高分辨率洞穴石笋稳定同位素应用之一——京津地区500a来的气候变化——δ~(18)O记录

气候变化可记录在洞穴石笋氧同位素值中 .当气候湿冷 ,降雨量越大 ,年平均气温越低时 ,δ18O值越负 ;当气候干热时 ,δ18O值越正 .北京石花洞年轻石笋的氧同位素记录显示了京津地区的降雨量有一个 30～ 40a的变化周期 .降雨量增加时期分别以 1 985 ,1 95 5 ,1 91 0 ,1 880 ,1 840 ,1 80 0 ,1 76 0 ,1 730 ,1 6 90 ,1 6 6 0 ,1 6 30 ,1 5 6 0 ,和1 5 30a为中心 .在 1 6 2 0～ 1 90 0a之间 ,京津地区的气温低于 5 0 0a以来的平均气温 ,对应于小冰期事件 .1 5 2 0～ 1 6 2 0a和 1 90 0a至今的两个时期 ,气温高于 5 0 0a来的平均气温 .     

鄱阳湖流域过去1000 a径流模拟以及对气候变化响应研究

为研究过去千年尺度径流变化及其对气候变化的响应,以长江中游鄱阳湖流域为研究区,运用气候模式CCSM4和ECHAM5模拟过去1000 a气候数据,空间降尺度后驱动水文模型模拟了鄱阳湖流域过去近千年流域径流序列.利用快速傅里叶变换、小波分析等手段,分析流域极端径流变化特征、周期和该流域旱涝事件发生频率.结果表明:2种气候模式均能反映出中世纪暖期及小冰期阶段的干湿交替变化,且小冰期内中干旱状态维持时间较长;径流的丰枯变化与降水量变化具有较好的对应关系.CCSM4和ECHAM5模式下发生旱涝灾害与极大极小降水事件发生频率基本相同,径流丰枯变化与降水变化周期相近,均具有30 a左右的主周期,10~15、7 a左右的子周期.小波系数模平方图中30 a左右显著的能量信号揭示了该周期与北太平洋气候的主要环流机制的太平洋年代际振荡周期相近,因此,大气环流涛动是造成气候-水文变化的主要原因.研究结果拓展了基于近代60 a观测记录的流域水文变化的认识,探讨了千年时间长度下流域干湿变化特征和水文对气候响应的动力机制,有助于全面系统认识长江中游在全球气候暖化背景下旱涝极端水文事件的发生机制与变化规律.     

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.     

东亚小冰期气候形成中太阳辐射和火山灰作用的敏感性试验

利用最新的太阳辐射变化资料和火山灰记录通过气候模式的模拟试验来探讨小冰期气候的形成因子 ,并揭示其动力学机制 .模拟结果较好地反映了在太阳辐射和火山灰作用下典型小冰期东亚地区的温度和降水变化 .主要结论是 :在小冰期典型强迫条件下 ,欧亚大陆年平均温度普遍降低 ,且具有明显的区域差异 ,高纬度降温幅度大于低纬度 ,冬季降温幅度大于夏季 .我国长江流域以北的广大地区的降温幅度在 0 .2 - 0 .4℃之间 .不同季风区对火山灰和太阳辐射变化具有不同的响应 .东南季风控制的地区 (如我国的华东、华南地区 )降水明显减少 ,年平均减少幅度在 0 .5 - 1.5mm/d之间 ,西风和西南季风控制的广大地区降水几乎持平或略增 ,最大年均增幅小于0 .5mm/d .这与历史证据和自然记录资料是一致的     

古里雅冰芯中末次间冰期以来气候变化记录研究

通过对古里雅309m冰芯上部268m的研究,重建了末次间冰期以来的气候环境变化.根据对古里雅冰芯 δ~(18)O的研究,可以清楚地划分出阶段1(冰后期)、2(末次冰期冰盛期)、3(末次冰期间冰阶)、4(末次冰期早冰阶)和5(末次间冰期).阶段5又可分出a,b,c,d,e 5个亚阶段.古里雅冰芯δ~(18)O记录明确地显示了青藏高原温度变化和太阳辐射的密切关系.研究表明,太阳辐射是驱动青藏高原气候变化的主要因子.古里雅冰芯记录与北极格陵兰冰芯和南极Vostok冰芯的对比研究表明,这些相距遥远、不同地区冰芯所记录的大的冷暖事件变化是一致的.但不同地区气候变化幅度是不一致的.青藏高原地区变化幅度大于北极地区和南极地区.     

