中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风的关系

利用中国1951～2010年652站年降水资料和7种东亚夏季风和1种冬季风指数,通过多项数学统计诊断分析,来研究中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风指数的关系.结果表明,这60年间全国总平均年降水量未呈现显著的时间变化趋势,但区域间的差异大.聚类分析可提供较客观的降水分区,据554站无缺测降水资料的聚类结果,将全国分成14个主要降水区,各区之间降水变化的差异显著.由7种夏季风指数与14个区的平均年降水量(1951～2010年)的相关系数可见,其中4种夏季风指数与14个区的年降水量之间没有显著相关,有3种指数只与14区中的2～3个区有显著负相关,它们并不能指示其他区域的或整个中国东部的降水变化.中国东部地区的夏季降水分布与东亚夏季风强度变化关系十分复杂,不能仅由降水的多少来认定夏季风的强弱,更不能用任意单个地点的降水记录来表示整个中国东部的干湿状况和夏季风的强度变化.     

近千年东亚夏季风演变历史重建及与区域温湿变化关系的讨论

集成中国季风区石笋氧同位素记录的共同变化特征,初步建立了近千年10年平均的东亚夏季风演变序列。在10年尺度以上分析了东亚夏季风演变与其他气候要素变化之间的关系。主要结论有： 1)近千年来东亚夏季风演变可划分为中世纪时期(11～13世纪初期)的季风稍弱阶段,13世纪中后期至14世纪前半叶的季风较强时期,14世纪后半叶至17世纪的季风较弱阶段,自18世纪开始持续约200年的季风再次增强时期,以及20世纪初开始的季风逐渐减弱阶段。2)近千年来东亚大陆或北半球温度的变化虽然对东亚夏季风变化具有一定的影响,但东亚夏季风强度的变化并不总是取决于陆地温度的变化。3)近千年来东亚夏季风的强弱变化与降水变化在低频趋势上有良好的对应关系,在东亚夏季风增强的时期,中国东部降水较多,而在夏季风减弱时,中国东部降水趋于偏少。     

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.     

晚白垩世(80Ma)东亚气候的数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCSM2全球气候系统模式以及重建的古地理资料研究了晚白垩世(80Ma)东亚的古气候特征。模拟结果表明:80Ma时期东亚地区大范围盛行的风向和气压系统随季节有显著变化,由此可以推断东亚地区当时是存在季风环流的。与现代气候比较,白垩纪时期大陆上空的大气环流系统经向特征更明显,这种特征可能与当时欧亚大陆东西向跨度较小有关。此外,在当时偏暖的背景下,东亚冬季风和夏季风呈现出一致的变化特征,即冬季风和夏季风都比现代强。年平均降水的分布型和现代的情况比较相似,降水最大值出现在10°S～10°N的赤道辐合带中,与西太平洋相邻的大陆东岸降水也较多,其中心超过1200mm,而在中纬度的内陆地区降水则稀少。虽然与现代情况相似,80Ma在30°N附近的西太平洋上也为多雨带,然而在东亚陆地上没有多雨带,这说明了青藏高原隆升在现代东亚夏季梅雨形成中的重要性。此外,模拟的80Ma时期东亚地区气候要比现代温暖,相同纬度的表面气温要高2℃以上,模拟的温度与地质证据估计的温度比较接近。     

南海北部夏季沿岸上升流近百年的强度变化

用全谱直读ICP-AES技术测定了海南岛东部（琼东）沿岸上升流区域滨珊瑚1906—1996年的Sr／Ca比值。结果显示珊瑚Sr／Ca比值重建的琼东海域的夏季海表温度偏低,强烈地受到东亚夏季风引起沿岸冷上升流的影响。结合西沙海域的滨珊瑚海表温度记录,首次重建了1906～1993年琼东沿岸风生上升流的强度指数变化序列。结果表明琼东上升流于1906～1993期间整体呈加强趋势,并具显著的年代际波动特征,同全球趋暖密切相关。此外,重建的上升流强度指数序列还揭示了大尺度环流——厄尔尼诺一南方涛动对琼东上升流强度变化的制约。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

