CMIP5多模式对中国及各分区气温和降水时空特征的预估

利用7个参加耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的全球气候模式模拟数据,在RCP4.5、RCP8.5两种排放情景下,从年、季、月尺度上对中国以及中国的7个区域的气温和降水进行未来情景预估分析。分析结果表明:2010~2099年,两种情景下中国的气温增加明显,并呈现出春弱秋冬(尤其是一、八、九、十一、十二月)强的特征,北部(N)、西北东部(ENW)、西北西部(WNW)、西藏(Tibet)的升温趋势高于其他地区。RCP8.5情景下的气温线性趋势值大部分都高于RCP4.5情景下的值。在RCP4.5情景下,2060~2099年东北部(NE)呈现降温。两种情景下,全国降水量也呈增加趋势,呈现由东南向西北递减的地理分布,并表现出冬弱春夏强的季节变化特征。西北西部(WNW)在全年降水偏少,春夏季黄河以北降水趋势较小,降水大值中心在长江以南地区,尤其是在五、六、七、八月份。秋季,在RCP4.5、RCP8.5情景下SE降水线性趋势分别低于或等于全国平均水平,东北部(NE)、北部(N)、西北东部(ENW)的降水线性趋势略高。在2010~2039年,在RCP8.5情景下西南(SW)的降水减少。     

CMIP5多模式集合对南亚印度河流域气候变化的模拟与预估

利用印度河流域CRU、APHRODITE和CMIP5多模式逐月气温、降水格点数据集, 评估了CMIP5模式集合对印度河流域气候变化的模拟能力; 对多模式集合数据进行了偏差订正, 并对流域2046-2065年和2081-2100年气候变化进行了预估. 结果表明: 气候模式对流域年平均气温时间变化和空间分布特征有着较强的模拟能力, 时间空间相关系数均达到了0.01的显著性水平, 尤其对夏季气温的模拟要优于其他季节; 模式对降水的季节性波动也有着较好的模拟能力. 偏差订正后的预估结果表明, RCP2.6、4.5、8.5情景下, 相对于基准期(1986-2005年), 21世纪中期(2046-2065年)和末期(2081-2100年)整个流域年平均气温都有一定上升, 且流域上游增幅较大; 除RCP4.5情景下21世纪中期流域有弱减少趋势外, 年降水量都将有一定增长. 未来夏季持续升温将引起源区冰川的进一步消融, 春季降水对于中高海拔地区水资源的贡献将减弱; 流域北部高海拔区域冬季降水的增加有助冰川累积和上游水资源的增加, 东部高海拔区域冬季降水的减少会减少上游水资源. 两时期夏季降水都有一定的增长, 洪涝的发生风险加大; 流域暖事件和强降水事件也将可能增多.     

CMIP5模式对长江和黄河流域极端气温指标的模拟与预估

为研究长江和黄河流域极端气温的变化特征,对耦合模式比较计划第5阶段22个大气环流模式数据进行精度评估、Delta降尺度并计算16个极端气温指标,采用可靠性集合平均方法对两流域历史和未来的极端气温进行预估.结果表明:除四川盆地外,两流域的观测值与REA(ensemble reliability average)值在空间上具有较好一致性;未来三个时期(2020s、2050s、2080s),典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCP)4.5情景下指标变化趋势依次递减,RCP8.5情景下变化趋势逐渐递增;RCP4.5和RCP8.5情景下指标年际变化在21世纪40年代之前是相似的,但之后变化趋势差异增加;两流域的大多数指标呈现上升趋势,冬季趋势相较于其他季节更显著;两流域之间冷极端指标的差异大于暖极端指标.总的来说,两流域的暖极端事件将更加严重.      

21世纪北半球中高纬度净初级生产力(NPP)变化及其与气候因子之间的关系

基于CMIP5模式模拟的净初级生产力(NPP), 对21世纪初期(2016-2035年), 中期(2046-2065年)和末期(2080-2099年)三种排放情景下(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)北半球中高纬度陆地NPP的时空变化进行了预估, 并结合气候因子分析了NPP的变化和气温、降水、辐射之间的关系. 结果表明: 相对于1986-2005年, 21世纪北半球中高纬度陆地NPP呈增加趋势, RCP8.5情景下NPP的增加比RCP2.6和RCP4.5情景下更为明显; 在季节变化上, 北半球中高纬度NPP也以增加为主, 且NPP在夏季, 尤其是6月增加最显著. NPP对气候变化的响应存在明显的区域差异性, 在中低排放情景下(RCP2.6、RCP4.5), 相对于1986-2005年, 21世纪北半球中高纬度地区温度显著影响的范围在逐渐缩小, 而辐射和降水显著影响的范围在扩大. 在高排放情景下(RCP8.5), 21世纪北半球中高纬度地区NPP的变化主要与温度有关.     