全球气候变化的成因初探

温室效应不是气候变化的唯一因素,温室气体的主体不是二氧化碳而是水汽.当水汽凝聚为云,就会遮蔽阳光,起到降温作用.太阳辐射量变化不足以解释气候变化的振幅,关键在于存在太阳能量积累和释放的多种效应,其中“海底藏冷效应”和“海洋锅炉效应”最为显著.太阳能在地球各圈层的不同分配也是地表气候变化的原因之一,其中“地磁层漏能效应”和“臭氧洞漏能效应”最为显著.气候变化周期是天文周期微力激发的结果,其能量来自太阳能量的长期积累.目前处于1500～1800年气候周期的变暖高峰,200年气候周期的变冷初期,60年气候周期的变冷阶段.本文通过历史资料反复核对,证实太阳黑子延长极小期、太阳黑子周期长度大于11年时期、潮汐极大期、低温有明显的对应关系,已经查出重复出现两个连续周期,除太阳活动变化外,强潮汐是其形成的原因.全球气候有准60年、200年、18000年等周期,这些周期与潮汐周期有很好的对应关系.特别是179～200年周期,在太阳黑子活动、潮汐变化和冷暖变化中都有明显的表现,形成对应的周期规律.分析结果显示,气候冷暖变化的原因不只限于大气层本身,而确有可用于气候预测的星体运行的变化信息.规律表明,2007年开始的太阳黑子延长极小期和潮汐极大期使我国可能进入严重低温冻害时期,并将在2020年达到高潮,必须做好预防准备.     

东业小冰期气候形成中太阳辐射和火山灰作用的敏感性试验

利用最新的太阳辐射变化资料和山灰记录通过气候模式的模拟试验来探讨小冰期气候的形成因子，并揭示其动力学机制，模拟结果较好地反映了在太阳辐射和火山灰作用下典型小冰不亚地区的温度和降水变化，主要结论是：在小冰期典型强迫条件下，欧亚大陆年平均温度普遍降低，且具有明显的区域差异，高纬度降温幅度大于低纬度，冬季降温幅度大于夏季，我国长江流域以北的广大地区的降温幅度在0．2－0．4℃之间，不同季风区对火山灰和太阳辐射变化具有不同的响应，东南季风控制的地区（如我国的华东、华南地区）降水明显减少，年平均减少幅度在0．5－1．5mm/d之间，西风和西南季风控制的广大地区降水几乎持平或略增，最大年均增幅小于0．5mm/d，这与历史证据和自然记录资料是一致的。     

短中时间尺度上的气温变化和太阳辐射之间的关系研究

探讨气温变化的时空特征及其产生原因越来越成为当代大气科学关注的焦点.过去的大多研究揭示了长时间尺度上的气候变化受太阳辐射的影响情况.本文采用经验模态分解的方法,通过识别气温和太阳黑子变化中的特征时间尺度,分析了短中时间尺度上南京市与石家庄市气温和太阳辐射之间的关系,得到了吻合以前实证结果的太阳黑子11a的准周期成分等,在气温变化中也找到了相似于太阳黑子5.5和11a的准周期成分,但是相关性分析及检验某一模态信号是否为随机信号的验证分析同时说明相似周期成分之间并不相关.在95%的置信度下,南京市和石家庄市气温变化中确实存在不少短周期波动,它们和太阳辐射之间并不存在直接的相关关系,而且南京市气温3.1a的中周期波动也吻合前人的研究成果.     

小冰期气候变化主控因子的模拟试验

小冰期是距今最近,特征最明显的寒冷气候事件,对于研究世纪尺度气候变化具有重要意义. 过去的研究结果认为,太阳活动和火山活动的变化是小冰期气候变化的主要原因. 本文应用AGCM SSiB模式分别试验了植被、太阳辐射和火山活动变化对小冰期温度、降水的影响,发现下垫面植被变化对小冰期温度变化影响的量级与太阳辐射和火山活动变化的作用相当,对降水的影响甚至超过太阳活动和火山活动变化的作用,说明对于世纪尺度的气候变化而言,下垫面植被的反馈作用不可忽略. 这对于深入理解小冰期气候变化的机理具有启迪作用,同时也为世纪尺度气候变化研究与气候情景预测提供了新的思路和方法.     

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 .     

