、华北地区的增温;反之当有异常弱的低纬波导时,我国东北和华北温度则普遍偏低。研究还表明,行星波传播的年际振荡与东亚地区气候异常的关系显著地受到热带平流层准两年周期振荡（QBO）的调制,只是当QBO处于东风位相时,行星波传播的年际振荡才与东亚气候异常有显著的关系。在季节内时间尺度上,准定常行星波的变化与平流层极涡的低频变化密切相关,并且这种平流层极涡的异常通过和行星波的相互作用,可以自上而下影响到对流层的短期气候;平流层极涡异常下传对对流层大气环流有明显的影响,并且这种影响在东亚地区非常显著。由于平流层变化通常维持时间长,并且平流层极涡异常下传领先于对流层,因此这为东亚冬季短期气候异常的预报提供了一个新的预报依据。     

同步变化的东亚季风和印度季风:来自年层石笋氧同位素的证据

印度季风和东亚季风是亚洲季风的两个子系统.现代器测数据和地质历史重建记录均证明两个季风在季节和轨道尺度上具有相同的特征.然而,在年一年代际尺度上,两者的相互关系尚不清楚.笔者通过比较两个分别来自印度季风区(阿曼Defore洞)和东亚季风区(中国和尚洞)的超高分辨石笋氧同位素序列,研究780 a以来印度和东亚季风变化及其相互作用.阿曼石笋氧同位素记录印度季风的变化,而和尚洞石笋δ18 O则是东亚季风变化的指示器.笔者发现,在年代际尺度上阿曼石笋和中国石笋具有相同的氧同位素组成变化特征,同时反映了亚洲季风的强弱变化,表明了印度季风和东亚季风变化是同步的.     

Review of the Global Monsoon and Monsoon Marginal Zones

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

全球季风和季风边缘研究

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,[JP2]这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应

热带西太平洋暖池是引发强烈的大气对流、驱动Walker环流和Hadley环流系统的主要热源之一,对全球、尤其是东亚气候有重要影响。针对我国在提升气候预测水平方面的重大和迫切需求,国家重点基础研究发展计划项目"热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应"于2011年7月正式立项。项目拟解决的关键科学问题包括:①调控暖池形成和变异的海洋环流多尺度相互作用过程;②海洋动力过程在暖池热盐结构变异中的作用及其机理;③暖池变异对不同类型El Nio影响机理的异同和对东亚季风变异的调制机理。围绕上述关键科学问题,项目将以暖池变异为中心,关注影响和控制暖池结构与变异的关键海洋过程,以及暖池海气相互作用影响ENSO循环、东亚季风年际变异的过程和机理,重点组织开展以下3个方面有针对性的调查研究:①热带太平洋环流和暖池的结构和变异特征;②热带太平洋环流与暖池相互作用的关键过程和机理;③暖池变异的海洋—大气耦合过程及其气候效应。在此基础上,项目将力争阐明暖池影响东亚季风和我国气候变异的过程、机理与敏感区,改进模式的混合参数化方案,提出有效提高ENSO预报技巧的同化方案,为我国短期气候预测能力的提高提供科学支撑。     

20世纪气候学理论研究的十项成就

回顾了20世纪气候学理论研究的主要成就,包括世界三大涛动、高低指数、月平均环流、瓦克环流、温室效应、月平均环流预测、ENSO预测、时滞振子理论、温盐环流及季平均环流预测。另外,对可能成为21世纪初气候学理论研究的几个热点问题作了分析,即气候预测、东亚季风、ENSO、年代际气候变率以及温室效应的检测。     

我国青藏高原气候动力学研究的近期进展

文章回顾了我国在青藏高原气象学的基础上发展起来的青藏高原气候动力学研究的近期进展；指出了青藏高原“感热驱动气泵(SHAP)”在调制东亚季风及全球气候中的重要作用；在强调全球海陆分布所产生的“四叶型”加热L0SECOD激发出夏季副热带基本环流型的基础上指出高原的隆升增强了东亚季风的北伸；论述与青藏高原抬升相联系的高原负涡度源所激发的Rossby波对全球气候异常的影响，指出春季青藏高原的表面感热加热是造成东亚环流季节突变的重要原因，并导致亚洲夏季风首先在孟加拉湾东部地区爆发；还就进一步发展青藏高原气候动力学问题作了探讨。     

