末次冰消期亚洲季风突变事件的精确定年: 以贵州衙门洞石笋为例

通过贵州衙门洞Y1石笋33个U/Th年龄和1020个氧同位素数据的分析, 重建了西南地区末次冰消期至全新世早期(16.2~7.3 ka BP)平均分辨率达9 a的亚洲夏季风演化特征. 该时段发生的气候突变事件, 在Y1石笋记录中得到明显揭示, 类似格陵兰冰芯记录的GI-1e~GI-1a事件(GIS)可以定义末次冰消期亚洲季风突变事件的中国基准(CIS)为A.1e~A.1a, Y1石笋d ¹⁸O值记录这些事件的开始时限分别为: (14750±50), (14100±60), (13870±80), (13370±80) 和(12990±80) a BP; A.1a结束进入YD事件为(12850±50) a BP, YD结束进入全新世为(11500±40) a BP, 其中BA转换(A.1e开始)和YD转换前后d ¹⁸O值有3‰的变幅. Y1记录区域对比表明亚洲季风在早全新世期间总体增强的趋势在各地区并没有显著的相位差异, 因而不支持东亚和印度季风在轨道尺度上的反相位关系. Y1记录支持近10年来石笋研究的结果, 即亚洲季风气候变化的驱动机制除了主导的太阳辐射、大西洋径向环流(MOC)及热带辐合带 (ITCZ) 运移外, 短尺度上的季风变化和太阳活动密切相关.     

末次冰期南京石笋高分辨率气候记录与GRIP冰芯对比

对采自南京汤山洞穴一支长400余mm的石笋进行了高精度TIMS-U系定年和氧碳同位素测试,建立了末次冰期中晚期(54000～19000aBP)中国东部高分辨率的古气候变化时间序列.从石笋氧同位素变化曲线中,不仅检出东亚夏季风降水史中的Heinrich事件,而且首次发现了末次冰期东亚夏季风活动区气候变化同样存在着Dansgaard-Oeschger旋回,与极地GRIP冰芯记录有良好的对比关系.但明显的差别主要有(1)中国东部气候变化的干冷化趋势十分明显,由石笋氧同位素曲线构成的连续4个Bond旋回,迭覆在末次冰期长期变冷的气候背景上,可能与青藏高原MIS3阶段特强夏季风事件有关;(2)石笋气候曲线反映的干冷事件与GRIP冰芯中的对应事件存在1000～2000a的相位差,似有必要考虑不同测年方法相互校正问题.     

轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

新中国成立70年以来的中国大气科学研究:气候与气候变化篇

气候与气候变化一直是大气科学的重点研究领域,为回顾新中国成立70年以来中国在气候和气候变化研究领域的发展概况,中国科学家对国际大气科学和全球气候变化研究所做的贡献,分析气候与气候变化研究领域的发展趋势,提出前瞻性的科学问题,本文根据正式发表的文献对以上的内容进行梳理,从以下6个方面进行了总结:(1)气候研究,(2)青藏高原对中国气候的影响,(3)季风对中国气候的影响,(4)大气活动中心与西风带对中国气候的影响,(5)气候动力学与气候模式的发展,(6)气候变化研究,并在此基础上提出前瞻性的科学问题.     

近千年气候格局的环流背景:ENSO态的不确定性分析与再重建

全球增温在最近10余年是否停滞这个问题,引起了包括IPCC的广大气候研究科学共同体的关注.一些作者将停滞归因于气候系统内部变动即海气环流的重组,由此对近千年气候变化的环流背景重建提出了更高要求.然而,综观对近千年海洋-大气环流变化的分析及其与区域气候格局关系的结论,各家众说纷纭,以致矛盾重重,给区域乃至全球气候变化认识带来很大的不确定性.另一方面,近10年来高精度U-Th定年的石笋氧同位素比值(δ~(18)O)序列为中晚更新世古气候研究提供了较为精确的年代框架,其间中国作者无一例外将中国石笋δ~(18)O作夏季风指标解释,这种解释反映在气候学家的应用和模型中就成了降水要素.但事实是,所有这些记录在低频趋势变化上具有很大的共同性,而多数序列不能被器测降水记录所校准,这样就更增加了中国区域乃至全球气候研究架构的不确定性.因此,尽早厘清矛盾的由来,并降低研究中的不确定性,是当今气候科学必须做的一件事情.本文在分析证明中国季风区石笋δ~(18)O意义的基础上,尝试提出一个新的环流代用指标:集成中国石笋δ~(18)O序列重建近千年热带太平洋纬向海温梯度即大尺度ENSO态,进而推测现代与中世纪虽然同为暖期,却出现了不同的环流重组,这个推论可以得到更长的末次盛冰期以来记录的支持.换言之,中国石笋δ~(18)O低频趋势大区域一致的归因分析表明,ENSO态从不同时间尺度(从年际到百年以至更长尺度)控制了中国季风区气候变化,而其中重要的环流桥梁是西太副高,即西太副高本身除了年际、年代际变化以外,还具有更长时间尺度的环流模态.比如,我们可以讨论西太副高在整个全新世即半个岁差的变化.这些讨论也许不仅仅对于古气候,而且对于现代气候研究也不无意义.     

