全球过去千年典型暖期温度空间格局重建

利用过去两千年全球变化研究网络(PAGES 2k network)最新公布的501条代用记录,重建了全球过去千年全年平均温度空间格局的演化特征,对比分析了中世纪暖期及其最暖100年与20世纪现代暖期、中世纪暖期和小冰期最暖30年与20世纪最近30年的年平均温度空间模态异同.结果显示,在世纪尺度上,现代暖期与历史上中世纪暖期的温度异常空间格局大致相同,变化幅度也在大部分区域相当,但从年代际尺度上,最近30年的升温比过去千年中世纪暖期和小冰期两个典型时期都明显.值得一提的是北大西洋中高纬度海温变化与上述特征并不相同,在年代际和世纪尺度上小冰期和中世纪暖期海温均高于20世纪.可能原因是大西洋经圈翻转环流在中世纪暖期、小冰期和20世纪现代暖期等3个特征时段对太阳辐射、火山活动和温室气体等外强迫的响应不同.     

近千年全球气候变化的长积分模拟试验

近千年全球气候变化的长积分模拟试验是全球气候模拟研究的新领域,它不仅将现代器测资料与过去代用指标序列进行了有机的衔接,而且对过去百年和年代际尺度的气候变化可进行动力学解释,探讨其主要控制因素及其导致的区域响应差异。由于这类长积分模拟对计算机技术和气候模式本身的要求较高,目前能进行这类研究的国家为数不多。重点介绍了德国马普气象研究所的全球海气耦合气候模式ECHO G,以及利用该模式进行的千年长积分模拟试验结果。首先,应用全球120年的器测资料对模拟结果进行了检验,论证了该模型较强的气候模拟能力;其次,根据全球地表2 m气温的千年模拟结果,揭示了中世纪暖期—小冰期—20世纪暖期三段式气候变化时段,然后讨论了中世纪暖期和小冰期鼎盛期全球及中国的温度分布特点;最后根据对各控制因子的拟合分析与比较,初步揭示了近千年来的温度变化主要受太阳有效辐射的变化控制,而温室气体含量的增加对100年来温度的快速上升起着主导作用。      

过去2000年全球典型暖期特征与机制的模拟研究

本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)的通用地球系统模式(Community Earth System Model,简称CESM)的低分辨率版本(CESM1.0.3,T31_g37)在国际国内率先进行了多组过去2000年瞬变积分模拟试验,在与历史重建资料和观测资料进行对比验证的基础上,对过去2000年中的典型暖期(中世纪暖期与现代暖期)的特征和成因机制进行了初步探讨,结果表明:中世纪暖期太阳辐射加强是导致其“暖化”的主要原因之一,而温室气体浓度的激增是现代全球变暖的最主要原因;在中世纪暖期,自然因子(包括太阳辐射和火山活动)对降水量的影响之和比温室气体的影响高一个数量级;而在现代暖期,温室气体对降水量的影响比自然因子(包括太阳辐射和火山活动)对降水量的影响之和高一个数量级;在不同外强迫条件下的海表温度变化在热带太平洋区域截然不同,即自然因子影响下为类-拉尼娜态,而温室气体影响下为类-厄尔尼诺态;无论在中世纪暖期还是现代暖期,相对于1000～1850年的平均情况,沃克(Walker)环流均处于增强状态.     

青海都兰过去2000年来的气候重建及其变迁

根据青海都兰地区树木年轮样本建立了目前我国最长的年轮年表序列。通过年表与气候要素间相关函数、响应函数及响应面分析,选择了可被重建的气候因子,建立了重建方程,恢复了青海都兰地区历史时期的平均温度;并分析讨论了近2 000年来该地区的气候变化。阐述了这个地区的冷暖交替及周期循环。对一些重大气候事件,如中世纪暖期、小冰期和近一个世纪以来的升温等,逐个事件进行了剖析。并与全球温度变化进行了对照。都兰温度曲线为青藏高原东部地区提供了一个较好的气候变化信息表。     

中国过去1500年典型暖期气候的模拟研究

利用地球系统模式CESM的过去1500年气候模拟试验结果,分析了中世纪暖期和现代暖期中国区域温度和降水变化特征的异同,并对形成原因进行了初步探讨.研究表明:中国的温度变化在中世纪暖期和现代暖期有着显著的区域差异,且年代际变化特征亦不尽相同.现代暖期的温度存在一个明显的年代际突变,这一突变是由温室气体含量的变化引起的,且现代暖期温度变化的空间格局受人为因子影响较大.中世纪暖期温度变化的空间格局主要受太阳辐射变化的影响,其次是土地利用/覆盖和火山活动.中国的降水变化在两个增暖期其时空格局较类似,其主要模态均体现为西部与东部反相,华南与华北反相.影响降水变化空间格局的因子较复杂,各外强迫因子的作用互补.     

