美国西部近8000年来树木年轮重建降雨量序列中的气候突变

1 IntroductionThe U niversity of A rizona Laboratory of Tree-Ring Research collected tree-ring sam ples from anum ber of long-lived trees, dating back thousands of years, from eight states in the w esternU nited States. H ughes and G raum lich (1996) pres…     

湖北省近500年区域干湿序列重建及其比较分析

在历史旱涝记载资料可靠性检验的基础上,重建了湖北省3个区域近500年来的干湿气候变化序列,并比较分析了各区域干湿气候变化的趋势特征、准周期性及跃变现象。结果表明:在3个区域中,鄂东区1570~1770、1890~1950年两个时段偏湿,1470~1520、1790~1830年则偏干;鄂北区偏湿时期主要在1470~1530、1710~1750、1850~1910年三个时段,1470~1530、1770~1830年则偏干;鄂西南区有1550~1610、1650~1710、1830~1890、1930~1990年4个主要偏湿时期,而无明显的偏干时段。运用功率谱和小波分析对3个干湿序列研究后发现,3个区域干湿变化具有多个气象周期,区域间周期类型差异显著,但50~70年左右的周期在3个区域上均表现突出;采用滑动t检验方法辨识干湿气候跃变现象,在"世纪尺度"和 30年尺度上检测到各区域干湿变化存在多个跃变事件,且同一跃变事件对不同区域向干(或向湿)影响的趋势相同。     

青海德令哈地区千年来降水量的突变分析

根据青海省德令哈地区海拔3500~4000 m左右的祁连圆柏树木年轮资料重建的该地区公元1000年以来的年降水量变化,使用滑动 t检验和滑动F检验等气候突变检测方法对千年降水量30年气候均值和均方差的突变进行了分析,探讨了气候突变的可能原因。研究发现,德令哈地区千年来降水量的30年气候均值和均方差发生了多次显著突变,其中均值突变14次、均方差突变8次;太阳活动极小期内的降水量与其前后同时段内降水量的均值相比存在显著差异;降水量突变发生的时间和方向与太阳活动异常较为一致,因此推测太阳活动的长期变化是导致德令哈降水量发生突变的主要原因。近一个多世纪以来,德令哈地区的降水量突变与东亚夏季风的年代际变化有密切联系。德令哈降水量发生突变的时间与我国东部地区相比具有一定的超前性,对预测降水量的长期变化趋势具有重要的指示作用。     

中国利用树轮资料重建干湿变化研究进展

树木年轮资料定年准确、分辨率高、连续性强,已成为研究过去全球变化的重要信息来源之一。中国树轮与干湿变化研究,样点分布广泛,研究树种较多,重建尺度较长。基于树轮宽度、密度和同位素等各种代用指标,在分析树木径向生长对干湿变化响应、重建历史时期干湿变化等方面取得很大进展。一般来说,在干旱半干旱区的低海拔区域,水分条件,尤其是春季、秋季和年湿润状况,是树木径向生长的重要影响因素。森林上限、相对冷湿区域以及亚热带气候区,树木生长与降水的相关性偏弱。在时间尺度上,基于树轮重建的长于1000年甚至超过2000年的干湿变化序列已有多条,主要分布在青藏高原地区。目前最长年表已达4500年,最长降水序列为3500年。本文通过对部分树轮成果的简要概括,以期为树轮采样和干湿变化重建提供借鉴与帮助。     

基于历史文献的1470-2008年中国西北地区气候干湿序列分区重建

基于历史文献中的旱涝灾害记录,采用5级制划分的旱涝灾害等级,使用系统聚类法将中国西北地区19个站点划分为7个分区,利用湿润指数公式重建了西北地区7个分区1470-2008年的年分辨率干湿变化序列,比较分析了各分区干湿气候变化的阶段特征、周期性及跃变现象。结果表明：重建序列信度较高,可用作气候干湿变化研究。西北地区7个分区1470-2008年干湿变化存在着11 a、25~35 a和80~100 a的3类周期变化。其中,11 a和25~35 a的两个周期变化在整个分析时间段内表现得较为稳定;80~100 a的周期变化则表现的较不稳定。世纪尺度和气候代尺度的跃变信号各区皆有出现,位于研究区两边的陕西和玉树地区出现最少,宁夏和格尔木地区次之;位置居中的兰州、张掖、西宁等地区跃变信号出现最多,是气候干湿变化的敏感地带。检测出的干湿跃变信号主要集中在17世纪前后,近百年气候干湿变化则相对稳定。     

