千百年尺度气候快速变化及其数值模拟研究进展

千百年尺度全球气候快速变化是古气候研究中的一个重要内容。研究发现，末次冰期和全新世都存在着千年、百年尺度的快速气候变化，其变化幅度可以达到典型的地质变化或天文因子所造成的冰期/间冰期的气候振荡幅度，同时这些古气候事件具有全球性。对冰期和全新世气候变化的数值模拟揭示了气候系统对地球轨道参数变化的响应以及海洋、植被、冰盖、温室气体等反馈因子的重要性,其中大洋温盐环流对北大西洋淡水注入的敏感性与末次冰期和全新世气候快速变化密切相联。利用中等复杂程度的气候模式（EMIC）CLIMBER 2模拟了末次冰期典型时段（60~20 ka BP）D/O和Heinrich事件以及东亚气候的响应过程。模拟研究揭示了全新世青藏高原冰雪环境对亚洲—非洲季风气候的显著影响。今后的古气候模拟研究将在改进模式分辨率、结合古气候代用资料确定更加符合历史时期边界条件以进一步改善气候模式的基础上,更加注重气候突变机制的研究以及加强全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。     

未来不同排放情景下气候变化预估研究进展

概述未来不同排放情景下气候变化预估研究的主要进展。首先,对用于开展气候变化预估研究的不同复杂程度的气候系统及地球系统模式及其模拟能力进行了简要的介绍,指出虽然目前气候系统模式在很多方面存在着较大的不确定性,但大体说来可提供当前气候状况的可信模拟结果;进而介绍了IPCC不同的排放情景,以及不同排放情景下全球与东亚区域气候变化预估的主要结果。研究表明,尽管不同模式对不同情景下未来气候变化预估的结果存有差异,但对未来50～100年全球气候变化的模拟大体一致,即全球将持续增温、降水出现区域性增加。在此基础上,概述了全球气候模式模拟结果的区域化技术,并重点介绍了降尺度方法的分类与应用。同时对气候变化预估的不确定性进行了讨论。最后,对气候变化预估的研究前景进行了展望,并讨论了未来我国气候变化预估研究的重点发展方向。     

科学大洋钻探与全球气候变化研究

文章简要地回顾了科学大洋钻探的发展历程。深海钻探计划（ＤＳＤＰ）革命性地改变了地球科学家们对地球动力作用的认识。ＤＳＤＰ的后继者，即大洋钻探计划（ＯＤＰ）正在全球各大洋收集有关这些作用在几万至几十万年时间尺度上变化的高分辨率记录，并已在与全球气候有关的下述领域取得了重要进展：地质历史时期气候变化的幅度、速度及原因，按轨道调谐的新生代（１０Ｍａ前以来）地质年代表，高纬度地区冰盖形成及演化历史，造山运动与长期气候变化之间的相互关系，气体水合物与全球气候变化的相互制约关系。ＤＳＤＰ和ＯＤＰ的成就使地球科学家们相信，在全球年轻的大洋底实施钻探以取得连续的沉积记录和录井记录，是研究过去全球气候的长期、短期变化的有效而重要的手段，并将给未来全球变化的研究带来启示     

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。     

地球化学模式及其在铀矿地质中的应用

地球化学模式是根据化学热力学和化学动力学原理，用化学反应式和数学公式来描述地球化学现象，研究地球化学作用的一种概念化的模式，在这种概念化模式的基础上，利用数学方法和计算机语言编制的软件便是地球化学模式程序，按照原理和复杂程度又把地球化学模式程序分为三大类，即质量平衡程序，物质转化程序和溶质迁移程序中，文中对各种类型的地球化学模式的基本原理和它们的功能作了介绍。文中列举了应用地球化学模式来研究成矿机     

地球系统模式与综合评估模型的双向耦合及应用

针对2016年度国家重点研发计划项目"全球变化与应对"指南方向"气候变化经济影响综合评估模式研究",旨在建立具有自主知识产权的、国际一流的评估模式,评估气候变化对中国经济的影响。项目的实施是在全球变化正在深刻影响人类生存和发展的背景下开展的,总体目标是提高地球系统模式空间水平分辨率,完善综合评估模型,实现地球系统模式和综合评估模型的双向耦合,评估气候变化对社会经济的影响。旨在解决2个关键科学问题:综合评估模型中如何刻画气候变化的影响?气候变化对中国社会经济的影响及其程度如何?解决2个关键技术问题:地球系统模式中小尺度人类活动模拟的技术问题;地球系统模式和综合评估模型运行尺度匹配和非同步耦合的技术问题。     