基于GCM模型的塔里木河流域未来降水与气温变化规律研究

为研究塔里木河流域未来降水、气温变化,提出了GCM下RCP2. 6、RCP4. 5、RCP8. 5三种情景与分布式水文模型SWAT相对接的研究方案。采用气候模式输出的降水、气温等资料作为SWAT模型输入数据,分析未来2020-2050年流域降水、气温变化规律,结果表明:在RCP2. 6情景下,各子流域降水大多表现为增加趋势,在RCP4. 5情景下降水表现出减少趋势,在RCP8. 5情景下降水趋势性不明显;在不同RCP情景下,各子流域温度均呈现明显上升趋势,且升温情况随着RCP情景对应辐射强迫的增加而增加。研究结果为流域水资源规划和管理提供了重要参考。     

气候变化下雅鲁藏布江拉孜以上流域径流过程模拟与预测

西部高寒河源区因冰川积雪冻土等特殊的地理环境,其径流过程的模拟与预测一直是水文学研究的难点和热点问题之一,全球气候变暖为这一地区的水文模拟提出了新的挑战。以雅鲁藏布江拉孜以上流域为研究区域,基于可考虑冰川积雪融水的SWAT分布式水文模型对拉孜站径流过程进行模拟,评估SWAT模型在高寒河源区的适用性。基于未来气候变化情景,统计分析了未来研究区降水、气温的变化趋势,预估了气候变化对区域径流过程的影响。结果表明:SWAT模型在拉孜以上流域径流过程模拟中具有较好的适用性,模型在率定期和验证期月尺度NS系数分别达到了0.78和0.84;未来研究区降水、气温均呈现出增加趋势,且随着排放情景的上升,气温、降水增加幅度有变大趋势;未来研究区不同时段径流量也呈现出不同的增加趋势,在2020～2049年的RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,相较于基准期径流分别增加了约11.8%、14.0%、16.5%,为下游水资源可持续开发利用带来了更大的挑战。     

东山ZK51孔第四纪地层划分与闽南沿海部分地区地层划分对比

福建沿海全新世地层 ,主要分布在沿海地区 级阶地上。裸露地表一般为晚全新世沉积、洪积、冲积、冲洪积层 ;中、早全新世地层多被晚全新世地层覆盖 ,很少裸露地表。根据东山 ZK51孔揭穿的全新世地层中鉴定的微体古生物、孢子花粉、14 C同位素年龄测试结果 ,结合宏观资料进行分析对比 ,将全新世地层划为晚、中、早全新世。晚、中全新世地层的分界经 14 C同位素年龄测试 ,距今 2 56 0± 90 a;中、早全新世地层分界经 14 C同位素年龄测试 ,距今 896 0± 2 4 0 a。这些测试结果 ,与目前国内外对全新世地层划分十分接近。进将中、早全新世地层均划分为 a、b两段。中全新世地层以小泡虫、泡抱球虫组合和喜暖的底有孔虫组合为特征 ,而且经 14 C同位素年龄测试 ,距今 4 310± 110 a,前者为 Q2 ah 、后者为 Q2 bh ;早全新世以冷水面颊虫组合和小泡虫组合为特征 ,将前者划为 Q1ah ,后者划为 Q1bh 。可与欧洲前北方期、北方期和大西洋期、亚北方期进行对比。     

江汉平原沔城M1孔的沉积特征与古环境重建

通过对江汉平原沔城M₁孔湖泊沉积物进行沉积特征、粒度、14C年代、孢粉分析,重建了晚冰期以来该地区古环境、古气候演化的过程和序列:晚冰期后期有一扩张期,气候温湿并出现湖泊相沉积;晚冰期末期气候温凉偏干、河流环境;全新世初期(10-8.9kaBP),气候转向温湿;全新世大暖期(8.9-3.5kaBP),总体上气候温暖湿润,其中6.8-4.9kaBP是最宜期,4.9-4.8kaBP和4.4-4.2kaBP为两次降温事件,4.8kaBP积水湖盆开始形成,3.9-3.5kaBP为云梦泽鼎盛期;全新世晚期(3.5-1.7kaBP),气温较大暖期有所下降,其中3.5-2.5kaBP温凉偏湿,2.5-1.7kaBP较为温湿,湖泊较为稳定,1.7kaBP开始,云梦泽萎缩,钻孔所在位置出露水面。      