树轮密度对气候的响应及重建研究进展

树轮密度是重建过去气候变化的重要代用指标。过去几十年,国内外学者针对树轮密度开展了大量的研究工作,取得了丰硕的成果。论文收集了国内外有关树轮密度的研究文献,从树轮密度对气候变化的响应和气候重建等方面进行了概述。尽管树轮密度对气候变化的响应可能受到样点的地理位置、地形(如海拔、坡向等)、树种等因素的影响,但湿冷地区树轮晚材最大密度能较好地反映生长季或生长季末期温度变化;而干旱地区的早材平均密度能揭示生长季早期的降水变化。因此,目前大多数研究以重建生长季或生长季末期温度为主,也有重建降水量、海平面气压变化的案例。此外,重建方程的方差解释量存在空间和树种间的差异,但这些差异需要更多的研究工作加以验证。最长的重建序列来自于欧洲,长达2018 a;国内基于树轮密度重建的最长温度序列来自于西南地区,长达449 a。另外,树轮密度序列在对温度响应的分异性问题以及评估强火山喷发的降温效应方面还存在争议。其争议源于树轮密度与温度关系还受到其他环境变量与人为因素的影响,因此今后研究还需关注树轮密度与降水、光照等其他气候变量的关系,同时也要注重树种、海拔、实验方法等非气候因子的影响。     

1974-2012年陕西省榆林市气候变化统计特征

利用1974—2012年榆林市年均气温、年降水量观测资料,采用线性趋势分析、累积距平分析等方法分析了该市39年来的气候变化特征及其趋势,采用Morlet小波分析方法分析了气候序列的变化周期,还综合累积距平分析、Mann-Kendall检验以及不同子序列尺度的Yamamoto分析、滑动t检验等多种方法以准确判断气温、降水量序列的突变点。结果表明：39年间榆林市升温幅度高于减湿幅度,年均气温和年降水量变化呈负相关,2006年以来出现弱度的减温增湿;气温、降水量变化分别存在冷暖与干湿位交替的多时间尺度变化特征,其主周期分别为13、8～9、30、5年和3年、8～9年;39年间榆林市气温和降水量序列突变点不一,而且降水量序列突变不明显;判断气候序列突变点时,宜采用多种诊断方法以提高判断结果的准确性。     

1765-2010年黄河中游5-10月面降雨序列重建与特征分析

基于清代黄河流域水位志桩设置与报汛制度运作情况考证,梳理出清代陕州（陕县,今三门峡市）“万锦滩”水位志桩水尺记录数据,重建了黄河中游1765-2010年5-10月面降雨量变化序列。累积距平法分析显示,面降雨量变化具有较明显阶段性,3个降雨趋增阶段为1816-1863年、1902-1918年、1938-1989年;3个降雨趋减阶段为1765-1815年、1864-1901年、1919-1937年;Morlet小波分析显示,面降雨有5种时间尺度的周期特征,平均周期分别为72.7年,46.8年,30.3年,22.5年和11.2年;滑动t-检验显示面降雨序列存在1824-1826年、1856-1874年和1933-1937年3处突变时段最显著。通过与其他代用指标反映降雨序列及外部因子比对,在1810s、1840-1850s、1880-1900s、1920s、1970s及1990s等几个时段,各序列十年尺度变化趋势比较吻合,显示出基于历史文献和自然指标等不同代用资料重建结果基本一致,亦反映了历史气候变化研究中的不确定性特征。     

重庆新崖洞4.5ka以来气候变化的石笋微量元素记录及环境意义

根据重庆新崖洞石笋XY6已有的碳氧同位素成果,进一步探讨微量元素指标(Mg/Ca,Sr/Ca,Ba/Ca及Mg/Sr)的气候及环境意义。认为Mg/Ca比值可以作为古降水的气候指标,极好地记录这4 500 a来的气候干湿变化,尤其对4 000 a B.P.左右的季风降水减少有明显的响应。此外,Mg/Ca与碳氧同位素记录反映的气候信息也基本一致。Sr/Ca和Ba/Ca与Mg/Ca比值的变化也有相似性,但其作为气候指标的稳定性较差,易受到地表植被、土壤微生物活动等众多因素的干扰。     