中国冰川积累与水汽来源补给分析

利用冰川编目数据和NCEP/NCAR再分析资料, 对中国及周边地区水汽通量、中国冰川地理分布情况、大气环流途径和降水分布进行分析, 发现中国冰川水汽来源复杂, 不同地区各季节存在不同的大气环流控制. 这说明不同地理位置的冰川所指示的气候信息是不同的, 大约以30° N和100° E为界, 中国西北部主要受西风环流影响, 冰川发育的水汽主要源于西风环流. 以横断山脉为界, 横断山脉以西, 即30° N以南和100° E以西的区域, 主要受印度季风控制, 冰川发育水汽主要源于印度洋、阿拉伯海和孟加拉湾; 横断山脉以东区域, 受东亚季风控制, 冰川发育水汽主要来源于太平洋和南海; 横断山脉、念青唐古拉和青藏高原东部地区受印度季风和东亚季风共同控制, 冰川发育水汽主要来源于孟加拉湾和南海. 不同地区冰芯积累量的变化与该地区夏季季风环流指数的变化具有较好的一致性.     

影响我国短期气候异常的关键区：亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”（AIPO）的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为：揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。     

不同季风时节北京近地面大气颗粒物中7Be和POPs的变化

2009年8月至2010年7月在东亚季风区中纬度城市北京连续一年以每周3天的时间尺度同步采集近地面大气中气溶胶样品并测定了宇宙射线成因核素7Be 和8种有机氯农药（OCPs）、7种多氯联苯（PCBs）的浓度。7Be浓度全年平均值为（8.39±0.49） mBq/m^3,显著高于欧洲地区具有相同纬度的城市。最高值出现在9月（15.64 mBq/m^3）,最低值出现在5月（1.35 mBq/m^3）。夏季7Be浓度值较低,春、秋季浓度值较高。对大气气溶胶中7Be进行不同季风时节的比较要比季节性的比较可更好地揭示7Be的变化规律及其来源。夏季的低值与东南季风导致的多降雨气象条件有关。秋季的高值为大气环流异常所致。OCPs和PCBs总浓度（∑OCPs和∑PCBs）呈现夏季低,秋、冬季高的现象。西风和西北风为北京市大气气溶胶中POPs浓度最高的季风时节。较高氯代PCBs （PCB153和PCB180）在冬季占主导优势。较高的PCB101和PCB118可能来自北京周边的污染源。在部分时期7Be与DDTs和δ-HCH有显著的相关性,而在春季和夏季PCB-101与7Be有很好的相关性。     

末次间冰期东亚季风气候不稳定的神农架洞穴石笋记录

基于神农架永兴洞石笋(YX21)4个230 Th年龄和303个δ18O测试数据,建立了东亚季风末次间冰期持续时间约2 ka(127.32±1.23～124.95±1.16 ka BP)的洞穴石笋高分辨率δ18O的时间序列。该洞穴末次间冰期δ18O变化曲线表现出高频振荡特征,表明东亚季风末次间冰期降水的不稳定性,并识别出该时段4个季风冷事件,这种冷事件可能与北大西洋冰漂碎屑事件有关。谱分析结果显示百年和十年际尺度的季风降水变化响应于太阳活动周期。     

特约主编致读者(Ⅱ)