过去千年气候变化的数值模拟研究进展

在阐述千年气候变化研究意义的基础上,围绕着如何利用气候系统模式来对过去千年的气候变化进行归因模拟、以理解其中自然和人为因素的作用问题,总结和评述了国际上相关研究进展,进一步归纳了千年气候变化数值模拟中亟待解决的科学问题,重点包括千年气候演变中自然变率特征时段(即中世纪暖期和小冰期)与人类活动影响时段(即20世纪气候变暖)的气候差别,在中世纪暖期、小冰期和20世纪气候变暖这3个特征时段上,自然变化和人类活动影响的作用与机制比较、中国过去千年气候演变的模拟等,随后,扼要介绍了国家自然科学基金重大项目"中国地区树轮及千年气候变化研究"之课题"中国千年气候变化数值模拟与机理研究"的主要研究内容.     

近千年来三个气候特征时期东亚夏季风的模拟对比

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G的近千年连续积分资料,选取与降水关系较好的东亚夏季风指数,对不同气候特征时期的东亚环流及季风影响因子进行了探讨.结果表明用海陆热力差异定义的东亚夏季风指数Isun在年际尺度上较好地体现了长江流域及华北地区降水的变化,而利用850 hPa纬向风场定义的指数Iwang在年代际尺度上较好地体现了长江流域的降水变化.从不同气候特征时期的环流来看,中世纪暖期夏季风最强,东亚大陆降水明显偏多,现代暖期夏季风较之有所减弱,而小冰期则是夏季风最弱的时期,东亚大陆的降水明显偏少.不同气候特征时期夏季风指数与海温的相关表明,ENSO事件对东亚夏季风的影响在现代暖期有所增强,而与外部强迫因子的相关揭示出中世纪暖期有效太阳辐射变化是影响东亚夏季风变化的主要因子,现代暖期则是温室气体对夏季风的影响更重要.     

中国全新世气候变化研究进展

全新世气候变化研究是古气候研究的一个重点，中国全新世气候变化的研究也是全球变化研究中重要的一部分，大量的研究工作为恢复中国全新世气候做了在贡献。中国地形地貌复杂，又处在具有复杂时空变率的东亚季风控制范围内，这使得不同的研究工作者在一些问题上存在意见分歧，比较统计的意见是：中国全新世纪始于约10．5kaBP；在约9－8kaBP左右为一段降温期；7－4kaBP为一段温暖期，通常称之为全新世大暖期；大约3kaBP左右开始降温，至近代才又升温；约1300aA.D左右进入小冰期，到1850aA．D．左右结束，其间又有几次比较明显的温度振荡。1850aA.D.至今为温度的上升期。对于气候变动的驱动因素，不同的学者看法不一；从长时间尺度看，太阳辐射变化是气候变化的主要驱动力。     

青藏高原地区过去2000年来的气候变化

依据冰芯、树轮、沉积物分析和冰川波动等各单点古气候代用资料,以及重建的综合温度变化曲线,分析了近 2000年青藏高原温度变化的整体性和区域性特征。全青藏高原综合温度曲线显示中世纪暖期（1150-1400年）、小冰期（1400-1900年）以及公元 3～5世纪冷期的存在。青藏高原温度变化具有明显的区域性特征。在 9～11世纪,青藏高原东北部以温暖为特征,而青藏高原南部和西部表现为寒冷。青藏高原南部和西部分别于1150-1400年（此时段在高原东北部表现为弱暖期）和1250-1500年经历了气候变暖。与中国东部文献记录的最新综合研究结果比较,高原东北部与中国东部的温度变化最为一致。而且,许多重大气候事件,如1100-1150年、1500-1550年、1650-1700年和1800-1850年的冷事件在高原和中国东部同时出现,而后 3次冷期与小冰期期间中国西部发生的冰川前进相匹配。     