北半球千年温度集成重建所使用的代用序列述评——以石笋为例

充分掌握过去全球气候变化的规律,是分析现在全球气候变化的关键。为了重建近2 000 a的全球（主要是北半球）的温度时空格局,Mann使用了1 209条代用序列。主要评价Mann等在重建中世纪暖期以来（公元800年以来）全球（主要是北半球）的温度时空格局时,所使用的46条代用序列中的8条石笋序列。其中北半球的序列（6条）要多于南半球的序列（2条）。通过对所选石笋序列的文献检索和科学评估,认为Mann等最初选用的8条石笋序列和筛选后剩余的6条石笋序列并非都代表温度信号,其中只有两条序列是原作者认为代表温度信号的,代表降水量信号的序列要多于代表温度信号的序列。所以Mann等选用这些序列重建温度有待商榷。由于石笋代用指标本身的复杂性,其气候指示意义仍然存在争议。     

河西走廊57年来气温和降水时空变化特征

采用滑动平均、线性回归等趋势分析方法以及Mann-Kendall、Pettitt 和累积距平三种突变检验方法对河西走廊地区1955-2011 年的气温和降水两个指标进行研究, 从而揭示该地区气候变化的事实及趋势。研究显示河西走廊地区的气温在过去57 年呈显著上升趋势, 升温率是IPCC第四次报告中近50 年变暖率的两倍, 达0.27℃/10a, 并且在1986 年发生增温突变;四季气温中, 冬季气温升高对年气温上升贡献最大。河西走廊年降水量在研究时段内呈显著增加趋势, 降水增率为3.95 mm/10a, 但各个流域增加趋势并不显著;雨季降水量呈不显著的增加趋势, 其年际变化与年降水量一致, 雨季降水增量对年降水量增加贡献率大;河西走廊年降水量未发生突变, 雨季降水量在1968 年发生增加突变。河西走廊温度升高, 降水量增加, 总体向暖湿化发展, 这种变化对该地区水资源脆弱性的影响需要进一步研究。     

新疆沙尘暴的趋势和突变研究

采用新疆77个站1961—2005年沙尘暴日数资料,使用Mann-Kendall趋势统计检验方法、最大熵谱分析,突变的t检验等方法分析了南北疆沙尘暴变化的趋势、周期和突变以及与气候变化的关系。结果显示：①南疆和北疆45 a沙尘暴趋势是减少的,南疆减小的趋势比北疆的强,两者趋势值是-0.25和-0.06,都通过了α=0.01的显著性水平检验,减少趋势中心分别位于南疆皮山、安得河附近和天山中段南北坡,20世纪80年代的减少趋势最大。②南疆和北疆低于45 a平均趋势值的年份大多集中在近20 a;南疆沙尘暴的周期分别为2.9 a和2.8 a,北疆为3.4 a和2.3 a。准3 a周期变化是南疆和北疆所共有的特征。③南北疆年沙尘暴日数与气温和降水呈反相关关系,与大风呈正相关关系,与大风的相关性最高;在南北疆,沙尘暴与气温、降水的相关性显著水平不同。受南北疆大风和降水量出现突变以及平均气温趋势出现明显转变影响,南北疆沙尘暴日数都在1987年出现突变。     

末次冰消期以来中国湖泊沉积记录的古气候演化及其驱动机制研究

末次冰消期是全球气候与环境出现较大变化的时段,其间发生了一系列气候突变事件,在全球不同地区以不同方式回应着这些事件的变化过程。综述了末次冰消期以来青藏高原高寒干旱区、西北干旱区、云贵高原湿润区以及东部平原地区的湖泊沉积记录的古气候演化特征,探讨了气候变化的驱动机制,并提出未来该研究领域亟待深入开展的工作,包括拓展高分辨率湖泊沉积记录的气候演化时间序列研究,提升学科交叉和与其他地质记录的对比研究,加强中国第四纪湖泊数据库和全球气候变化研究,以及加强水汽来源示踪研究。     