青藏高原东部MIS5e早期亚洲夏季风气候不稳定性的年纹层石笋印迹

深海同位素5e阶段(Marine Isotope Stage, MIS5e)是比工业化前更温暖的气候时期,这一阶段的气候可为当代暖期(Current Warm Period, CWP)气候提供“气候变化的过去相似型”,但MIS5e时期气候内部稳定状况仍然不清楚.我们从青藏高原东部万象洞内采集到一根石笋WXB075,通过U-Th和纹层计数年代数据建立了该石笋生长的高精度年代模型,并利用多替代指标重建了MIS5e早期亚洲夏季风变迁与环境演化历史.结果显示,年纹层石笋WXB075生长于MIS5e早期的北大西洋C27(Cooling Event 27, C27)降温时期.受北大西洋降温的显著影响,该石笋生长被打断(沉积间断;～125.58ka BP),并可能与北半球气候不稳定状况有关.此外,由于北高纬冰融水排放的强烈作用,石笋WXB075δ¹⁸O记录的MIS5e早期亚洲夏季风可定义为两个阶段:较弱阶段和逐步增强阶段(间断除外).总体上,亚洲夏季风气候不稳定性以准60a为循环周期,调控洞穴上覆植被状况、生物生产力变化和喀斯特动态水循环.然而,当北高纬冰融水排放加剧和温度降低...     

黔南洞穴石笋古气候变化记录及终止点Ⅱ的确定

通过对黔南地区三个大型石笋进行TIMS-U系测年和碳、氧稳定同位素分析, 获得了163~113.8 ka高分辨率的古气候记录. 石笋氧同位素的记录曲线揭示, 在万、千年尺度上, 研究区冰期的降温和间冰期回暖的波动特征, 可与冰芯、湖泊、黄土、深海岩芯记录相比较, 其记录的气候波动与全球具有一致性, 显示与北极地区存在着古气候的遥相关. 研究表明, 石笋记录所反映出的古季风环流变化的直接动力可能来自全球冰量变化, 即主要受北半球日照辐射强度、北大西洋冰漂碎屑带的扩张以及低纬度太平洋海表面温度变化等因素的影响. 根据d18O值进行了温度计算, 获得了研究区冰期(相当于深海同位素6阶段的中后期, 平均为8.1℃, 最低为－1.43~0.65℃)与间冰期(相当于深海同位素5E段, 平均为18.24℃)之间的年均温差达10℃左右(与冰芯记录的温度变化幅度大约为10℃, 大体相一致), 显示东亚夏季风与冬季风环流强度具有显著的差异. 通过对3个石笋的精确测年, 确定倒数第2次冰期的终止点Ⅱ的年龄为129.28±1.1 ka, 这一界线的年龄代表了末次间冰期开始的年代, 即是中更新世与晚更新世的分界年龄, 与冰芯和深海SPECMAP氧同位素曲线上末次间冰期的起始年龄相一致.     

过去640ka亚洲季风变化的多尺度分析

高分辨率、高精度定年的石笋δ~(18)O记录现已扩展到640ka,这为研究亚洲季风多尺度特征与驱动机制提供了新的契机.基于经验模态分解法(EMD),文章分析了该序列的轨道和千年尺度的特征、贡献及其控制因素.在轨道尺度上,四个主要周期(11.6、23.3、42.4和95.5ka)对石笋δ~(18)O记录的贡献率为76.3%,其中岁差和半岁差周期的贡献率分别为31.1%和30.7%.交叉谱分析显示,显著的半岁差周期信号与南北半球30°太阳辐射极大值变化(BHI)的半岁差周期基本吻合,由此认为低纬降雨和温度变率对半球间低纬太阳辐射放大响应,进而影响亚洲季风的强度变化.在千年尺度上,分别有5ka和1～2ka的显著周期,大致对应于经典的Bond和Dansgaard-Oeschger旋回.海洋沉积和石笋记录交叉谱分析显示,二者在千年尺度上的变化呈现出强烈的相关性,特别是5ka周期稳定贯穿两个记录始终且信号明显,说明5ka周期是中晚更新世以来冰期-间冰期旋回的特征周期,可能是全球冰盖和太阳辐射共同作用的结果.     