晚白垩世(80Ma)CO2浓度对东亚气候影响的数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCSM2.0全球气候系统模式,并结合重建的古地理资料,研究了晚白垩世(80Ma)东亚气候特征以及CO₂浓度变化对东亚气候的影响。模拟结果表明： 与现代气候比较,晚白垩纪时期的东亚大陆冬季风和夏季风都偏强,具有同步变化的特点,并且中高纬度年平均地表气温明显增加,而低纬度地区有所下降,年降水变化的区域性特征明显; 就年平均而言,在 30°～40°N 的内陆地区地面净失去水分、变干燥,而在低纬度、大陆东岸以及高纬度地区,地表获得水分、变湿润。晚白垩纪CO₂浓度变化对大气辐射和大气热状况的影响是复杂的; 降低CO₂浓度可以导致东亚地区气候显著变化,冬季东亚中纬度地区大陆降温比其附近的海洋大,太平洋中高纬度的低压系统加强,因而造成东亚冬季风偏强; 而在夏季,中纬度大陆地区降温幅度大于海洋,西太平洋副热带高压减弱,因而夏季风减弱。对应于较低的CO₂浓度,年降水量在东亚及其沿岸的中、低纬度大部分地区显著减少,在东亚高纬度的大陆和海洋上降水的减少幅度不大,而在 30°N 附近亚洲大陆中部和东部的一些地区降水有所增加; 总体上,地表水分收支在东亚大陆的东部都是以负值为主,地面净失去水分、变干燥,其中 30°N 以南的大陆沿岸最显著; 而在东亚大陆的内陆地区,水分收支差异以0～0.5mm/天的正值为主,东亚大陆的东部是以地面净得到水分、变潮湿为主。     

长江口泥质区沉积物颜色反射率指示的近百年来东亚季风变迁

利用Minolta CM2002光谱光度计按照1 cm间隔测量了长江口泥质区ZM11孔沉积物的光谱特征,通过数理统计的方法对获取的400~700 nm可见光范围内的颜色反射率数据进行分析,揭示其对环境和气候的指示意义。因子分析提取了F1和F2两个主因子,通过与测试所得到的亮度（L）、红度（a*分量）、黄度（b*分量）等颜色反射率特征值对比,发现F1与亮度曲线的变化趋势基本一致、而F2与黄量变化趋势则完全相反,其中前者可以作为东亚夏季风的有效替代性指标,东亚夏季风强度指数增大,沉积物亮度值变大,反之亦然。结合210Pb沉积速率数据,ZM11孔沉积物颜色反射率指标记录的近百年来发生的数次东亚夏季风增强期大致出现在1887、1897、1904、1915、1936、1945、1953、1965、1977、1987、1992年,该结果得到了近年来温度和降雨量实测记录的验证。东亚季风的这种强度变化具有显著的周期性,功率谱分析表明研究区存在明显的28 a和2 a周期,结合历史资料,推断太阳辐射强度的变化是其主要控制因素,另外还可能受到大尺度气候波动的影响。     

黄土高原东南部黄土记录的全新世东亚季风变化

在全球变暖背景下,未来东亚季风的变化一直备受关注,而东亚季风演化规律的研究能够为未来的预测提供重要基础。黄土-古土壤序列几乎连续地记录了古东亚季风变化的信息,本文选取黄土高原东南部的荥阳、偃师、灵宝、吉县、丁村五个剖面进行磁化率和古风化强度分析,重建了黄土高原东南部两万年以来的东亚夏季风演化历史: 18～12 ka B. P.,季风强度较弱; 12～10 ka B. P.,季风强度显著增强; 10～6 ka B. P.,季风强度最强; 6 ka B. P.以后季风强度逐渐减弱。对比发现黄土高原东南缘全新世东亚夏季风的演化与东亚季风区不同纬度代表性记录基本同步,没有显著的区域性差别; 东亚夏季风变化主要受控于北半球低纬太阳辐射,但存在明显滞后。同时发现全新世古土壤磁化率与古风化强度峰值在地层中的位置往往不一致,在风化较强的地区,古风化强度最大值位置偏下,两个指标相比,古风化强度能够更客观地反映东亚夏季风强度。      

东亚和南亚夏季风对中国季风区径流深影响

为揭示中国东部季风区径流深对东亚和南亚夏季风变化的响应规律,建立了八大流域VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型以及应用了Mann-Kendall和局部加权回归分析(Locally Weighted Scatter Plot Smoothing, LOWESS)相关性检验方法,并分析了径流深系数空间变化情况。结果表明:东亚夏季风与径流深显著性相关范围要明显大于南亚夏季风,主要位于长江流域以北和松花江流域以南的广大地区以及华南部分地区,并分别成正相关和负相关;而南亚夏季风与径流深显著性正负相关的区域则分别位于华南地区及长江流域上游部分地区。此外,季风区径流深系数空间差异明显,易产流区主要位于长江流域及东南沿海地区,而黄河及海河流域则产流较难。因此,对东亚及南亚夏季风的研究可为预测中国东部不同地区的水文过程及水资源变化提供重要的科学参考。     