基于格尔木河流域的SWAT模型水文特征情景模拟研究

以2008—2016年格尔木河流域实测径流量数据为基础,构建SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2算法进行参数率定、验证及不确定性分析,并设置不同的气候情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP6.0),预测流域2022—2050年的径流变化趋势,分析了研究区未来降水、气温的变化趋势并探究了这些气候要素对格尔木河流域径流的影响。结果表明：(1)SWAT模型在格尔木河流域径流过程的模拟中具有较好的适用性,率定期R²和E_NS分别为0.84和0.73,验证期R²和E_NS分别为0.74和0.70;(2)径流预测不确定性较小;(3)未来流域降水呈现增加趋势而气温降低;(4)未来时段流域径流增加显著,且降水是控制流域径流的主要因素。     

基于HBV模型的太子河流域径流变化情景预估

以太子河流域为研究区域,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,并选取RegCM4.4区域气候模式输出的平均气温和降水数据来驱动HBV水文模型,模拟逐日径流过程,分析RCP4.5排放情景下未来太子河流域径流的演变。结果表明,HBV水文模型在太子河流域模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均在0.60以上,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。RCP4.5情景下,2021 2070年太子河流域年平均气温呈持续升温趋势,流域降水和年径流深度呈微弱减少趋势。相较于基准期,年径流深度将增多9.79%,夏季和秋季径流深度上升明显。径流分位数的变化表明,峰值极端径流和枯水极端径流均较基准期有不同程度的增多,未来太子河流域发生极端洪涝的可能性较高。     

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。     

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。     

21 ka以来东亚夏季风区南部和北部气候变化的模拟与重建对比

古气候重建和模拟研究相结合可有效揭示气候变化的机制,但针对东亚夏季风区的相关研究还有待深入。文章基于现代观测数据及古气候记录的定量化重建结果,评估过去21 ka气候瞬变模拟(Transient Climate Evolution simulation over last 21000 years,简称TraCE-21ka)对现代东亚气候及古夏季风演变的再现能力,对比分析其异同并探索东亚夏季风区南部(SEASM)和北部(NEASM)特征时期的气候变化及可能的驱动机制。结果表明:TraCE-21ka模拟和定量化重建结果相对一致,即末次冰盛期偏干冷,全新世早中期偏暖湿,但模拟的变化幅度小于重建。相对于SEASM,NEASM变化幅度较显著。同时,SEASM的温度及降水和NEASM的温度在整个全新世期间模拟和重建的结果一致性较高,但NEASM模拟和重建的降水在晚全新世一致而早全新世不一致。相对于重建降水的南部和北部显著不同步变化,即南部降水在早全新世高而北部在中全新世高,模拟降水的南、北差异性较小,且为全新世持续减弱夏季风演变的结果。这种重建与模拟间的不同可能来源于地表过程对气候演变敏感度的区域性差异,也可能来源于粗分辨率模拟所造成的系统性气候偏移。     

季风与西风对青藏高原全新世气候变化的影响:同位素证据

青藏高原气候变化在冰期-间冰期、千年、十年际和季节尺度上受亚洲季风和西风环流的交互影响,表现出显著的区域性特征。然而全新世以来青藏高原气候变化的机制还不甚清楚,主要原因之一是缺少指示意义明确的古气候代用指标。课题组近年来利用叶蜡氢同位素(δDwax)重建了高原东北部的青海湖、中北部的令戈错、中部的达则错、西部的班公错和阿翁错不同时间尺度的大气降水同位素记录,本文对上述工作进行总结,并结合青藏高原全新世以来已发表的其他地点的同位素和古水文记录,揭示全新世以来季风与西风对青藏高原不同区域气候变化的影响。结果表明:1)早全新世青海湖、令戈错、班公错和阿翁错4个湖泊均主要受夏季风影响,夏季风可以影响到青藏高原的大部分地区,此时夏季风在青藏高原的最北界限可能位于青海湖以北、克鲁克湖以南。2)中全新世青海湖、班公错和阿翁错受夏季风影响逐渐减弱;然而令戈错在7.0~4.5 ka水汽主要来源于西风环流。3)晚全新世青海湖和班公错受季风的影响进一步减弱;西风在3.5~1.7 ka和2.0~1.0 ka分别影响到高原中部的令戈错和达则错;晚全新世阿翁错受冰川融水补给影响降水同位素异常偏负。4)本研究表明在中晚全新世季风较弱的时期,西风能够深入到青藏高原内部地区,给高原内部地区带来冷湿的水汽。     

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。     

黄旗海湖泊沉积记录的早中全新世大湖期环境的差异性

内蒙古黄旗海H6剖面揭示了最近间冰期古湖泊涨缩的一个完整旋回。基于OSL年代、粒度并结合沉积物地球化学等数据,分析了黄旗海在早、中全新世（约（11.4±1.1～6.7±0.7）ka）大湖期指标记录特点与环境意义。研究认为黄旗海全新世大湖期可分为三个阶段:1）（11.4±1.1～9.3±0.9） ka BP,半深水环境、湖水盐度低、流域存在有利于化学风化的湿润气候条件;2）（9.3±0.9～7.7±0.7） ka BP,湖水变浅、湖泊萎缩、湖泊盐度升高,流域可能存在不利于化学风化的干燥气候;3）（7.7±0.7～6.7±0.7） ka BP,大湖期结束,指标记录存在剧烈波动,揭示气候具有宽幅震荡特征。同时,研究初步认为Mn/Li比值可以作为流域化学风化的指标指示。     