太白山三清池湖泊沉积记录的全新世气候变化及周期讨论

通过对太白山三清池湖泊沉积柱芯的低频磁化率(χlf)、频率磁化率(χfd)、总有机碳(TOC)、粒度参数指标的时序序列进行小波分析,探讨太白山全新世气候变化过程及周期波动性.结果显示:中、晚全新世太白山气候变化具有明显的阶段性特征;千年尺度上,χlf、χfd、TOC和平均粒径参数序列反映的主周期分别为1427、1427、1427和1452 a,晚全新世5410 cal a B.P.距今期间存在8次显著的冷暖交替震荡;在百年尺度上,χlf、χfd、TOC和平均粒径参数序列还揭示出分别以492、492、467和467 a为周期的次一级变化,且整体上经历近似10次的短期冷暖波动.此外,以上结果与全球范围内全新世气候周期有着较好的一致性,表明我国东部高海拔地区在千年和百年尺度上,对全新世气候振荡同样具有相似的响应.     

气候系统10万年周期变化的随机动力学模拟

以随机共振理论为基础,从随机动力学的角度模拟研究了地球气候10万年周期变化的形成机理.将理想反照率模型与气候系统的地质证据和观测事实相结合,构建了新的反照率模型;并将其引入零维能量平衡模式后,形成了满足双稳条件的非线性系统.基于这一系统,模拟研究了同时考虑太阳辐射周期变化和各种随机扰动时的气候系统10万年周期变化情况.结果表明,当噪声强度达到一定数值时,均可产生随机共振现象.但是这种噪声强度在实际的气候系统中并不存在.为了解释弱的太阳辐射周期变化强迫产生10万年冰期、间冰期旋回的机制,除了考虑太阳辐射随机扰动量,还需要考虑其他非太阳辐射随机扰动量对这一气候变化过程的随机动力学影响.对同时考虑太阳辐射随机扰动量和非太阳辐射随机扰动量的模拟分析结果表明,当同时引入适当的、目前观测到的这两类随机扰动量时,也可以产生随机共振现象,其中太阳辐射随机扰动的贡献率约为38%,证明太阳辐射随机扰动对10万年气候周期的形成具有重要作用.     

末次冰期青藏高原的气候突变--古里雅冰芯与格陵兰GRIP冰芯对比研究

通过对古里雅冰芯的研究和与格陵兰GRIP冰芯的对比 ,探讨了末次冰期青藏高原的气候突变事件 .冰阶 间冰阶变化以及反映大范围气候变化的 7次暖事件 (BrΦrump ,Odderade,Oerel,Glinde ,Hengelo ,Denekamp ,BΦlling) ,在两冰芯中都有一致的反映 .但古里雅冰芯记录有一系列独具的特征 .古里雅冰芯中气候由暖变冷的速率及气候变化幅度都大于格陵兰GRIP冰芯记录 .古里雅冰芯记录的另一显著特征是 ,在距今 18～ 3 5ka时 ,出现了一系列时间尺度在 2 0 0a左右的循环 ,其中温度变幅超过 7℃的升温事件 2 2次 ,超过 7℃的降温事件 2 0次 ,而温度变幅在 3℃以内的升温、降温事件达 10 0多次 .研究表明 ,不同的因子对不同时段的气候突变起作用 .冰阶 间冰阶尺度的气候由暖变冷的突变是由太阳幅射变化驱动并经青藏高原积雪面积变化放大作用导致的 ,而更短时间尺度的气候突变是太阳活动和季风相互作用的结果 .     

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.     

近2000a古里雅冰芯10a尺度的气候变化及其与中国东部文献记录的比较

据古里雅冰芯提供的高分辨率按 1 0a为单位统计的δ18O和积累量记录 ,划分出 2 70a以前的高温湿润期 ,2 80～ 96 0a的低温干旱期 ,970～ 1 5 0 0a的中温干旱期 ,1 5 1 0～ 1 92 0a冷暖波动强烈的“小冰期”及 1 92 0a后的升温期 .在温度和降水组合中 ,冷湿 1 0a的次数 ( 1 4次 )略少于冷干 1 0a( 1 6次 ) ,而暖湿 1 0a( 1 0次 )远多于暖干 1 0a( 4次 ) ,以相邻 2 0～ 30a的δ18O值相差 2‰ ,相当 3℃作为突变统计标准 ,则自 3世纪至今共发生 33次之多 .和中国东部文献记录的最新综合研究结果比较 ,许多重大气候事件是同时以至同年代出现的 ,反映低中纬度带相距很远的不同区域间气候变化的共同特征 ,但也有显著的差别 ,主要在“中世纪暖期”东部有相当表现而西部不显著 .近 1 2 0 0a低频变化趋势 ,东部呈显著降温 ,西部则有所上升     