末次冰消期以来内蒙古东部气候变化——基于风成砂-古土壤序列的地球化学记录

通过对内蒙古东部现代东亚季风界线两侧的浑善达克沙地和呼伦贝尔沙地风成砂-古土壤剖面的光释光、~(14)C年代和沉积物主、微量元素地球化学的分析,重建内蒙古东部末次冰消期以来气候变迁过程。浑善达克沙地的浩来呼热剖面(hsh1-09)显示了末次冰消期以来3次暖湿气候期,分别对应末次冰消期、全新世大暖期、中世纪暖期。呼伦贝尔沙地的嵯岗剖面(CG-09)表现了全新世大暖期和中世纪暖期两次的暖湿气候期。这一过程是对东亚夏季风的响应,大致反映了内蒙古东部末次冰消期以来的东亚夏季风两次不同程度增强及大暖期结束的南退过程。通过对比前人研究结果,全新世中期东亚夏季风较强,在内蒙古东部大约距今4 ka开始减弱、南退;中世纪暖期夏季风强度较弱,持续时间短。     

Heinrich events recorded in a loess-paleosol sequence from Hexigten,Inner Mongolia

We describe the last glaciation climatic history Marine Isotope Stage(MIS, 2-4) from 66.7 ka to 14.5 ka in Hexigten, northeast Inner Mongolia, North China. The climate of the region experienced frequent and significant fluctuations between dry-cold and less dry-cold during the late MIS4. The climate was generally warm and humid during early MIS3(MIS3 c) and late MIS3(MIS3 a), whereas it was cold and dry in middle MIS3(MIS3 b) and during MIS2. In this study, the cold and dry conditions were correlated with a stronger East Asian winter monsoon and strong dune activity; whereas, warm and humid conditions were related to a stronger East Asian summer monsoon(EASM) and weak dune activity. This study establishes six distinct dry and cold intervals during the last glacial period(66.7-14.5 ka) based on optically stimulated luminescence data, multi-proxies record(magnetic susceptibility, grain size analysis, Rb/Sr, SiO2/TiO2) and chemical index of alteration(CIA). The last glacial period may be correlated with Heinrich events 1 to 6 which were further confirmed by comparison with the Hulu cave stalagmites and Greenland ice core records. It is concluded that the study area was substantially affected by the EASM, as compared with the loess-desert transition zone of the Chinese Loess Plateau, especially in MIS3 c and suggested that the East Asian monsoon played a pivotal role in the last glacial period climate and dune activity.     

Decoupling of the East Asian summer monsoon and Indian summer monsoon between 20 and 17 ka

Marine Oxygen Isotope Stage (MIS) 2, with its profound environmental and climatic changes from before the last glacial maximum (LGM) to the last deglaciation, is an ideal period for understanding the evolution of the East Asian summer monsoon (EASM) and Indian summer monsoon (ISM), two Asian monsoon sub-systems. With 875 stable oxygen isotope ratios and 43 ²³⁰Th dates from stalagmites in Sanxing Cave, southwestern China, we construct and interpret a new, replicated, Asian summer monsoon (ASM) record covering 30.9–9.7 ka with decadal resolution. δ¹⁸O records from this site and other reported Chinese caves display similar long-term orbitally dominated trends and synchronous millennial-scale strong and weak monsoonal events associated with climate changes in high northern latitudes. Interestingly, Sanxing δ¹⁸O and Arabian Sea records show a weakening ISM from 22 to 17 ka, while the Hulu and Qingtian records from East and Central China express a 3-ka intensifying EASM from 20 to 17 ka. This decoupling between EASM and ISM may be due to different sensitivities of the two ASM sub-systems in response to internal feedback mechanisms associated with the complex geographical or land-ocean configurations.     

Late Holocene (~ 2 ka) East Asian Monsoon variations inferred from river discharge and climate interrelationships in the Pearl River Estuary

A sediment core from the Pearl River Estuary (PRE) was analyzed for grain size and organic geochemistry parameters (TOC and δ¹³C_org). The results showed that high mean grain-size value and increased sand content were correlated with the high TOC and negative δ¹³C_org. These results indicated high river runoff in the PRE area. Peak river discharge occurred during the periods 1900–1750, 1500–1600, 1400–1200, 1000–900 and 750–600 cal yr BP. The main changes recorded in grain-size distributions, TOC contents, and δ¹³C_org variations appear to be directly related to monsoon precipitation in the sediment source area. An increased East Asian summer monsoon rainfall (EASM) and/or an enhanced East Asian winter monsoon rainfall could result in the increasing of monsoon rainfall. Typhoon related rainfalls could act as positive influence on precipitation levels. The study of the correlations between the rainfall records and ENSO activities revealed a close relationship between the monsoon rainfall in the PRE and the tropical Pacific variations. The frequent occurrence of ENSO might result in the southern migration of the EASM rain belt and lead to more typhoon-derived rainfall in the PRD during the late Holocene.     

