冷暖-丰歉-饥荒-农民起义:基于粮食安全的历史气候变化影响在中国社会系统中的传递

从气候变化对个体粮食安全的影响链出发,论文选取中国过去2000年(210BC~1910 AD,对应西汉至清朝)30年分辨率的温度距平,以及10年分辨率的粮食丰歉等级、饥荒指数和农民起义频次等重建序列,统计分析冷暖变化的影响在生产子系统、人口子系统和社会子系统中传递的差异.结果显示:(1)30年时间单元的冷暖变化与粮食丰歉呈显著正相关(相关系数0.338,P0.01)、与饥荒呈显著负相关(相关系数-0.301,P0.05),与农民起义呈显著负相关(-0.277,P0.05),而饥荒轻重与粮食丰歉、农民起义频次之间的统计相关性很低.(2)30年暖单元中多出现粮食丰收或常年的年代(86.5%),对应着中度和轻度饥荒年代较多(76%),发生农民起义的年代数占33.3%;30年冷单元中多粮食歉收和常年的年代(70.7%),对应着中度和重度饥荒的年代较多(77.6%),同时有51.7%的年代发生了农民起义.(3)23条主要的可能影响传递路径中有13条以"冷"为起点(其中7条传递到农民起义),10条以"暖"为起点(只有3条传递到农民起义),其中具有气候意义的影响传递路径包括:冷→歉收→重度饥荒→多起义、冷→歉收→中度饥荒→多起义,暖→丰收→轻度饥荒→无起义、暖→丰收→中度饥荒→无起义、暖→常年→轻度饥荒→无起义、暖→常年→中度饥荒→无起义等.(4)冷暖变化影响的传递是一个错综复杂的过程,其中饥荒是受人类社会调节空间最大的环节,随着社会层次的提升,冷暖变化的影响由直接变为间接、且逐级衰减;冷时段中(100%)有10.4%的年代出现多起农民起义,可能与气候变化影响有关;暖时段中(100%)有47.9%的年代无农民起义出现,可能与气候变化影响有关.     

雁荡山湖泊沉积物记录的中国东部季风区小冰期以来气候干湿变化

中国东部季风区过去千年降水变化特征已有大量研究并取得重要进展,但多数研究集中在中国北方和中部地区,南方地区重建记录相对较少.本文对浙江雁荡山雁湖沉积物的总有机碳、色度和粒度等多指标进行分析,重点探讨小冰期以来研究区域的降水变化,结果显示:1)1400-1600 AD,湖区集水发育,研究区气候偏湿润;2)1600-1650 AD,降水量减少,气候偏干旱;3)1650-1750 AD,气候偏湿润;4)1750-2000 AD,研究区气候处于干旱状态,其中1500-1650 AD期间的干湿变化与历史文献记录的雁湖水位有良好的对应关系.在年代误差范围内,雁湖沉积物与浙江天目山泥炭、福建仙山泥炭以及湖光岩玛珥湖沉积物等记录的干湿变化同步,指示了小冰期期间中国东南地区气候波动的一致性.另外,中国东部南、北地区古气候记录反映的降水变化趋势相反,表明在百年时间尺度上,中国东部南北地区降水存在着"南涝北旱"和"北涝南旱"的空间特征.通过与太平洋年代际振荡(PDO)的对比,显示PDO对中国东部地区小冰期期间出现的南-北"偶极型"空间降水特征可能具有重要影响.     

新疆博斯腾湖记录的亚洲内陆干旱区小冰期湿润气候研究

利用中国内陆干旱区最大淡水湖泊博斯腾湖中心的钻孔岩芯, 在¹³⁷Cs, ²¹⁰Pb和AMS ¹⁴C测年基础上, 对湖泊岩芯孢粉组合、碳酸盐含量和粒度等多指标进行了分析. 结果发现, 近1000年来, 内陆干旱区气候变化经历了3个主要阶段, 1000~1500 AD干旱、1500~1900 AD湿润和1900 AD以来的再次变干, 近千年来在几百年尺度上的气候变化组合以暖干和冷湿为主. 在公元1500~1900年的小冰期期间, 多种代用指标均出现显著变化, 孢粉蒿藜比显著增大, 碳酸盐含量明显降低, 而粒度明显偏粗, 说明博斯腾湖流域降水增加, 气候比今湿润, 这与近百年来全球变暖条件下内陆干旱区出现的暖干气候形成显著对照. 亚洲内陆冰芯、湖泊、河流、树轮、沙漠等记录均记录了西风环流显著影响区较为湿润的小冰期气候, 出现明显的冷湿气候组合, 博斯腾湖岩芯记录的湿润小冰期气候具有代表性. 西风环流影响区湿润小冰期气候可能是全球性普遍降温导致有效湿度增加和因北大西洋涛动负异常而导致的西风影响区降水增加两个因素共同作用的结果.     