全新世东亚夏季风最强盛期出现在何时?——兼论中国南方石笋氧同位素的古气候意义

探寻全新世东亚夏季风演变过程,不仅有利于在更长时间尺度上深化对季风动力学的理解,也能够为研究中华文明发展提供环境和气候背景,因此历来受到研究者的重视.然而,对于全新世东亚夏季风最强盛期究竟出现在早全新世、中全新世甚或晚全新世仍然存在争议.虽然目前以中国南方石笋氧同位素记录反映的"早全新世夏季风最强"观点较为流行,但该指标是否能真实可靠地表征东亚夏季风强度变化正受到愈来愈多的挑战.本文根据最新的资料和认识,对上述问题进行了评述性回顾.建议以北方降水量作为衡量东亚夏季风强度的标准,并据此标准探讨了全新世东亚夏季风的演变历史,认为全新世中期为季风最强盛期.区域对比显示出东部季风区北方和南方降水在不同时间尺度均存在明显差异,这种差异与石笋氧同位素记录在空间上的相似性存在矛盾.观测和模拟资料均表明,中国南方石笋氧同位素代表的是降水氧同位素而非降水量的变化,因而不宜作为东亚夏季风强度的代用指标.最后,我们对有待进一步深入研究的问题,包括轨道尺度上东亚夏季风的驱动机理、中国石笋氧同位素的大尺度气候学意义、环流与东亚季风区降水的关系等进行了展望.     

Avaatech XRF岩芯扫描分析方法在石笋Sr/Ca测试中的应用

XRF岩芯扫描分析方法在海洋和湖泊沉积环境变化方面的应用研究,已取得了显著的成果.然而,目前其应用还没有广泛拓展到洞穴石笋的研究中.在本文中,我们利用最先进的第四代Avaatech高分辨率XRF岩芯扫描仪测试了3根石笋(2根文石石笋, 1根方解石石笋)的Sr元素以及Sr/Ca比值.通过不同扫描路径之间和不同扫描分辨率之间的对比,以及与ICP-OES、Itrax XRF和Artax XRF结果的对比,证实了Avaatech XRF岩芯扫描仪可以准确、快速、无损地进行石笋高分辨率Sr元素的测试.此外,我们还结合石笋氧同位素记录,尝试解释了所测石笋Sr/Ca的古气候意义.     

古气候数据同化:缘起、进展与展望

对过去气候变化的准确重建,有助于理解过去气候变化机制、认清现在气候变化形式和预估未来气候变化情景.古气候数据同化是2000年才出现的一种过去气候重建方法,是目前古气候重建领域的一个重要研究方向,它植根于大气、海洋和陆面数据同化的理论框架内,将气候模式和代用资料有效融合,优势互补,以期得到既符合气候变化物理学规律和动力学机制、又包含代用资料记录的气候变化信息的重建结果,在古气候重建领域已经崭露头角.结合国外古气候数据同化研究历程与现状,介绍了古气候数据同化的背景、概念、理论基础,概括了其特点和发展脉络,分析了目前应用较为活跃的三种古气候数据同化方法(松弛逼近法、粒子滤波、集合平方根滤波)及其部分研究案例,并对古气候数据同化目前所存在的一些关键问题进行了阐述.最后对古气候数据同化在未来可能需要重点关注的研究方向作出了展望.     