基于中等复杂地球系统模式的全新世 气候突变事件模拟试验*

全新世暖湿气候背景下的代表性气候突变是发生在约8.2kaB.P. 和4.2kaB.P. 的气候突然变冷变干的事件。对于气候突变事件的出现,海洋环流被普遍认为是其中的关键环节。科学家们利用不同类型的气候模式进行过个例和机理模拟试验,但还未能对气候突变机理做出合理的解释。本研究使用一个中等复杂程度的地球系统模式EMIC ( Earth-system Models Intermediate Complexity) MPM-2,模拟研究了全新世气候背景下北大西洋区域,淡水强迫机制作用对温盐环流以及全球气候的可能影响、气候系统响应和恢复时间特征以及南北半球的差异。模拟结果表明海洋对北大西洋淡水通量异常的强度响应敏感,海洋环流对热量和盐份的输送与淡水通量异常强度之间的平衡决定了温盐环流能否对淡水强迫产生不可逆转变,当淡水通量异常达到某一阈值后可能引起海洋和气候平衡态的改变。同时还发现,在气候变化过程中,两次淡水通量异常对海洋和大气系统的强迫作用是不同的,首次淡水通量异常对气候平衡态的影响要远大于其后的淡水通量异常。模拟结果还表明,北大西洋海洋的异常状况可以通过海洋、大气等各圈层相互作用传递到不同圈层和空间区域,在南北半球出现不同的响应特征。上述模拟结果对于认识全新世气候变化特征、不同突变事件之间的关系及其对现代气候的可能影响具有启发意义。     

地球工程国际研究发展态势及现状——以冰川保护为例

地球工程作为应对气候变化的潜在备选方案,旨在控制全球变暖速率,抵消人为因素对气候变化的影响。本文基于文献计量学,从发文量、国际合作、高频词等角度系统分析了国际地球工程领域科技前沿的发展态势。近年来,地球工程领域的科学研究整体呈增长趋势,中美英等国在该领域处于世界领先地位,具有较强的科研水平。现阶段的地球工程研究主要停留在模型模拟及评估阶段,大部分研究缺乏实测和分析数据,且地球工程方法技术可能对自然环境和社会存在威胁。太阳辐射管理技术会对全球和区域气候模式存在潜在威胁,而二氧化碳移除技术的问题主要是其可能的意外环境后果,以及对地球气候系统长期影响的不确定性。此外,冰川地球工程正逐渐成为冰冻圈学科和全球变化领域新兴的研究方向,已借助地球工程原理,在极地冰盖和少数山地冰川开展应用研究,但大多是数值模拟和方案设计,少数进行了实地试验。在未来,地球工程研究重点依赖于针对实验工作的资金技术支持,以期改进建模和为技术分析提供实测和理论基础数据,促使地球工程脱离现有的模型模拟阶段,开展大规模商业化示范。地球工程发展需要伦理道德规范,结合我国能源转型战略,有可能基于国际跨学科合作开发和部署以保护环境和改...     

近10年来“国际古气候模拟比较计划(PMIP)”回顾和未来古气候模拟研究热点

国际古气候模拟比较计划(PMIP)是古气候领域里的一项长期开展的大型国际研究计划。该计划的主旨是利用气候数值模式,通过开展一系列针对古气候变化的模拟试验理解全球气候变化的机理,确定气候系统内部的各种影响气候变化的关键反馈因子; 通过比较不同气候模式对不同于现代气候(古气候)的模拟能力评价模式的优劣,进而促进气候模式的发展; 同时也为全球变化背景下利用气候模式预估未来气候变化提供借鉴。PMIP自1991年酝酿开始至今经历了PMIP1(1991～2001年)、PMIP2(2002～2007年)两个阶段,并正在开展第三阶段(PMIP3)(2008～)的研究。本文简要回顾了近10年来PMIP研究进展及概述了未来PMIP将要开展研究的重点领域和方向,主要包括4个主题： 1)基准(benchmark)时段(6kaB.P.和21kaB.P.)模拟; 2)间冰期和温暖期气候模拟; 3)快速气候变化模拟; 4)不确定性研究。     

