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.     

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.     

中国石笋古气候研究的回顾与展望

石笋是洞穴次生碳酸盐的一种,是由含Ca2+和HCO3的洞穴滴水滴到洞穴地面后,水中碳酸钙在一定条件下过饱和析出,经年复一年沉积形成.石笋是古气候研究的重要地质材料之一,其优势在于空间分布广、适合UTh和U-Pb精确定年、气候代用指标丰富、记录较连续、时间跨度较大、相互对比性强和采样成本低等.以上有利因素使得洞穴石笋在全球气候变化研究领域有着不可替代的重要作用.石笋古气候研究于20世纪60～70年代在欧美等西方国家起步,中国的相关研究是在改革开放后80～90年代中期逐步发展起来的.这一时期虽然总体研究水平与国际水平有较大差距,但打下了良好的研究基础、培养了多个人才队伍.进入21世纪,以2001年发表南京葫芦洞石笋记录为起点,中国石笋古气候研究在开放合作的基础上,迎来了蓬勃发展和真正意义上的飞跃,产生了重大国际影响,在多个相关技术和研究领域迈向了国际前沿.标志性成果包括建立了目前世界最长的东亚季风(64万年)石笋记录,以及印度季风(28万年)、南美季风(25万年)、北美西风区(33万年)、中亚西风带(13.5万年)和中国西部西风带(50万年)最长的石笋记录,奠定了这些气候系统石笋古气候研究的里程碑;揭示了轨道-亚轨道尺度上亚洲季风与太阳辐射、南-北极地气候变化的关联,以及与南美季风的反相位关系,为发展轨道-亚轨道气候变化理论提供了新的内涵和证据;阐述了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合和分异关系;精细刻画了全新世亚洲季风变化历史、提供了中国和印度文明-文化演化的水文气候变化背景;建立了大量的2000年以来的高分辨率石笋记录,对理解短尺度气候变率、幅度、事件、周期及预测未来气候变化具有重要意义;改进或发展了包括U-Th测年技术在内的多项重要技术和新的水文气候学指标;为精准重建大气14C做出了重要贡献.展望未来,中国石笋界将继续发展关键技术、进一步厘清石笋指标的水文气候学意义、注重与相关学科的融合交叉、聚焦全球气候变化的前沿科学问题和重大社会需求,做出新的更大的科学贡献.     

青藏高原古里雅冰芯记录的轨道、亚轨道时间尺度的气候变化

研究了青藏高原冰芯与极地冰芯记录在轨道、亚轨道时间尺度上的气候变化特征及可能原因. 在青藏高原冰芯记录中, 轨道时间尺度上的气候变化基本超前于极地, 说明在以轨道变化驱动为起因的气候变化中, 青藏高原的变化(或反应)比极地来得更快. 太阳辐射变化是控制轨道时间尺度上的气候变化的主要因子. 但在亚轨道时间尺度上的许多气候变化, 青藏高原滞后于北极地区. 如Younger Dryas和Heinrich事件, 都是格陵兰冰芯记录的变冷早于古里雅冰芯记录. 可以认为, 这些亚轨道时间尺度上的气候变化可能受劳伦冰盖的影响. 因此, 冰盖对某些冰期气候内的亚轨道时间尺度上的气候变化具有决定性作用.     

地球自转角速度长周期变化对太阳轨道运动特征的一种响应机制

地球自转角速度的季节性和年变化的成因已达成基本共识,但更长时间尺度的周期性变化成因尚无定论,它们或归因于太阳活动、日月引潮力、地壳反弹、大气圈波动或行星摄动的影响等.直至目前,地球自转变化的规律和机制还没有完全弄清楚.研究发现:根据行星会合指数(K)标定太阳轨道运动特征的方法是可行的.通过对行星会合指数(K)的FFT检测发现太阳轨道运动周期与前人研究的地球自转日长(LOD)变化周期具有极强的相关性.太阳轨道运动在受到行星系统力矩作用的同时,致使近日行星轨道运动受到太阳引力作用的波动影响而产生扰动.受太阳巨大引力作用的牵制,导致地球轨道角动量和太阳轨道角动量的变化具有正相关关系.根据地球轨道角动量和自转角动量之和守恒,进而推断地球自转角速度的变化对太阳轨道运动特征的响应,这在思想方法上是一种突破.     