渭河盆地末次冰盛期以来沉积环境变化研究

研究过去气候快速变化能为当前极端气候分析和未来环境预测提供自然背景理解。亚洲季风在北半球乃至全球的第四纪气候变化中扮演着重要角色,其演化是全球气候变化背景下的典型区域响应。然而,不同地质载体及不同指标所记录的亚洲冬、夏季风变化存在着较大差异,产生差异的原因及受到的动力机制是值得深入研究的科学问题。渭河盆地位于黄土高原和古三门湖沉积交叠的区域,是研究第四纪亚洲季风演化的理想场所。在盆地西南部西安市户县和长安县获取了两个黄土沉积钻孔,户县ZZC孔长4 m,长安县XFC孔长3 m,两孔的年代均超过25 ka。通过两钻孔的粒度和元素地球化学等代用指标研究,对比分析不同指标对气候变化的敏感度差异,反演了末次冰盛期(LGM)以来的区域沉积环境变化,并尝试探讨该时期发生的气候突变事件及反映的季风强度变化。结果表明,两钻孔的平均粒径从LGM到中全新世逐渐变细,中全新世之后少许变粗,空间上表现出一致性,总体反映了末次冰盛期以来的冬季风强度演化;Ca/Ti反映了与季风降水相关的淋溶强度,从LGM到全新世暖期夏季风逐渐减弱,并记录了若干次气候快速变化。粒度和元素比值变化表明,渭河盆地沉积良好地记录了末次冰盛期至全新世的大幅冷干-暖湿波动及若干次持续时间较短的快速水文变化事件,主要是受到太阳辐射和冰量等因素调控的影响。由于渭河盆地有上千米的新生代沉积,未来开展高分辨率研究有望揭示不同时间尺度季风变化特征及其与区域和全球变化的联系。     

长江中游石笋年层厚度作为东亚夏季风强度代用指标的研究

利用Olympus偏光显微镜,直接在光学薄片上对长江中游和尚洞HS4石笋进行微层计数,并测量微层厚度。微层计数结果与其对应的UTh定年结果相吻合,证明该支石笋微层为年层;统计分析说明,该石笋的年层厚度变化响应近百年来东亚夏季风强度变化,两者呈负相关,说明长江中游石笋生长受东亚夏季风制约。因而,长江中游石笋年层厚度可以作为高分辨率的东亚夏季风强度代用指标。     

一个耦合气候系统模式模拟的中全新世时期亚洲季风系统变化

本文分析了一个耦合模式FGOALS_g1.0对工业革命前气候(0ka)和中全新世时期(6ka)亚洲夏季风的模拟结果。在该研究中我们主要分析季风降水变率较大的区域,即东亚夏季风区(20°～45°N,110°～120°E)和印度夏季风区(10°～30°N,70°～80°E)。尽管耦合模式的普遍偏差依然存在,该模式反映出亚洲季风系统是海陆热力性质差异的结果,并较好地模拟出了0ka亚洲夏季风大尺度环流的特点和季节变化的特征。6ka和0ka比较分析的结果表明,6ka时期欧亚大陆增暖,海陆温度梯度加强; 印度夏季风降水从南亚大陆北移到 30°N 附近,位于青藏高原南侧的降水大值中心降水加强; 东亚季风区降水则表现为华北地区减少,长江流域和华南地区降水增加的特点。但合理地模拟季风爆发仍然是耦合气候系统模式的难点之一。
6ka时期亚洲夏季风变化是和大尺度季风环流的变化联系在一起的,而其根本原因是中全新世时期地球轨道参数变化所引起的太阳辐射变化,北半球季节循环的振幅加强。海陆热力性质的差异所导致海陆温差加大使得北半球的季风环流加强,印度夏季风高空东风在 20°～30°N 加强,低层赤道东风加强,跨赤道后的西南气流向北推移,从而使得印度夏季风降水雨带北移到 30°N 附近。东亚季风区的高低空温度场的配置使得副热带高空急流减弱,位置偏南,从而有利于华北地区的高空出现异常的辐合,中层为异常的辐散,抑制了季风降水的发展; 长江流域和华南地区则相反,季风降水降水加强。