江西玉华山泥炭2000 a BP以来的元素地球化学记录及其气候意义

过去2000年是PAGES (Past Global Changes)计划重点研究的时段,其中中世纪暖期及小冰期的气候变化备受关注。学术界对中世纪暖期和小冰期进行了大量的研究,但起止时间、温湿配置仍存在显著的区域差异。本文基于对江西中部山地玉华山泥炭钻孔YHS2的年代标尺以及沉积物的元素地球化学、腐殖化度、烧失量、孢粉等多指标记录进行对比分析,结合气候变化和地球化学元素迁移、分布规律,重建该区域过去2000年降水变化,并进一步分析了玉华山地区中世纪暖期和小冰期的干湿变化。结果表明:在中世纪暖期(800-1450 A.D.),沉积物中Al、Si、Ti等外源碎屑元素含量升高,烧失量处于低值,腐殖化度较低,乔灌木花粉含量高,而旱生草本花粉含量低,各个气候指标的记录都指示该阶段降水增多,为温暖湿润的气候环境。而在小冰期阶段(1450-1900 A.D.),沉积物中Al、Si、Ti等外源碎屑元素含量降低,变化趋于稳定,烧失量处于高值,腐殖化度较高,乔灌木花粉含量降低,而中旱生草本花粉含量升高,各个气候指标的记录都指示在该阶段降水减少,为较冷干燥的气候环境。     

近千年来中国气温模拟与重建资料的对比分析

依据伞球海气耦合气候模式ECHO-G近千年积分模拟结果,通过对中国气温模拟序列与重建资料进行对比分析,以验证模式对中国地区气温变化的模拟能力.结果表明模拟结果与重建资料都明显体现出了11世纪至14世纪的中世纪暖期、15世纪至19世纪的小冰期及20世纪的现代暖期3个气候特征时期,并且二者在冷暖时期的转换时间上也较吻合,模...     

近千年中国东部夏季降水的模拟研究

利用ECHO­G海气耦合气候模式模拟的中国东部过去近1000年的降水资料,通过经验正交函数分解方法得到了中国东部夏季降水分布的主要空间型态： 华北和华南地区与长江中下游地区反位相,即华北和华南地区降水多(少)时长江中下游地区降水少(多)。对31年滑动平均后3种空间分布型的时间系数进行Morlet小波分析和功率谱分析发现,3个地区均存在准60年的年代际振荡周期,长江中下游和华南地区均存在准200年的百年际振荡周期,华南地区还存在120年和80年的变化周期。全球海温场与3个地区夏季降水31年滑动平均后的相关分析表明,在40°～70°S,170°～60°W海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水负相关,与华南地区夏季降水正相关除该区外的南北半球(30°～60°)中高纬海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水正相关、与华南地区夏季降水负相关,说明在年代际和百年际时间尺度上,中高纬海域海温是影响长江中下游地区和华南地区夏季降水反相的主要因子之一。最后通过对太阳常数、火山活动等外强迫因子与中国东部夏季降水的功率谱分析发现： 中国东部夏季降水的年代际与百年际变化周期大都与外强迫因子的变化周期一致,说明外强迫因子,尤其是太阳常数和火山活动的变化是影响中国东部夏季降水年代际和百年际振荡的主要原因。     

130年来全球气温变化的模拟

本文利用海－气耦合的能量平衡模式研究了全球平均气温的变化。在对130年来全球气温变化的模拟研究中，比较全面地考虑了各种辐射强迫因子。此外，对于厄尼诺－南方涛动对全球平均温度的贡献也做了模式估计。数值模拟的全球温度序列与观测序列的相关系数达0.884，可解释77.8％的温度变化，并反映出温度的年际和年代际变化的特征，这可能是目前国内外同类工作的最佳结果。     

应用MPM­2模式新元古代气候初步研究

新元古代(650MaB.P.)是地球演化历史上最重大的转折时期之一,这一时期地球气候的模拟研究,对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要意义; 在地质学上,对于地层划分和对比,地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有重要意义。本文在借鉴国内外已有研究的基础上,应用MPM­2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC),通过太阳常数和大气二氧化碳浓度的敏感性试验,对新元古代地球气候进行了模拟研究,结果表明在650Ma前,地球全球平均温度一直低于零度,即地球一直是“雪球”,直到650Ma前,全球平均温度大于零,“雪球”消融,雪球时代才结束。     

Internal and forced climate variability during the last millennium: a model-data comparison using ensemble simulations