从相位差探讨更新世东亚季风的驱动机制

南海南部ODP1143站和北部ODP1144站的深海有孔虫氧碳同位素、蛋白石和孢粉记录第一次揭示了更新世轨道尺度上东亚季风演变与轨道驱动及全球冰量变化的关系. 1143站和1144站的Globigerinoides. ruber δ¹³C、蛋白石百分含量、松类花粉(Pinus)和草本花粉的百分含量均表现出很强的偏心率、斜率和岁差周期. 1143站的G. ruber δ¹³C与地球轨道参数(ETP = 正交化的偏心率+正交化的斜率-正交化的岁差)在偏心率、斜率和岁差周期上都相关, 然而大部分的相关关系都集中在岁差周期上; 其他的季风替代性指标与ETP只在岁差周期上相关. 这说明更新世热带地区的气候变化主要受地球轨道的岁差控制. 东亚季风替代性指标与有孔虫δ¹⁸O曲线的对比以及它们之间的交叉频谱分析表明, 更新世全球冰量变化对东亚季风至少是东亚冬季风产生了重大的影响, 这与印度季风的驱动机制显然不同. 东亚季风, 至少是东亚冬季风在岁差周期上的演化, 部分地受控于地表的感热对太阳辐射的响应, 也受控于南海表层海水的潜热对太阳辐射的响应.     

太阳辐射驱动气候变化的泥炭氧同位素证据

已证明太阳辐射水平变化的历史可从树轮14 C含量变化的历史来认识 .所报道的 5 0 0 0a高分辨的泥炭植物纤维素氧同位素 (δ18O)气候代用记录所指示的气候变化对太阳辐射变化的响应关系 .结果表明 ,过去 5 0 0 0a中 34次急速的气候冷暖变化 ,以及气候变化的 86 ,1 0 1 ,1 1 0 ,1 2 7,1 32 ,1 40 ,1 5 5 ,2 0 7,2 45 ,31 1 ,82 0和 1 0 5 0a等周期 ,都与太阳辐射变化和太阳辐射变化的周期有比较好的一对一的响应 .因此 ,结果为数十年至百年尺度的太阳辐射变化驱动气候变化的假说提供了新的证据     

东亚中全新世的气候模拟及其温度变化机制探讨

大量地质证据证实了东亚和北美中全新世(6 kaBP)全年和冬夏季气温高于现代.然而,国际上PMIP计划下18个模式的古气候模拟结果未能捕捉北半球大陆中低纬地区冬季升温的气候特征.这些古气候模拟的冬季降温与地质资料揭示的冬季升温存在着巨大差异,反映出仅仅在太阳辐射变化驱动下的古气候模拟存在重大缺陷. 使用含有陆面过程的全球9层大气环流谱模式(AGCM+SSiB),采用现代植被和中全新世植被预置的不同下垫面对6 kaBP气候及其植被影响进行了模拟试验.古植被强迫下的模拟结果表明,中全新世时东亚地区各季均出现升温.尤其是模拟的冬季增温与地质资料重建的气候特征接近,反映了除太阳辐射的变化外,植被的变化对东亚地区中全新世的增温有着重要作用.该模拟结果的意义在于:(1)用具有物理机制的数值化模型并采用实际下垫面边界条件,能够较好地模拟出中全新世气候特征;(2)从动力机制的角度揭示了中全新世气候与现代气候存在巨大差别的原因在于辐射变化和下垫面植被变化;(3)中全新世下垫面植被的改变引起的地表反射率变化使得东亚陆面与西太平洋表面的热力差异随季节发生变化,因而中全新世夏季风环流增强,而冬季风环流减弱,冷空气活动受到抑制,使得中国区域冬季温度增加, 形成暖冬气候特征.     

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.     