大兴安岭地区新仙女木事件的表现特征

新仙女木事件是末次冰消期期间发生的一次气候转冷事件,该事件对整个北半球的中高纬度地区的气候变化有明显的影响.然而,在该事件造成东亚中高纬地区温度下降的统一认识下,对于其季节性特征仍较为缺乏认识.本文用大兴安岭中部月亮湖末次冰消期多指标记录,揭示了大兴安岭地区在新仙女木事件期间植被中的北方针叶林成分增加、森林发育、冬季温度下降、东亚冬季风明显增强.     

全新世以来巴里坤湖面积变化及气候环境记录

通过新疆北天山东段巴里坤山北麓巴里坤湖及周缘地区7个剖面的沉积相带划分、OSL测年、粒度分析、磁化率测试,研究了全新世以来巴里坤湖区湖面积变化:14 000 a B.P.末次冰盛期晚期,东天山地区冰川发育,由于水体封存于巴里坤山冰川,导致巴里坤湖萎缩至1#剖面以北。8 000～4 000 a B.P.巴里坤山冰川融化,巴里坤湖扩张进入全新世以来最大湖期,湖泊扩张至1#剖面以南,面积达到600 km2。东天山地区温暖湿润的全新世适宜期为8 000～4 000 a B.P.。其后湖泊逐渐萎缩,4 000～2 000 a B.P.湖泊面积大约470 km2。2 000～1 000 a B.P.面积萎缩至380 km2。在1 500 a B.P.左右湖泊曾经基本干涸,在目前湖心地带出现泥坪沉积。其后巴里坤湖进入小湖期,湖泊面积在100 km2范围波动,时有扩张或干涸。全新世巴里坤湖水位变化主要受北半球夏季太阳辐射变化控制,具体表现在北半球冰盖由扩张转为融化背景下,全新世早期巴里坤山冰川发育和全新世中期的巴里坤湖冰川融水的注入扩张;巴里坤地区受东亚夏季风影响甚弱,西风环流带给的水量补充有限,全新世中晚期巴里坤地区向干旱环境发展。     

全新世中国夏季降水量变化的两种模态

根据气候模拟的夏季降水量及古气候湿润度代用资料,指出全新世中国夏季降水量变化存在两种模态。模态1：降水量异常的中心为一个东北－西南向的带; 从东北、内蒙东部、经华北、河套到青藏高原为一正异常中心。模拟结果的EOF分析表明这种模态占模拟的全新世中国夏季降水量变化总方差的75.8%。全新世降水量变化的模拟主要考虑地球轨道要素,其中岁差起着重要作用。因此,这个模态可以称为岁差模。岁差模主要反映近万年全新世降水变化的趋势。模态2：降水量异常分布在中国东部(100°E以东)自北向南表现为负－正－负分布。负异常在内蒙中部到华北,正异常在黄河中游、淮河、到长江流域,江南部分地区又有负异常。这与模拟的大西洋热盐环流减弱所造成的中国夏季降水量异常分布一致。因此,这个模态可能与全新世的气候突变有关,称为气候突变模。覆盖中国的80个代用资料序列给出的9kaB.P.和4kaB.P.干湿分布,证明早全新世气候湿润,晚全新世气候干旱。这种变化趋势主要反映了岁差的影响。同时,4kaB.P.虽然干旱分布广泛,但是长江流域、关中地区到高原东部则有若干气候湿润的指示。这表明4kaB.P.同时受岁差及气候突变的影响。     

内蒙古与冲绳海槽和南中国海晚第四纪末次冰川盛冰期以来古气候记录

控制东亚气候的东亚季风夏季风北界的内蒙古盐湖沉积物记录了晚第四纪末次冰川盛冰期以来的气候冷暖干湿变化特征及各类重要的气候事件。通过对内蒙古伊克昭盟杭锦旗盐海子Ya0 1孔岩心沉积物的有机碳、碳氮比、碎屑矿物成熟度、磁化率、氧碳稳定同位素和沉积物成分的研究表明 ,全新世大暖期起止时间为 8～ 4kaB .P .,其气候特征为暖干型。这一气候特点可与中国北方黄土、冰川、冲绳海槽沉积物及南海有孔虫Pulleniatinaobliguilocalata等代用气候材料所记录的气候波动进行对比 ,也可与加拿大阿尔伯特地区及北美大平原全新世的气候演变特征进行对比。