1644年以来西太平洋暖池海温重建

利用西太平洋地区8个珊瑚代用资料序列重建了1644年以来3～7月平均西太平洋暖池区平均海表温度（SST）．统计分析表明高通滤波后的高频重建和原始值重建结果都有较高的可靠性．近360年来暖池SST存在明显长期趋势变化：1644～1825 AD有显著上升趋势（＋0．04℃／100a）,1826-1885AD呈显著下降（-0．24℃／100a）,1886～2006 AD有强烈上升趋势（＋0．28℃／100a）,其中20世纪50年代以来的增温达N＋0．67℃／100a,是过去360多年中最强的．暖池SST突出的周期包括年际尺度的～2．1,～2．3,～2．9,～3．6,～3．8a周期以及80．7a的低频周期．暖池SST与我国黄淮流域夏季降水变化有显著的相关性,重建时段（1880～1949 AD）SST与区域平均夏季降水量相关系数达到-0．44,与观测时段（1950～2005 AD）二者的相关（-0．46）接近．这种关系在近360年来的旱涝等级中也是显著的,1644～1949 AD区域平均旱涝等级与重建SST相关系数为-0．20,在年代际尺度上二者关系更为明显,低通滤波后的相关系数为-0．42．这说明近360多年来当暖池SST偏高（低）时,黄淮流域降水易偏少（多）．长时间序列的暖池SST重建结果,对分析历史时期我国东部旱涝气候变化机制提供了有用的信息．     

2650年东亚-北印度洋热力差异与东亚夏季风变化

利用观测资料研究发现,东亚-北印度洋对流层热力差异指数（East Asian-North Indian Ocean index,IEANI）与东亚夏季风及相应的中国东部季风降水都具有密切的关系.当IEANI偏高（低）时,东亚中纬度夏季风偏强（弱）,华北地区降水偏多（少）,江南地区降水偏少（多）.为了研究东亚夏季风的长期变化特征,我们利用北京和澳大利亚塔斯曼尼亚地区的重建气温回归了BC665～AD1985年的IEANI.研究发现,在过去2000多年里,重建的IEANI总体上能够指示世纪尺度上的东亚夏季风变化和中国东部降水异常.重建的IEANI与中国东部降水的关系与现代气候所表现出来的关系非常相似,表明这种相关特征也出现在过去2000多年来的世纪尺度上.对于IEANI在更长时间尺度（数百至千年）上的变化特征及其与降水的关系,尚需利用更多类型的代用资料进一步验证.     

青海湖流域近六百年来的气候变化与湖水位下降原因

根据青海湖流域及其邻近地区树木年轮资料重建的历史时期气候资料序列,给出了流域近六百年来的主要冷、暖、干、湿期,并对器测时期的气候变化趋势作了分析。指出,近百年来气候暖干化是造成湖水位下降的主要原因;对于湖水位年际变化与前期降水影响系统、不同气候类型以及地面气象要素的关系作了统计分析。     

济州岛西南泥质区近2300 a来环境敏感粒度组分记录的东亚冬季风变化

对位于东海陆架济州岛西南泥质区的B2孔进行了沉积物粒度分析, 从中提取出了对沉积环境变化敏感的粒度组分. 研究表明该敏感组分的粒级含量和平均粒径变化主要受东亚冬季风的强弱变化制约. 根据以上粒度指标与AMS14C测年相结合建立了近2300 a东亚冬季风高分辨率的时间变化序列. 结果表明近2300 a东亚冬季风变化和中国东部气候变化序列有较好的一致性, 可以划分为四个阶段: 1900 aBP (50 AD)以前和1450 ~ 780 aBP (500 ~ 1170 AD)这两个阶段东亚冬季风相对较弱, 与气候变化的暖期相对应; 1900 ~ 1450 aBP (50 ~ 500 AD)和 780 ~ 219 aBP (1170 ~ 1731 AD)两个阶段为东亚冬季风强盛期, 与气候变化的冷期对应, 后者为近2300 a以来最寒冷的气候阶段, 对应于小冰期. 其中各阶段内部东亚冬季风有明显的次级波动. 在1900 aBP (50 AD)和780 aBP (1130 AD)前后有两次明显的阶段性的气候由暖转冷突变事件, 后者可能与全球尺度大气环流的改变有关.     