地球轨道偏心率40万年和10万年周期的行星驱动

本文在创建行星会合指数(K)运动学方程,并获得太阳绕太阳系质心绕转具有约22年周期的基础上,试从行星摄动对地球轨道偏心率(e)影响出发.分析了行星系统中对地球引力最大的地外行星-木星和引力其次的地内行星-金星的轨道拱线与地球轨道拱线的会合周期,发现木星可造成e具有40万年周期性变化,而金星可造成e具有10万年周期性变化.     

CME和太阳耀斑现象

在本文里, 我们对ＣＭＥ 和太阳耀斑现象的各种相互关系进行了讨论希望本文的内容能够引起天文、空间物理和地球物理等人员的兴趣, 促进ＣＭＥ的综合研究     

Specific features of radio emissions of coronal holes based on eclipse and noneclipse observations at a solar activity minimum

Solar coronal holes (CHs) at a minimum of the 23rd activity cycle were investigated using Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) data, ground-based observational data from the radio telescopes of the Kislovodsk Solar Station, Pulkovo Observatory (KSS PO), Russian Academy of Sciences, and radioheliograph data from the Nobeyama Observatory (Japan). The 2006–2008 period was characterized by a small number of active regions on the solar disk; nevertheless, this period is favorable for studying low-contrast objects in the radio band (CHs). We investigate the evolution of CH areas, the location of CHs on the solar disk, and the features of their radiation in the radio band. We present the results of observations of the total (March 29, 2006) and partial (August 1, 2008) solar eclipses by the RT-3 and RT-2 radio telescopes of the KSS PO. Based on the eclipse observation data, compact sources were identified on the solar disk and the contribution of CHs to the integral radio emission flux was estimated. A rare effect (increased radio emissions of high-latitude CHs at a wavelength of 4.9 cm) was revealed, which may be caused by X-ray bright points in CHs. Here, polar CHs are characterized by low levels of radio emission.     

Model results for the ionospheric E region: solar and seasonal changes

A new, empirical model for NO densities is developed, to include physically reasonable variations with local time, season, latitude and solar cycle. Model calculations making full allowance for secondary production, and ionising radiations at wavelengths down to 25 Å, then give values for the peak density N _mE that are only 6% below the empirical IRI values for summer conditions at solar minimum. At solar maximum the difference increases to 16%. Solar-cycle changes in the EUVAC radiation model seem insufficient to explain the observed changes in N _mE, with any reasonable modifications to current atmospheric constants. Hinteregger radiations give the correct change, with results that are just 2% below the IRI values throughout the solar cycle, but give too little ionisation in the E-F valley region. To match the observed solar increase in N _mE, the high-flux reference spectrum in the EUVAC model needs an overall increase of about 20% (or 33% if the change is confined to the less well defined radiations at <150 Å). Observed values of N _mE show a seasonal anomaly, at mid-latitudes, with densities about 10% higher in winter than in summer (for a constant solar zenith angle). Composition changes in the MSIS86 atmospheric model produce a summer-to-winter change in N _mE of about–2% in the northern hemisphere, and +3% in the southern hemisphere. Seasonal changes in NO produce an additional increase of about 5% in winter, near solar minimum, to give an overall seasonal anomaly of 8% in the southern hemisphere. Near solar maximum, reported NO densities suggest a much smaller seasonal change that is insufficient to produce any winter increase in N _mE. Other mechanisms, such as the effects of winds or electric fields, seem inadequate to explain the observed change in N _mE. It therefore seems possible that current satellite data may underestimate the mean seasonal variation in NO near solar maximum. A not unreasonable change in the data, to give the same 2:1 variation as at solar minimum, can produce a seasonal anomaly in NmE that accounts for 35–70% of the observed effect at all times.     

Solar Irradiance Models and Measurements: A Comparison in the 220–240?nm wavelength band

Solar irradiance models that assume solar irradiance variations to be due to changes in the solar surface magnetic flux have been successfully used to reconstruct total solar irradiance on rotational as well as cyclical and secular time scales. Modelling spectral solar irradiance is not yet as advanced, and also suffers from a lack of comparison data, in particular on solar cycle time scales. Here, we compare solar irradiance in the 220–240?nm band as modelled with SATIRE-S and measured by different instruments on the UARS and SORCE satellites. We find good agreement between the model and measurements on rotational time scales. The long-term trends, however, show significant differences. Both SORCE instruments, in particular, show a much steeper gradient over the decaying part of cycle 23 than the modelled irradiance or that measured by UARS/SUSIM.     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