A three-dimensional climate model was used to perform 25 simulations over the last millennium, which are driven by the main natural and anthropogenic forcing. The results are compared to available reconstructions in order to evaluate the relative contribution of internal and forced variability during this period. At hemispheric and nearly hemispheric scale, the impact of the forcing is clear in all the simulations and knowing the forced response provides already a large amount of information about the behaviour of the climate system. Besides, at regional and local scales, the forcing has only a weak contribution to the simulated variability compared to internal variability. This result could be used to refine our conception of Medieval Warm Period and Little Ice Age (MWP and LIA). They were hemispheric-scale phenomena, since the temperature averaged over the Northern Hemisphere was, respectively generally higher/lower during those periods because of a stronger/weaker external forcing at that time. Nevertheless, at local-scale, the sign of the internal temperature variations determines to what extent the forced response will be actually visible or even masked by internal noise. Because of this role of internal variability, synchronous peak temperatures during the MWP or LIA between different locations are unlikely.     

中国近500年来的气候模拟与重建资料对比

介绍了利用全球海气耦合气候模式ECHO G进行的小冰期以来的长时间积分气候模拟试验,并与中国区域温度重建资料作对比。共做了2个模拟试验：控制试验和真实强迫试验。首先将模拟结果与器测资料作对比,验证该模式模拟中国气候的能力;然后将模拟结果与中国10个区域重建的500年温度序列进行比较分析。均值、方差及EOF分析表明,对于1550年至今的时段,除了东北、新疆、西南地区外,其它地区模拟与重建序列的相关性尚好,相关的置信度超过90％;而对于1760年以来的时期,除了华南、西北、西南地区外,其它地区二者较为一致,相关的置信度均超过90％,表明气候模式ECHO G能捕捉到中国大部分地区温度的趋势及低频变化特征,也说明上述强迫条件是近500年来气候变化的主要控制因子。然而模拟的温度距平的空间差异性比重建资料的小,对于年代际、年际等短时间尺度的温度变化模拟与重建结果的吻合度较差。误差来自于重建和模拟两个方面。在重建资料方面,需要提高代用资料的代表性、精确性和可靠性;在模拟方面,应提高各强迫条件序列的精确性,同时应引入更多的强迫因子,如下垫面植被及工业气溶胶等。这样从两方面努力,才能更深入地刻划和认识中国历史气候演变及其成因机制问题。     

东亚地区Younger Dryas气候突变的数值模拟研究

YoungerDryas(YD)气候突变事件是近两万年中一次全球性的气候急剧变冷事件。文章试图在东亚地区YD事件的若干证据基础上,从海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学角度出发,利用气候模拟方法就东亚地区YD气候突变的机制和一些成因假说进行敏感性试验。模拟结果表明,因淡水通量异常引起的海洋表面温度降低是YD形成的直接原因。海洋大气耦合作用对于YD传播强度及时间不同步具有重要作用。除北大西洋淡水通量异常的作用外,南半球海洋的淡水通量异常可能对东亚地区的YD事件有着更重要的贡献。海洋耦合大气环流模式模拟表明,东亚与欧洲降温具有不同步性,最大变化速率欧洲达到-0.122℃/a,东亚地区为-0.067℃/a。模拟结果与东亚地区YD时期的气候记录在特征上能够进行对比,反映了模拟试验的边界和强迫条件的设计接近东亚古气候状况,因而模拟结果对分析海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学探讨揭示YD气候事件的物理机制和动力原因具有可靠的依据。     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的小冰期气候

利用1650～1750年逐年变化的太阳辐照度等外强迫资料,驱动中国科学院大气物理研究所LASG发展的快速气候系统模式FGOALS_gl,模拟了小冰期(LIA)气候。把模拟的LIA表面温度变化与重建资料进行对比,结果表明FGOALS_gl对LIA气候具有较强的模拟能力,说明太阳辐照度的自然变化是导致小冰期气候的重要成因。模拟结果显示,LIA时期纬向平均温度变化表现为整个对流层降温,低纬度地区的降温中心位于对流层中层,北半球降温幅度大于南半球,高纬地区的降温幅度大于低纬地区。分析发现,中高纬地区的局地温度变化主要与环流异常相对应的冷暖平流有关; 低纬地区的降温主要与赤道东风加强有关,东风增强通过增大蒸发和引起次表层冷海水上翻而令表层温度降低。LIA时期的降水变化主要位于中低纬地区,表现为日界线东(西)侧降水的负(正)异常。与降水异常相对应,Walker环流加强,东太平洋对流活动减弱,它与低纬地区对流层中层冷异常相联系。与大气层顶净短波辐射异常的季节变化相对应,南、北半球夏季平均表面温度异常较之冬季低0.28℃左右。