近10年来"国际古气候模拟比较计划(PMIP)"回顾和未来古气候模拟研究热点

国际古气候模拟比较计划(PMIP)是古气候领域里的一项长期开展的大型国际研究计划.该计划的主旨是利用气候数值模式,通过开展一系列针对古气候变化的模拟试验理解全球气候变化的机理,确定气候系统内部的各种影响气候变化的关键反馈因子;通过比较不同气候模式对不同于现代气候(古气候)的模拟能力评价模式的优劣,进而促进气候模式的发展;同时也为全球变化背景下利用气候模式预估未来气候变化提供借鉴.PMIP白1991年酝酿开始至今经历了PMIP1(1991～2001年)、PMlP2(2002～2007年)两个阶段,并正在开展第三阶段(PMfP3)(2008～)的研究.本文简要回顾了近10年来PMIP研究进展及概述了未来PMIP将要开展研究的重点领域和方向,主要包括4个主题:1)基准(benchmak)时段(6kaB.P.和21kaB.P.)模拟;2)间冰期和温暖期气候模拟;3)快速气候变化模拟;4)不确定性研究.     

History of the solar system

A brief introduction is given to the various approaches which have been followed in attempting to construct models of the origin of the solar system. The author then outlines in more detail one of the more recent approaches, involving models of a massive primitive solar nebula. In this approach a massive gaseous disk is first formed during the course of star formation, and the Sun must subsequently form from the disk as a result of hydrodynamical dissipation processes. Both the dissipation and the accompanying formation of the planets are estimated to require only a few thousand years. As a consequence, there was little time for the Earth to radiate its energy of gravitational accretion, and the primitive Earth must have been extremely hot.     

全球变化过程的数学模拟和定量预测

本文首先介绍了全球变化过程数学模拟问题的由来、主要研究内容和重要意义,进一步讨论了全球变化过程综合模拟的数学模型及其已经取得的进展和系统分析的可能应用,然后介绍了过去全球变化过程的数学模拟以及已有的部分区域性工作基础和几种数学方法的可能应用。作者综述了GCM模型的应用现状和存在问题,并讨论了全球变化过程的定最预测,分析了若干新技术的可能应用,提出了对开展此项工作的看法和建议。     

表生过程中铁的同位素地球化学

铁同位素地球化学已成为当前国际上地球化学领域的研究热点。表生过程涉及地球表层,包括大气圈、水圈、生物圈及岩石圈浅部,与人类生活密切相关,也是地球科学中的基本地质过程之一。本文对表生体系中的土壤、河流、海洋等主要储库的铁同位素组成特征及表生体系铁同位素分馏的基本过程进行总结。在此基础上,对表生过程中的风化作用、河流搬运作用、沉积作用、成岩作用及海洋铁的地球化学循环过程中铁的同位素地球化学行为进行介绍。表生过程中铁的同位素地球化学理论框架已经基本建立,并且显示出铁同位素是表生地球化学领域新的示踪工具。     

对地球系统科学的几点认识

地球系统科学将是２１世纪地球科学的主旋律,它被定义为：“将地球作为一个整体来伯全部知识;对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石中的各种作用及各层圈间相互作用时间进行的研究”。此种学术思想可追溯到１００多年前,见於文字也有近二十年。它对当代地学的发展起了重要的推动作用,有四个特点：地球现象的远距离相互联系、影响;内动力和外动力研究一体化;地质作用和生物作用研究一体化;一类活动作为地球系统的一部分。当前地球系统科学的发展也提出了一些新问题,主要的是：在学术思路上对与岩石圈有关的地质作用有所忽视;观察研究系统不全面;还未深人到资源形成和小环境的研究中。近年来的观测试验表明,发生在岩石圈的各种地质作用正积极参与垒球各圈层间的物质能量交换。对它们的忽视,可能正是目前一些生物地球化学循环模型无法平衡的原因。     

流体地球科学与地球系统科学

近年来,地球系统科学逐渐成为地球科学的新趋势,但固体地球科学尚难于融入其中。其根本原因在于地球系统科学属于系统科学或复杂科学的组成部分,而固体地球科学其本质上属于理想科学的范畴,以研究线性地球过程为主,或者以理想科学的手法研究非线性地球过程。流体地球科学不仅研究地球的流体系统,也研究流体系统与固体系统的强和弱相互作用,是固体地球科学融入地球系统科学的唯一途径。     