全球气候正在经历快速、显著的变化,对许多领域产生了重大影响。气候变化极其复杂,包含季节至千年等不同时间尺度,其变化及机理存在较大差异。深入认识不同时间尺度的气候变化动力学过程与机理,实现古今气候的结合,是理解和应对全球及区域气候变化的关键。因此,为了更好地了解古今气候变化研究前沿及进展,特组织了“古今气候变化”专辑,共收集了11篇相关学术论文,以飨读者。 1.古气候中的沙尘变化及其气候影响 刘永岗等（2022）利用气候模式,针对前寒武时期、盘古超大陆时期、末次冰盛期和全新世中期的沙尘变化及其气候影响开展模拟研究,发现沙尘变化及其气候影响在上述时期之间存在较大差异。 2.青藏高原隆升气候效应的数值模拟研究进展概述 孙辉和刘晓东（2022）对有关青藏高原隆升气候效应的数值模拟研究进行了回顾,指出新生代以来青藏高原在隆升、生长和北移过程中,其动力和热力作用对东亚季风形成、南亚季风演化、内陆干旱化发展以及亚洲季风-干旱环境格局变迁都有重要影响。 3.上新世热带海道变化影响东亚气候的模拟研究 上新世早—中期热带海道变化对东亚气候的影响机理仍不清楚。谭宁等（2022）模拟了印尼海道收缩和巴拿马海道关闭对东亚气候的影响,指出热带海道的关闭/收缩导致东亚北部夏季气温降低、南部升高,冬季东亚大陆升温、降水减少。 4.第四纪两类千年尺度气候振荡现象及机理研究 张晓和张旭（2022）基于目前对DO和HS-DO两类千年事件的研究现状,总结了已有的可反映千年事件的重建数据,利用以往模拟工作回顾了现有的机制理论,评述了目前研究DO和HS-DO事件的局限性。 5.季节性海冰驱动的冰期北大西洋“电容器”效应 张旭等（2022）模拟了氧同位素3阶段的一个典型DO事件过程,探讨了冰阶冷期北大西洋气候变率的放大机制,表明北大西洋季节性海冰的存在可以调控海洋次表层热量积累释放的过程,产生“电容器”效应,这对理解冰期年际年代际气候变率放大现象有启示意义。 6.全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究进展 孙炜毅等（2022）从数值模拟的角度,回顾了全新世亚洲季风百年千年尺度变化的模拟工作,并从外强迫和内部变率这两个角度对机制进行了探讨,有助于深入理解全新世亚洲季风演变及机理。 7.全新世中期中国气候和东亚季风：PMIP4模式结果 田芝平等（2022）分析了多模式模拟的全新世中期中国气候和东亚季风变化,指出：全新世中期中国年和冬春季偏冷,夏秋季偏暖;降水、蒸发和有效降水的年变化较小,季节上均表现为冬春季减少,夏秋季增加;东亚冬、夏季风加强。 8.亚洲高山区全新世中期气候及其影响下的冰川模拟 燕青（2022）模拟了全新世中期亚洲高山区的气候变化,分析了亚洲高山区冰川变化及其区域性,探讨了温度和降水变化对冰川的作用,研究有助于加深理解全新世中期亚洲高山区冰川的变化格局和驱动机制。 9.陆面过程与天气研究 陈海山等（2022）从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展。 10.前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常对中国东部春季极端降水频次的可能影响及预测价值 张梦琪等（2022）的研究表明：前冬戴维斯海峡—巴芬湾区域海冰异常偏多时,北大西洋易出现经向三极型海温异常,该信号持续到春季并通过激发欧亚遥相关波列调制中国东部的动力和水汽条件,为春季极端降水发生提供有利背景环流。 11.中国区域性暴雨事件未来变化：RegCM4动力降尺度集合预估 周波涛等（2022）采用追踪式的客观识别方法,对中国区域性暴雨进行了识别,并从发生频次、持续时间、平均降水量、平均影响范围和综合强度5个方面预估了其未来变化,为应对气候变化提供了依据。     

我国重大气候灾害的形成机理和预测理论研究

国家重点基础研究发展计划项目“我国重大气候灾害的形成机理和预测理论的研究”把20世纪80年代以来我国所发生的旱涝重大气候灾害作为项目研究的切入点,从气候系统各圈层的变化及其相互作用,特别是从气候系统中海—陆—气各子系统的变化和相互作用及其对我国重大气候灾害的影响机理入手,对我国重大气候灾害进行了深入分析研究,提出了与我国旱涝重大气候灾害形成机理有关的“东亚气候系统”新理论,指出这个系统的时空变化特征及其对我国旱涝等重大气候灾害发生的重要作用;从东亚季风—西太平洋暖池—ENSO循环相互作用及机理的研究,提出了热带西太平洋对热带太平洋ENSO循环的热力和动力作用以及与亚洲季风的相互作用过程,指出了ENSO循环的不同阶段对于东亚季风和我国气候异常的不同影响及其机理;提出了高原热力适应理论,应用此理论揭示了高原热力变化对南亚高压东西振荡影响的物理过程。在上述理论研究的基础上提出了ENSO循环的数值预测模式和我国跨季度和年度气候异常的数值预测系统,研制了新一代气候耦合数值模型中的大气环流数值模式。通过这两个预测系统的研制使我国对ENSO事件预测水平有了较大提高,并成功地预测了我国1998—2003年夏季所发生的严重旱涝气候灾害。此外,成功地进行了我国西北干旱区陆—气相互作用观测试验,获取了许多有关我国典型干旱区陆—气相互作用有价值的科学数据,并得到许多原创性的科学结果,为开发大西北提供了可靠的气候环境资料。本项目的完成不仅为今后开展我国重大气候灾害的发生规律、成因与预测研究奠定了坚实的理论和数值模型基础,而且对于国家旱涝气候灾害预测水平的提高,减轻气候灾害造成的经济损失具有重要的经济和社会效益。     