末次冰盛期中国气候要素定量重建

古气候定量化是古全球变化研究的核心目标之一.重建末次冰盛期时段((18±2)ka14C)气候变化特征,对理解冰期-间冰期地球气候演化规律具有重要的意义.以往古气候要素定量重建,主要基于现代气候条件下孢粉-气候的统计学方法,因难以有效区分过去气候季节性变化和大气CO2浓度降低对植物生长的影响,导致重建结果可能存在不确定性.本研究基于植物生理过程、新一代古气候定量重建的植被反演方法,考虑上述环境因子对植物生长的影响,利用新完善的中国第四纪孢粉数据库,重建了古气候的空间格局.结果表明,在末次冰盛期,大气CO2浓度降低对中国古气候要素重建结果影响不显著;全国年均温比现在低约(5.6±0.8)℃,最冷月温度和最热月温度分别降低约(11.0±1.6)℃和(2.6±0.9)℃,且中国南方降温幅度达到约(5.5±0.5)℃,接近平均值的水平,年均温变化主要归因于冬季温度的降低;全国年降水量比现在低约(46.3±17.8)mm,其中北方降水减少约(51.2±21.4)mm,年降水变化主要源于夏季降水的减少.与古气候模拟结果的对比揭示,虽然现有模式能较好模拟年均气候模态,但是在季节性变化上与重建结果还有较大的差距,指示未来在提高古气候重建精度的同时需进一步加强古气候模式的季节性气候模拟能力.     

用树轮α-纤维素δ13C重建天目山地区 近160年气候

对采自天目山的柳杉树轮进行交叉定年后,测得树轮的δ13C年序列.经谱分析,树轮的δ13C变化有与厄尔尼诺事件基本一致的准4.4年的周期.将δ13C年序列去除大气CO2的影响,利用其附近气象站资料,分析δ13C对气候要素的响应.结果表明天目山地区的树轮δ13C的高频振荡与季节的气温、降水等要素有显著相关,并有滞后效应,此外还与东亚季风的强弱变化有一定关系.通过建立回归方程重建浙江北部地区的气候序列,分析了这一地区一百多年来的气候变化状况及演化趋势.     

中亚东部晚全新世水文气候变化及可能成因

中亚东部水文气候变化对中纬大气环流非常敏感.为了查明该地区水文气候的长期变化及其与大气环流的关系,文章利用位于中天山深水湖泊——赛里木湖钻孔岩芯,在137Cs、210Pb和AMS14C定年基础上,对湖泊岩芯有机碳、有机氮、碳/氮比、碳酸盐含量和粒度等多指标进行了分析,重建了晚全新世以来该地区水文气候变化历史.结果显示,晚全新世以来共发生了4次降水显著增加时期(4000~3780、3590~3210、2800~2160和890~280cal a BP)和1次降水微弱增加时期(1700~1370cal a BP),这与中亚东部地区已有的降水/湿度记录相吻合,表明晚全新世以来该地区具有相似的水文气候变化模式.太阳活动减弱以及整个环北大西洋地区大气环流南移,特别是中纬西风主要路径的南移,可能是中亚东部地区晚全新世水文气候变化的最主要原因.此外,赛里木湖研究结果还揭示了该地区最近100年降水显著增加,但中亚地区未来水文气候如何变化仍需更多不同载体的深入研究.     

青藏高原湖泊纹层孢粉记录的过去2000年雨季时长和雨季降水时空变化

青藏高原雨季时长及雨季降水量的长尺度定量重建,是揭示高原西风、季风时空演变规律及其生态环境效应的关键,其中准确判断高原雨季的起止时间是研究难点.本文通过寻找降水拐点的方法确定了高原不同地点的雨季起、止时间,并计算了雨季时长和雨季降水量,建立了表土孢粉组合与雨季起止时间、雨季时长和雨季降水量的转换函数,重建了具有年纹层沉积特征的高原北部库赛湖区和中部江错湖区过去2000年来的雨季起止时间、雨季时长和雨季降水量变化.结果表明,过去2000以来,库赛湖区雨季降水序列记录了5次高降水时段:AD580～680、AD1000～1100、AD1200～1450、AD1550～1780、AD1920至今,其普遍对应雨季天数长的时段;江错湖区雨季降水序列记录了4次高降水时段:AD80～500、AD800～950、AD1250～1450、AD1780至今,其与雨季天数长的时段在AD1000以前对应良好,在AD1000后关系不明确.在空间上,高原雨季降水呈现出“南北同湿”、“南北同旱”、“南湿北旱”和“南旱北湿”四种模式,其中“南北同湿”可能与异常强盛的夏季风有关,“南北同旱”与弱西风和弱季风有关,“南湿北...     