20世纪以来美国树木生长响应气候变化敏感度的时空差异

树木生长响应气候变化的敏感度是全球变化研究的重要内容。利用20世纪以来美国本土1058个样本点的树轮宽度指数和温度、降水数据,通过相关分析,揭示了树木生长速率年际变化响应气候变化敏感度的时空差异。研究发现：① 美国树木径向生长速率与温度普遍负相关、与降水普遍正相关,绝大多数地区树木生长受水分条件限制。② 径向生长速率对温度和降水响应敏感度呈现一定的季节差异,最敏感的季节因地区而异,这主要与不同月份温度、降水条件差异导致的水分条件变化有关。同时,径向生长速率对温度、降水响应敏感度还随着气候条件变化而变化,随着年平均温度升高（降低）,径向生长速率与温度的负相关逐渐增强（减弱）,随着年降水增加（减少）,与降水的正相关强度逐渐减弱（增强）。     

物候学方法在历史气候变化重建中的应用

利用历史物候记录重建的气候变化结果,显著地增进了人类对过去气候变化特征的认识。但现有研究在历史物候记录的提取与处理、重建方法的选择、重建结果的精度评估等方面需要进一步总结梳理。通过归纳历史物候记录的资料源以及在历史物候记录预处理过程中需要解决的物种鉴别和物候期确定问题,对现有重建方法进行总结,发现较早的研究采用了古今对比法,而近年来的研究多采用更为复杂的回归和过程模型法。上述物候学方法的重建结果对认识中世纪暖期、小冰期和近百年等典型时段的历史气候变化特征提供了重要依据,同时物候学方法重建结果与其他代用资料重建结果往往表现出较高的一致性。未来研究可在历史物候记录的整编与利用、重建方法的准确性评估与改进以及不同重建结果比对等方面,进一步深入开展工作。     

贵州麦岗水库小流域降水变化特征的小波分析

利用1960-2007年月平均降水和年平均降水数据,采用墨西哥帽小波连续函数,对贵州省紫云县麦岗水库流域近48年来降水时间序列的季节变化和年际变化进行多尺度分析,揭示了麦岗水库流域降水变化多时间尺度的结构特征,并提取各季节和年降水序列的周期变化及突变点。结果表明,不同季节和年降水存在不同时间尺度的变化周期。春季降水的变...     

Lacustrine ostracodes as stable isotope recorders of late-glacial and Holocene environmental dynamics and climate

Oxygen- and carbon-isotopic signatures of benthic ostracodes from lake sediments from climate sensitive regions in the Alpine region, Central Europe, the north-central USA, the Chilean Altiplano and Patagonia, Argentina, are used to characterize lake system processes and to reconstruct climate patterns of the past 16,000 years. The case studies provide examples that highlight different aspects of the broad application of isotope stratigraphies, and provide keys for the interpretation of complex lacustrine records.The integration of stable-isotope stratigraphy, sedimentology, and ecological information from ostracode assemblages is a new tool that acquires climate information from the indirect views of climate series provided by lake sediments. This tool (1) identifies lake system characteristics, (2) confines which isotopic signatures are controlled by which processes in the lake system and/or in the catchment, and (3) defines which signatures are ultimately controlled by climate change. If sudden shifts in the isotopic composition occur concomitantly with changes between sedimentological units, then the isotopes reflect first of all changes in catchment hydrology that may be ultimately controlled by climate. Also, if ostracode ¹⁸O and ¹³C values show the same timing and direction of shifts, then this indicates a major change in the hydrological budget of the lake.The case studies presented here show that coupled isotopic signatures may be used to track hydrological changes related to meltwater and deglaciation, shifting rivers and ground water sources, and changes in precipitation mechanisms and patterns. Values of ¹⁸O from large lakes with short water residence time, low evaporation rates and homothermic bottom waters provide records of past temperatures of precipitation. The ¹³C values reflect changes in the ratio of C₃:C₄ plants in the catchment. They indicate shifts in modes of organic decay in the surface sediments that can be linked to a change in hydrodynamics within a lake. The ¹³C values also allow detection of the input of volcanically charged ground waters providing large quantities of ¹⁴C-free CO₂ that hinders accurate ¹⁴C chronology. General climate trends for the sites in the Americas indicate a dry mid-Holocene punctuated by moist spells, and show a general increase in moisture during the past approximately 4000 years, interrupted by recurring droughts. This hints at an interhemispheric connection and a common driving mechanism.Environmental isotopes from high-resolution lake sediments thus provide an ideal tool to identify and characterize the regional impact and magnitude of global climate change. This tool contributes to a better understanding of regional climate change and its driving mechanisms and thus provides the type of information needed to improve climate models. Environmental isotopes provide more information than just moisture balance and airmass history if they are integrated with the detailed sedimentological and ostracode ecological evidence, and understanding for the component system. Thus environmental isotopes serve to a better understanding of the climate signal archived in lake records and represent an essential contribution to Global Change research and Earth System Science.     