青藏高原初春积雪的多尺度变化与北大西洋海温的关系

青藏高原冬、春季积雪变化影响东亚甚至全球春、夏季的环流及气候异常。利用中国西部环境与生态科学数据中心提供的中国雪深长时间序列数据集,美国大气海洋局提供的全球逐月扩展重建海表温度,以及欧洲中期天气预报中心提供的逐月再分析数据,对青藏高原初春（3、4月）积雪的多尺度变化与北大西洋海表温度的关系进行了研究。结果表明,初春青藏高原雪深异常与初春北大西洋关键区海温异常有显著的负相关关系。当初春关键区海温正（负）异常时,初春高原中部偏北腹地地区、东南部地区积雪深度减少（增加）;初春北大西洋关键区海温异常通过激发下游青藏高原上空大气波列以及波作用通量异常来影响高原局地区域的温度和垂直运动,从而影响降雪的产生和积雪的累积。该结果为青藏高原初春积雪的多尺度变化及其影响提供了依据。     

青藏高原东缘古近纪沙漠及其对季风起源的启示

沙漠沉积是地质历史演化过程中的一种特殊沉积,是特殊气候条件下的产物,对研究全球气候变化、大气环流样式具有独特的作用。沙漠沉积在地质历史中普遍存在但极少保存,它的发现和研究对恢复地质历史具有重要意义。研究表明,现代东亚季风系统建立前,尤其是古近纪早、中期,青藏高原东缘仍然处于行星环流所控制的干旱带内,发育了大量代表干旱炎热气候的石膏与盐类沉积,但至今尚未找到沙漠存在的确切记录。近年来,笔者采用沉积学、古气候学、古地理学等手段,并结合前人研究资料,对青藏高原东缘沉积盆地的古近纪早、中期红色地层进行了综合研究。结果表明,青藏高原东缘存在一个厚度稳定的古近纪早、中期风成沙丘富集带。在此基础上,通过古地理、沉积模式及古气候替代指标等分析,论证了青藏高原东缘存在古近纪盆山型沙漠沉积体系的可能性。沉积相、古流向分析揭示,青藏高原东缘存在一个由干旱向潮湿、由行星风系向季风风系转换的界面,可能暗示了东亚季风建立事件的发生。本研究相关成果可为新生代中国干旱带演化与全球气候变化研究提供可贵的沉积学资料,也可为青藏高原隆升与东亚季风起源研究提供重要的大气环流证据。     

晚新生代黄土高原风尘序列的粒度和沉积速率与中国北方大气环流演变

文章以风尘沉积的粗粒和细粒组分与季风和西风环流的联系为基础,利用黄土高原中部的洛川剖面、西峰剖面和灵台剖面的粒度和沉积速率记录,讨论了晚新生代中国北方季风环流和西风环流的演变历史,总结了这一时期大气环流演变的基本规律和大气环流演变的动力机制.研究表明,自8～7Ma风尘沉积发育至5Ma左右,西风环流和季风环流都有减弱的趋势;自5Ma以来,西风环流和季风环流的强度都在逐步加强;与此同步,季风环流对风尘沉积的贡献增加,而西风环流对风尘的贡献逐渐减小,这一逐渐发展的大气环流趋势与北半球高纬冰盖的逐步发展有关;大气环流的这种趋势变化在8～7Ma,3.4Ma和1.2～0.9Ma这几个时期存在着突变,可能反映了青藏高原的阶段性隆升对中国北方季风环流演化的决定性作用以及对西风环流结构和强度的重要影响.中国北方大气环流在轨道尺度变化的基本特征是,低空季风环流在冰期加强,在间冰期减弱.西风环流和季风环流在冰期和间冰期的强度和格局可能主要与全球冰量的基本状况和青藏高原原面的性质有关.黄土高原的风尘记录在万年尺度和千年尺度的气候事件上都表现出相当明显的区域差异,可能主要与局部地形的大气环流效应有关.     

欧亚大陆湖泊记录和两万年来大气环流变化

159个湖泊地质记录提供了欧亚大陆两万年来大气环流变化信息。盛冰期北欧低湖面而地中海地区高湖面,反映冰流反气旋控制和西风带南迁。随着晚冰期冰流高压减弱、西风带回迁,南欧为低湖面而北欧低湖面范围减小。全新世早中期北欧阻塞高压发展,干燥炎热;南欧地区性季风环流加强,气旋雨增加。中国青藏高原至东西伯利亚高湖面,反映东亚季风扩张、季风雨以及高原对流雨增加。晚更新世以来湖泊所反映的西风带和季风环流变化,揭示了辐射异常和北半球冰流消长的动力控制。