青藏高原湖泊表层沉积物GDGTs分布特征及其影响因素

过去温度变化的定量记录对于深入探讨气候变化机制非常重要,不仅有助于检验并改善气候模式模拟的准确性,也可以为全球变化背景下的气候变化幅度提供参考.青藏高原由于其特殊的地理位置影响着大气环流格局,研究青藏高原气候变化有助于理解高原对全球气候变化的响应及其与全球气候系统之间的关系.生物标志化合物代用指标在气候变化研究中的应用为定量重建高原过去温度变化提供了可能.湖泊沉积物中甘油二烷基甘油四醚类化合物(GDGTs)来源相对复杂,其分布特征受多种气候与环境因素影响.本文对青藏高原27个湖泊表层沉积物及部分湖泊流域表土样品GDGTs进行分析,探讨湖泊表层沉积物中GDGTs分布特征的影响因素,并建立其与气候要素的定量关系.结果显示:(1)绝大多数湖泊表层沉积物GDGTs以b GDGTs为主,crenarchaeol和GDGT-0含量较低;(2)高原多数湖泊表层沉积物与表土GDGTs分布没有显著差异,表明i GDGTs可能同时来源于湖泊环境和陆源输入;(3)湖泊表层沉积物i GDGTs分布主要受湖水水化学要素(p H和盐度)及近地表大气年均温的影响,对于青藏高原小型湖泊,TEX86可能反映湖水p H的变化;(4)湖泊表层沉积物b GDGTs分布主要受气候要素(温度和降水)控制;(5)利用已发表的转换方程重建高原同一地区温度差异明显,因此利用GDGTs定量重建青藏高原过去气候前必须开展GDGTs的现代过程调查.本研究基于湖泊表层沉积物b GDGTs分布,分别利用代用指标(MBT,CBT)及不同b GDGTs化合物组分丰度(fabun)与湖泊所在地的年均气温(MAAT)建立了适用于青藏高原湖泊古气候研究的转换方程,为高原古气候定量重建提供研究基础.     

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.     

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.     

气候变化对长江流域汉江和赣江径流的影响

近几年来,国家气候中心己经建立了中国主要四大流域气候对水资源影响评估的模式框架.本文拟进一步证明其中之一的两参数分布式月水量平衡水文模式对长江之上汉江和赣江两子流域径流的模拟能力,结果表明该水文模式对目前气候条件下径流模拟效果较好,运行稳定,可用于实时业务运行.在此基础上,利用ECHAM4和HadCM2两GCM(General Circulation Model)未来气候情景模拟结果及目前实测气候情况,对汉江和赣江两子流域的径流对未来气候变化的敏感性进行评估.经检验,两GCM对未来气候,特别是降水情景模拟存在一定差异,因此,造成径流对气候变化的响应不同,这充分反映了全球模式模拟结果不确定性在气候变化影响研究中的重要性.     

不同时间尺度青海湖沉积物总有机碳对气候变化的敏感性

湖泊沉积物总有机碳（TOC）含量通常作为表征流域和湖泊生产力的指标,在亚洲季风区也常常被当作夏季风的代用指标,被广泛应用于气候与环境变化研究.本文梳理了过去千年、全新世以及冰期-间冰期时间尺度上青海湖沉积物TOC的变化特征,并探讨了其指示气候变化的敏感性与有效性.结果表明,过去千年青海湖沉积物TOC含量与区域暖季温度和降水表现出较为一致的周期性波动.通过对比全新世区域夏季温度、基于孢粉的降水定量重建结果,以及湖泊水位、风沙活动反映的湿度状况等,发现不能简单地将青海湖沉积物TOC含量或沉积通量作为夏季风强度或者季风降水强度的代用指标.青海湖沉积物TOC含量在冰期和间冰期表现出巨大的差异,指示了冰期-间冰期时间尺度上较大的温度与降水变幅.因此,不同地域条件及不同时间尺度下,湖泊沉积物TOC对气候变化的敏感性不同,将湖泊沉积物TOC含量作为亚洲夏季风的代用指标需要特别谨慎,特别是在高寒气候区.     