天山北坡西部树木年轮对气候因子的响应分析及气温重建

利用博尔塔拉蒙古自治州三个采点的树轮宽度年表,通过相关和响应面分析的方法,分析三个树木年轮宽度对气候因子的响应。分析表明,三个年表与博州地区的年平均最低气温和7月降水量呈较显著的正相关,且呈现相同的响应,仅在气温偏低时,三个年表响应不一致。通过分析,选择年最低气温作为重建对象,具有明显的树木生理学意义。利用树轮年表重建了博州1576—2002年的年最低气温,通过逐一剔除检验,发现重建值稳定可靠。在427 a中,存在2~3 a和40~50 a左右的周期性振荡,1631年、1832年 、1920年和1961年左右发生过突变。     

基于树木地貌法重建崩塌历史事件——-以川东华蓥山石林为例

了解崩塌活动史与区域气候变化之间的关系对于掌握区域山地灾害形成规律,预测未来发展趋势具有非常重要的作用。利用树木地貌法可以准确掌握山地灾害发生频率,并为定量分析气候变化对山地灾害发生发展趋势提供支撑。本文以川东华蓥山石林景区一大型崩塌为研究对象,通过杉木树木年轮、降水和气温数据对该崩塌活动时间进行分析。结果表明:该崩塌可能共有四个活动年份,2015年为大规模活动年份,2008年、2012年和2016年为小规模活动年份,崩塌活动的季节主要集中在早材期间(4月—9月)。基于滚石冲击树干产生的愈伤组织和标准木年轮对比表明:树木在受到滚石冲击后,都表现为生长抑制,且树木年轮宽度要滞后滚石活动1年。参考树木与干扰树木年轮宽度和月降雨量没有相关性,但干扰树木年轮与月平均气温(4月—9月)呈负相关关系。本研究结果可以为研究区内山地灾害活动史与气候变化关系提供支撑,尤其是为研究区域降雨诱发的崩塌活动规律提供借鉴。     

过去2 000年中国东南地区气温与降水的集成重建与分析

筛选和利用中国东南地区（大致范围为105o E以东、30o N以南）16个站点的多种气候代用指标序列,重建了东南地区过去2 000年以来的气温与降水变化过程,并探讨了其可能的影响机制。研究发现,东南地区气温集成序列与其他学者重建的中国温度序列、北半球温度序列等均具有较好的可比性,一些百年尺度的典型特征气候时期,如黑暗时代冷期、中世纪暖期、近代小冰期以及20世纪现代暖期等均有显著的体现;降水集成序列显示东南地区在过去2 000年中干湿阶段性变化较为明显,特别是在中世纪暖期时降水整体上较为偏多,而在小冰期的前半段降水偏少、后半段降水偏多。总体来看,近2 000年来我国东南地区的气温与降水变化经历了较为多样的水热组合过程。值得指出地是,东南地区降水集成序列与已有的中国北方地区多条降水重建序列相互间可比性较弱,反映了中国东部季风区由南到北降水变化及其影响机制具有很大的区域性差异。分析认为,大尺度海—气相互作用、火山活动以及太阳辐射量变化等对我国东南地区过去2 000年的气候环境变化具有显著影响。