近百年来自然和人为因素对亚洲季风降水影响的时间序列分析研究

近百年来,全球地表平均温度呈持续上升的趋势,是人为和自然因素共同作用的结果;而对同时期人类活动在亚洲季风降水变化中所起的作用仍有不同看法.本文基于贵州董歌洞和甘肃万象洞近2000年来的石笋氧同位素(δ18O)记录,用奇异谱方法研究近百年来全球增温和CO2浓度增高背景下石笋δ18O的变化特征,探讨人类活动对东亚和南亚季风降水的可能影响.结果显示,上述两地近百年来的石笋δ18O变化趋势基本可以通过1900AD前自然序列的延伸得到重现.如果目前关于石笋δ18O记录反映季风降水量的解释正确的话,我们的分析结果则说明,虽然近100年来人类活动对温度有明显作用,但似乎没有对东亚和南亚季风降水变化趋势产生显著影响,使之大致保持了原有的自然趋势.这说明,过去全球温度变化对季风的影响是亟待解决的问题.     

石笋记录的年际、十年、百年尺度气候变化

通过石笋微层沉积响应自然周期过程的分析 ,再次获得石笋微层韵律基本按年旋回的认识 .在连续石笋年层序列中发现持续十年以上的气候异常以及各种类型的气候快速变化 :均值突变、变率突变、趋势突变、周期突变 .石笋年层记录了从年际到十年、百年各种时间尺度的气候波动 ,是研究历史时期短尺度气候变化的有力材料 .     

大气环流对中东亚干旱半干旱区气候影响研究进展

亚洲干旱半干旱区占据北半球中纬度的大片区域,其主体是中东亚干旱半干旱区,该区域降水稀少、生态环境脆弱,对全球气候变化响应敏感.中东亚干旱半干旱区东部处于东亚季风区的边缘,受西风环流和季风环流的共同影响;中部和西部主要处于西风带气候区,为西风环流所控制.研究大气环流对中东亚干旱半干旱区气候的影响,对于认识和预测该区域的气候具有重要意义.基于近年来国内外学者针对大气环流对亚洲中、东部干旱半干旱区气候影响的研究,文章进行了系统回顾和总结.已有研究表明,大气环流对中东亚干旱半干旱区的气候具有不可忽视的影响.在强夏季风年,中国西北地区东南部受东亚夏季风影响,水汽通量显著增加,降水偏多;而弱夏季风年则相反,随着东亚夏季风的减弱,季风边缘的半干旱区气候呈现变干趋势;南亚季风的加强则使得更多的水汽输送至亚洲干旱半干旱区;高原夏季风与中亚地区夏季降水呈显著的正相关关系,而与中国华北地区、蒙古地区的夏季降水呈负相关.西风指数与中东亚干旱区的气温有显著的正相关关系,西风环流的变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

中东亚干旱区全新世气候变化的西风模式—以湖泊研究为例

综述了亚洲中部干旱区湖泊研究的古气候记录.发现湖泊记录的全新世有效湿度在大框架上具有一致性变化.据此,选择了其中年代可靠、代用指标湿度意义明确、时间分辨率较高的8个地点的记录,半定量地集成了中东亚干旱区全新世期间湿度的变化.结果表明,亚洲内陆干旱区全新世气候变化具有较清晰的阶段性变化,大约8cal kaBP以前的早全新世气候干旱,8-4cal kaBP的中全新世气候湿润,从距今5-6cal kaBP以来湿润程度逐步降低到晚全新世,但晚全新世比早全新世湿润.内陆干旱区的全新世湿度变化框架与最新获得的亚洲季风变化模式存在较大差异,因此推论出,北大西洋海洋表面的温度变化可能是中东亚干旱区湿度的主要影响因素.     

倒数第三次冰消期亚洲季风气候可能的类Younger Dryas事件

对湖北省神农架两个高海拔洞穴(天鹅洞: 海拔1600 m; 永兴洞: 海拔1400 m)石笋实测了7个U-Th年龄、560个氧同位素以及年纹层厚度变化序列. 天鹅洞石笋十年际分辨率δ ¹⁸O曲线十分类似于江苏南京和贵州荔波石笋记录的波令暖期和新仙女木事件基本特征, 表明本区石笋δ ¹⁸O反映了区域性亚洲季风经向环流及其降水变化特征. 相距天鹅洞约70 km的永兴洞石笋高分辨率(平均30 a左右) δ ¹⁸O时间序列揭示了倒数第三次冰消期亚洲季风突变过程. 基于3个U-Th年龄和连续5000 a左右生长纹层计数结果, 在245±5 kaBP左右冰消期识别出一个千年级冷事件. 这一事件持续时间为1371±59 a, 并在74±4 a内快速向间冰期(MIS7e)突变, δ ¹⁸O的变幅达2.30‰, 相当于冰期/间冰期振幅的1/2强. 这些事件特征类似于亚洲季风区石笋δ ¹⁸O记录的新仙女木事件, 说明新仙女木事件不是末次冰消期的一次偶然事件, 很可能是第四纪冰盖、大尺度海洋/大气环流耦合作用的产物.     