全新世初期气候的数值模拟研究

本文尝试用一个完全耦合的大气-海洋-植被模式(Atmosphere-Ocean-Vegetation General Circulation Model, AOVGCM)模拟全新世初期的地球气候.模拟结果表明，耦合模式成功地再现了全新世初期复杂气候条件下的基本特征，为研究这一时期的气候状况提供了重要的模型支持.就全球平均而言，11ka BP冬季地表气温比现代约低1.6 K,夏季比现代低约0.3 K；大气温度从低层到高层有不同的表现，高层反映了太阳辐射的重要作用，而低层气候对下垫面（如冰川、植被和海洋等）的影响比较敏感.从区域分布来看，11 ka BP冬季大部地区比现在偏干，但热带太平洋和南半球少部地区降水偏多；夏季大部地区比现在偏湿，亚洲和非洲季风偏强，主要的季风区降水偏多.     

树轮记录的青海德令哈地区千年降水变化

通过在青海柴达木盆地东北缘宗务隆山和沙利克山建立的7条大复本量的祁连圆柏年轮宽度序列和树木径向生长对气候要素变化的响应分析, 重建了德令哈地区过去千年以来上1年7月至当年6月的年降水量变化历史. 结果表明, 该区祁连圆柏轮宽序列有较明显高的年际间变化和较强的公共信号, 是很好的气候代用资料; 祁连圆柏的生长主要受水分的限制; 利用7条轮宽序列所提取的第一主成分重建上一年7月~当年6月年降水量, 的重建方程其的方差解释量高达63.1%, 且方程稳定; 在重建的过去千年年降水量变化中, 多降水期主要为1520~1633年和1933~2001年, 而少雨期主要为1429~1519年和1634~1741年. 此外, 在1430年以前年降水量的变化幅度较小, 在15 mm左右, 但在1430~1850年间变化幅度增大至30 mm左右, 1850年之后变化幅度有所下降, 并且高值的振幅大于低值的振幅. 20世纪90年代以来, 与温度进一步升高的趋势相反, 降水有下降趋势. 近几百年内与敦德冰川累积量和微粒含量的较好一致性说明, 本文所重建的降水量变化是比较可靠的, 并在区域上有一定的代表性. 本文所重建的过去一千年来年降水量的变化对了解世纪尺度的气候变化规律, 为气候模式的验证和预报21世纪气候变化的趋势预测提供了基础数据.     

古气候数据同化:缘起、进展与展望

对过去气候变化的准确重建,有助于理解过去气候变化机制、认清现在气候变化形式和预估未来气候变化情景.古气候数据同化是2000年才出现的一种过去气候重建方法,是目前古气候重建领域的一个重要研究方向,它植根于大气、海洋和陆面数据同化的理论框架内,将气候模式和代用资料有效融合,优势互补,以期得到既符合气候变化物理学规律和动力学机制、又包含代用资料记录的气候变化信息的重建结果,在古气候重建领域已经崭露头角.结合国外古气候数据同化研究历程与现状,介绍了古气候数据同化的背景、概念、理论基础,概括了其特点和发展脉络,分析了目前应用较为活跃的三种古气候数据同化方法(松弛逼近法、粒子滤波、集合平方根滤波)及其部分研究案例,并对古气候数据同化目前所存在的一些关键问题进行了阐述.最后对古气候数据同化在未来可能需要重点关注的研究方向作出了展望.     

18～19世纪之交华北平原的气候变化与粮价异常

历史时期的粮价波动是气候变化对经济系统影响的突出表现之一,也是调节粮食安全及社会稳定的重要环节.基于从"清代粮价资料库"与《清代道光至宣统间粮价表》中提取的1736～1850年保定府小麦价格数据,分析了18～19世纪之交华北平原气候转折与粮价变化的对应关系,结果表明:(1)粮价阶段性变化与气候转折存在显著对应关系.在1781～1820年的气候转折阶段,平均粮价升高,去趋势粮价变率和异常脉冲幅度显著增加.(2)极端高粮价年与干旱事件的对应关系存在显著的阶段性. 1781～1810年的5次极端高粮价年与干旱事件存在明显对应关系, 1811～1820年的多次极端干旱事件是粮价异常脉冲的直接原因.(3)气候变化通过影响社会稳定性在1811～1820年粮价巨幅异常脉冲中起到了重要作用, 1813年爆发的天理教起义加剧了粮价异常脉冲,显示除"降水-粮食产量-粮价波动"的路径之外,气候变化还可能通过"降水-粮食产量-粮价波动-饥荒-动乱-粮价波动"的路径对粮价产生更重大的影响.以上认识有助于深化对历史时期气候变化与人类社会相互作用机制和过程的认识.