Effect of photoelectric emission on blunt probe conductivity measurements in the stratosphere

Two identical planar blunt probes of stainless steel material, biased with a bipolar ramp voltage, are used to measure the stratospheric polar conductivities to altitudes of 34 km. One probe (DP) is mounted closer to the gondola, looking downwards and shielded from sunlight, while the other (SP) is mounted looking sideways, away from the gondola. The daytime observations of positive ions in the 29–34 km altitude range with SP, and of negative ions at 34 km with DP, show photoelectric contaminations induced by solar UV radiations in the 190–230 nm band. These contaminations are found to be due to photoemissions from the SP probe steel surface and from the carbon paint that coats the surface of the gondola, respectively. It is found that, a segment of the photocurrent contaminated I–V curve, recorded with SP at higher negative probe potentials, is linear, and it can give the ambient positive polar conductivity.     

Geoeffectiveness of solar flares in magnetic crochet (sfe) production: I—Dependence on their spectral nature and position on the solar disk

The influence of the spectral nature and position on the solar disk of solar flares related to the production of magnetic effects on earth (from now on, sfe) over a more than 30-year period has been studied. Regarding the spectral issue, we found that the probability of a flare to produce sfe depends on the spectral band in which we observe it, being higher when the flare is important both in Hα and X-ray emissions. On the other hand, Hα and X-ray emissions have been considered in many different divisions of the solar surface and their effectiveness on sfe production have been compared. We found that there is not any privileged region on the solar disk for sfe production. These results end with the controversy generated by distinct conclusions obtained in classical studies on the subject.     

电离层E层和F层中的日出效应

本文对德意志民主共和国Juliusruh/Rügen电离层站（54°38′N,13°23′E）,在1958年11月至1959年10月期間,日出前后一分钟測量一次的頻高图記录进行了分析。可以确认,E2层是一个純受太阳紫外輻射所控制的正常层次;該层每天开始电离时的太阳高度年变化是沒有規律的,而F层每天开始电离时的太阳高度却具有有規律的年变化。对这些統計分析結果进行理論研究,可以发現无論对F层而言,还是对E层而言,均不存在能够强烈吸收有关太阳紫外輻射的遮蔽层。决定F层每天开始电离时間的机制,是高层大气随季节不同而膨胀或收縮。在同样的太阳高度下,E1层和E2层的电子密度主要由运动項所决定,該項的大小和电离层飘移速度的东西分量有紧密的关系。此外,还估計了各个月份的E1层极大电子生成率,以及与E1层有关的太阳輻射的强度。对E2层的成因也作了一些估計。     

日食舆電離層的關係

由於地磁的日變化,有人推想大氣高層有導電空氣層之存在。1895年波波夫教授發明無線電以後,1901年無線電信號越過大西洋成功,指出此導電層存在之想法並非虛構,我們稱這導電空氣層為電離層。經過很多人的研究,其中我國學者有不少的貢獻,現在電離層的秘密漸漸的揭開了。電離層的研究有各種不同的     

Seasonal features in the response of the mesopause temperature and emission intensities to solar activity variations

The seasonal dependences of the response of the hydroxyl ((6–2) band) and molecular oxygen O₂(b ¹Σ _g ⁺ ) ((0–1) band) emission intensities, temperature, and density indicator in the region of the hydroxyl emission maximum (87 km) to solar activity have been obtained based on the spectral observations of the mesopause emissions at Zvenigorod observatory during 2000–2007. The ratio of the OH (7–3) and (9–4) band intensities, characterizing the behavior of the vibrational temperature, has been used as an indicator of density. It has been established that the response of the studied mesopause characteristics to solar activity is positive in all seasons. In winter the response is maximal in the intensities and temperature and is minimal in the density indicator. The main mechanisms by which solar activity affects the mesopause characteristics have been considered. The behavior of the internal gravity waves with periods of 0.33–7 h depending on solar activity has been studied. It has been noted that these waves become more active at a minimum of the 11-year solar cycle.