晚新生代东亚气候变化：进展与问题

晚新生代东亚季风和干旱气候的形成和演化及其与青藏高原生长、全球气候变化的关系一直受到关注,但存在着不同看法．本文分析了近年来国内外在晚新生代东亚气候研究方面的新结果,讨论了亚洲季风和干旱气候阶段性和周期性演化的特征,在此基础上,分析了东亚气候变化与全球冰量／温度变化、高原隆升等的联系．我们的研究认为,青藏高原隆升驱动不能全面合理地解释晚新生代以来东亚气候演化过程,全球冰量和北半球温度变化在驱动东亚气候阶段性变化方面具有显著作用．此外,晚新生代大气CO2浓度变化对东亚气候大尺度演化的影响值得进一步重视,它可能是通过影响全球温度的波动和高纬／低纬的温度梯度,进而驱动热带辐合带（ITCZ）和季风气候带摆动,来影响东亚季风和干旱气候的演化的．在未来研究中,需要格外重视地质记录与数值模拟的结合．其中,古气候变化的高精度定量记录、区域异同及高原不同区域差别隆升的环境效应可能是突破点之一．     

天文气候学10万年问题的研究

为了研究第四纪晚更新世(约100万年前到2万年前)古气候的周期变化以及在轨道尺度上气候系统对太阳辐射的响应,本文发展了适合于非线性非平稳数据的分析方法即经验模态分解(EMD),对太阳辐射古气候记录进行了分析,进而重新认识了地球轨道周期变化影响下的太阳辐射的气候意义.研究结果表明,太阳辐射中偏心率的影响是相当大的,而不是以前认为的不到1%的影响,至少它是和太阳辐射的黄赤交角,岁差波段的信号是可以相比拟的.     

末次冰盛期以来东亚季风变化历史——中国北方的地质记录

全球变暖对中国北方气候的影响已经引发了学术界的广泛关注,地质增温期东亚季风变迁历史可为理解未来气候变化提供重要参考.文章主要基于中国北方夏季风边缘带的湖泊、黄土等记录的古植被信息,探讨了末次冰盛期至全新世全球增温过程中东亚季风的变化历史.地质记录显示,末次冰盛期东亚冬季风增强,夏季风减弱,中国北方气候干冷,大部分地区呈现荒漠草原或干草原景观,贺兰山以东沙地的东南边界和现代沙地边界接近或略向东南方向小幅扩张.在由冷转暖的末次冰消期,东亚冬季风逐渐减弱,夏季风逐渐增强,但在快速变冷的Heinrich 1(H1)和Younger Dryas(YD)事件期间,中国北方气候变干.全新世冬季风减弱,夏季风显著增强,季风雨带向西北推进至少300km,中国中东部干旱区范围大幅度缩小,北方喜暖喜湿植物显著增加.从夏季风边缘带的记录看,中全新世夏季风最为强盛.显然,古增温有利于东亚夏季风的增强,从而极大改善中国北方的生态环境.如果全球变暖持续下去,中国北方将变得湿润.与轨道尺度记录相比,高分辨率的古植被记录较为缺乏,全新世气候突变事件以及百年-十年尺度气候旋回尚需深入研究,应作为今后研究的重点.     

青藏高原古里雅冰芯记录的轨道、亚轨道时间尺度的气候变化

研究了青藏高原冰芯与极地冰芯记录在轨道、亚轨道时间尺度上的气候变化特征及可能原因. 在青藏高原冰芯记录中, 轨道时间尺度上的气候变化基本超前于极地, 说明在以轨道变化驱动为起因的气候变化中, 青藏高原的变化(或反应)比极地来得更快. 太阳辐射变化是控制轨道时间尺度上的气候变化的主要因子. 但在亚轨道时间尺度上的许多气候变化, 青藏高原滞后于北极地区. 如Younger Dryas和Heinrich事件, 都是格陵兰冰芯记录的变冷早于古里雅冰芯记录. 可以认为, 这些亚轨道时间尺度上的气候变化可能受劳伦冰盖的影响. 因此, 冰盖对某些冰期气候内的亚轨道时间尺度上的气候变化具有决定性作用.