长江中下游典型湖泊营养盐历史变化模拟

湖泊营养盐变化在自然条件下受到气候水文因素控制,同时受到湖泊生态系统生物群落作用和反馈.作为动力机制探讨,本文试图基于水文和生态动力学方法,分别构建气候-流域水文作用于湖泊营养盐的外源模式和湖泊生物群落作用于湖泊营养盐的內源模式.针对长江中下游典型湖泊,经过控制实验和率定,发现营养盐模拟与观测数据在时间序列上达到90%百分位的正相关,因此用来模拟1640 1840 A.D.期间的营养盐演变历史.研究表明:(1)模拟的湖泊营养盐变化与沉积钻孔揭示的历史营养盐变化基本一致,沉积记录与模式模拟的7个湖泊的营养盐变化均显著相关;(2)气候因素是湖泊营养盐历史演变的主控因子,来自于湖泊生物群落的反馈作用贡献约占40%;(3)在温度和降水因子的驱动下,湖泊营养盐历史变化主要受降水控制,在极端干旱时期,60%的营养盐变化同步响应于降水变化.同时,面积在400 km2以下的湖泊营养盐对气候变化的响应比2000 km2以上的大湖更为敏感.研究结果对长江中下游湖泊营养状态的长期变化机理认识和趋势控制提供科学依据.     

青藏高原东北部柴达木盆地古湖泊沉积物正构烷烃记录的MIS3晚期气候变化

通过对青藏高原柴达木盆地察尔汗古湖泊贝壳堤剖面254cm湖相沉积物中正构烷烃的分析,结合现有的湖相记录资料,探讨了柴达木盆地察尔汗湖区39.7～17.514CkaBP(校正年代为43.5～22.4cal.kaBP,相当于深海氧同位素第3阶段晚期)之间湖泊演化规律.在湖泊演化的不同阶段,正构烷烃呈现了不同的分布模式,体现了研究区植被变化及水文条件的改变.正构烷烃代用指标(CPIh,ACLh和Paq)与同纬度地区夏季太阳辐射量变化趋势一致,揭示了夏季太阳辐射是青藏高原地区气候变化的重要驱动力,间接影响了湖泊的演化.另一方面CPIh,ACLh与孢粉总浓度以及格陵兰冰芯气泡甲烷浓度变化趋势吻合,响应了气候快速变化的Dansgaard-Oeschger(DO)旋回,说明MIS3晚期察尔汗湖区气候相对暖湿阶段具有不稳定性.本次研究是青藏高原气候变化受控于夏季太阳辐射来自古湖泊沉积物分子化石的最新证据.     

中昆仑山区封闭湖泊湖面波动及其气候意义

封闭湖泊湖面波动是气候变化很敏感的指示器,其水量平衡特征对此可给予理论证明,进而可将这种灵敏度表示为Z=A_l/A_b=(P_b-E_b)/(E_l—P_l)。中昆仑山区的封闭湖泊自17000a B.P.以来曾经历了三次高湖面,即17000a B.P.前后、12000a B.P.前后及8000—6000a B.P.。其中第一期的高湖面与高山区冰体消融、西风带位置的变动及土壤湿度、太阳辐射值的变化有关,第二次的高湖面是湖泊总体收缩下降过程中出现的相对稳定或短暂回升,第三期的高湖面是全球性温湿气候的产物。理论探讨与实例分析均说明,封闭湖泊湖面波动不仅对无人类观测记录的地质历史时期的气候变化有着重要的指示性,而且可以弥补人类观测资料的不足,是研究气候变化的理想场所。     

南沙ODP1143站有孔虫同位素变化对地球轨道驱动的响应

1143站5 Ma有孔虫稳定氧、碳同位素记录揭示了南海南部上新世至更新世气候变化在斜率和岁差周期上对地球轨道驱动的线性响应. 赤道太平洋地区频繁爆发的厄尔尼诺现象可能与氧、碳同位素相对于地球轨道驱动呈相反相位相关. 北极冰盖在3.3 Ma的扩张可能影响了气候变化100 ka周期的发展, 它的进一步扩张可能导致该周期成为晚更新世冰期旋回的主要周期. “中更新世转型”事件对南沙海区同位素变化的影响具有局限性. 1143站有孔虫的碳同位素在长偏心率周期上与地球轨道驱动高度相关, 且在短偏心率周期上领先于氧同位素的变化, 这进一步突显了碳循环在全球气候变化中的重要地位.     

近50年中国东南地区地面太阳辐射变化对气温变化的影响

太阳是地球表层的最终能量来源,地面太阳辐射的变化会深刻影响地球的气候变化.本文利用中国东南地区14个气象台站1961～2008年总辐射和气温的同步观测资料,分析了近50年该地区地面太阳辐射的变化对气温变化的可能影响.结果表明,1961～1989年期间,该地区的地面太阳辐射显著减弱,所引起的气温下降超过了其他因素的增温效...