Progress in rapid climate changes and their modeling study in millennial and centennial scales

Rapid climate change at millennial and centennial scales is one of the most important aspects in paleoclimate study. It has been found that rapid climate change at millennial and centennial scales is a global phenomenon during both the glacial age and the Holocene with amplitudes typical of geological or astronomical time-scales. Simulations of glacial and Holocene climate changes have demonstrated the response of the climate system to the changes of earth orbital parameter and the importance of variations in feedbacks of ocean, vegetation, icecap and greenhouse gases. Modeling experiments suggest that the Atlantic thermohaline circulation was sensitive to the freshwater input into the North Atlantic and was closely related to the rapid climate changes during the last glacial age and the Holocene. Adopting the Earth-system models of intermediate complexity (EMICs), CLIMBER-2, the response of East Asian climate change to Dansgaard/Oeschger and Heinrich events during the typical last glacial period (60 ka B.P.-20 ka B.P.) and impacts of ice on the Tibetan plateau on Holocene climate change were stimulated, studied and revealed. Further progress of paleoclimate modeling depends on developing finer-grid models and reconstructing more reliable boundary conditions. More attention should be paid on the study of mechanisms of abrupt climatic changes as well as regional climate changes in the background of global climate change. __________ Translated from Advances in Earth Science, 2007, 22(10): 1054–1065 [译自: 地球科学进展]     

On the evolution of terrestrial planets:Bi-stability,stochastic effects,and the non-uniqueness of tectonic states

The Earth is the only body in the solar system for which significant observational constraints are accessible to such a degree that they can be used to discriminate between competing models of Earth's tectonic evolution.It is a natural tendency to use observations of the Earth to inform more general models of planetary evolution.However,our understating of Earth's evolution is far from complete.In recent years,there has been growing geodynamic and geochemical evidence that suggests that plate tectonics may not have operated on the early Earth,with both the timing of its onset and the length of its activity far from certain.Recently,the potential of tectonic bi-stability(multiple stable,energetically allowed solutions)has been shown to be dynamically viable,both from analytical analysis and through numeric experiments in two and three dimensions.This indicates that multiple tectonic modes may operate on a single planetary body at different times within its temporal evolution.It also allows for the potential that feedback mechanisms between the internal dynamics and surface processes(e.g.,surface temperature changes driven by long term climate evolution),acting at different thermal evolution times,can cause terrestrial worlds to alternate between multiple tectonic states over giga-year timescales.The implication within this framework is that terrestrial planets have the potential to migrate through tectonic regimes at similar‘thermal evolution times'(e.g.,points were they have a similar bulk mantle temperature and energies),but at very different'temporal times'(time since planetary formation).It can be further shown that identical planets at similar stages of their evolution may exhibit different tectonic regimes due to random variations.Here,we will discuss constraints on the tectonic evolution of the Earth and present a novel framework of planetary evolution that moves toward probabilistic arguments based on general physical principals,as opposed to particular rheologies,and incorporates the potential of tectonic regime transitions and multiple tectonics states being viable at equivalent physical and chemical conditions.     

Map of Anthropogenic Soil Erosion of Russia

Doklady Earth Sciences - The last map of anthropogenic soil erosion in Russia was compiled more than 20 years ago on a scale of 1 : 5 000 000. In recent years, additional data on soil...     

Improvement in the radial accuracy of altimeter-satellite orbits due to the geopotential

The application of satellite altimetry in geosciences needs a precise computation of the orbit positions of the satellites with altimeters. In particular the knowledge of the radial orbit error is of high interest in this context. Rosborough's theory [Rosborough, G.W., 1986 Satellite Orbit Perturbations due to the Geopotential, CSR-86-1 rep., Center for Space Research, Univ. of Texas, Austin.], ammended by our newer works, describes Earth static gravity induced radial orbit error as a function of latitude, longitude and pass direction. Using this theory applied to precise long-term measurements of crossover altimetry we demonstrate the improvement in the accuracy of the orbit radius due to Earth gravity models, from the early 1980s (order of tens of meters), to the present (order of centimeters and less). The early models, with higher correlations between potential coefficients, show strong variations of the error in longitude as well as latitude, compared to the more recent fields. Currently the static gravity errors in the best of the Earth models are believed to be below the systematic environmental errors in the long-term altimetry.