青海都兰地区公元850年以来树轮记录的降水变化及其与北半球气温的联系

经过精确定年, 建立了青海都兰地区三个地点的祁连圆柏的树轮宽度年表, 重建了青藏高原东北部公元850年以来上年7月至当年6月年降雨量变化. 重建序列的方差解释量: 1385~2000A.D.为54.7%; 1099~1384 A.D.为50.5%; 850~1098 A.D.为45.7%. 整个千年降水序列呈现明显的3峰2谷的“W”型变化. 其中1571~1879 A.D.长达309年中, 降水偏少, 但是1880~2000 A.D.期间降水稳步上升. 20世纪是青藏高原东北部千年以来降水最高的世纪, 而1962~2000年的降水量是千年中最多的时期, 降水变率也是千年中最大的时期. 重建序列还揭示出在降水偏多的时候, 年际间降水变率大; 相反, 在降水偏少的时候, 年际间降水变率小, 在20世纪的明显增温时段, 降水显著偏高, 降水变率加大, 旱涝变化更加频繁. 本地区树轮宽度年际间的高频变化响应当地降水变化, 而在40年滑动平均后, 十年至百年尺度的低频信号在反映降水低频变化的同时, 也响应大范围气温变化, 它与7条北半球气温曲线变化十分一致, 在不同的时段上都显著相关, 如1852~1982 A.D.之间, 与大部分温度曲线的相关系数在0.9左右. 总体上, 都兰地区温度与降水同步变化, 温度低, 降水量少; 温度高, 降水多. 反映了在百年至千年尺度上都兰地区暖湿和冷干的气候组合模式. 40年滑动后的距平序列可以认为是青藏高原东北部地区分辨率为年的千年温度曲线.     

祁连山中部过去近千年温度变化的树轮记录

对采自祁连山中部的树木年轮样品交叉定年后, 建立了树轮宽度标准指数序列. 通过树轮标准年表与附近气象站观测数据的相关分析表明, 在森林上限, 树木生长主要受温度变化的影响, 年轮宽指数序列中主要包含温度变化的气候信息, 对树轮生长影响最大的气候因子为前一年12月~当年4月平均温度. 祁连圆柏轮宽标准指数序列反映的温度变化很好地表现了小冰期降温特征及20世纪的全球气温持续变暖趋势. 与祁连山敦德冰芯δ¹⁸O所反映温度变化比较说明, 冰芯和树轮所记录的温度变化趋势基本一致. 轮宽序列表现出的冷暖特征与北半球温度变化存在较好的一致性, 表明祁连山地区气候变化不仅受区域条件的影响, 而且对全球气候变化作出了响应.     

公元1840年以来东亚夏季风降水变化—— 以中国和韩国的树轮记录为例

根据中国和韩国3条树木年轮降水记录, 本文分析了过去160 a以来东亚夏季风降水的变迁历史. 统计分析表明, 年际间中国和韩国季风降水不存在线性相关, 而在10 a尺度上则表现出同步变化的趋势. 1860~1890, 1910~1925, 1940~1960年是3个降水量较多的时段; 1890~1910, 1925~1940, 1960~1998年, 则是3个降水量较少的时段. 3条降水重建序列均揭示1920年代中期东亚夏季风降水快速由多转少. 同时树木年轮季风降水重建序列也被基于中国历史文献记载所划分的旱涝指数和韩国雨量记录所证实.     

青海湖流域圆柏年轮指示的近千年降水变化

根据采自青海湖流域天峻地区树木年轮样本,建立了该地1061a树木年轮年表序列.通过响应函数计算得出,该年表对青海湖区前一年年降水量反映敏感,由其重建了该地的年降水量序列,并应用交叉检验方法对校准方程进行了检验,证明重建方程稳定,重建的年降水变化比较可靠,具有一定的代表性.在10a时间尺度上年降水经历了11个偏多和偏少时段,其中6(7)个显著的偏少(多)时段分别是1001-1060、1131-1320、1411-1510、1691-1740、1811-1850年和1911-1940年(961-1000、1061-1110、1321-1410、1511-1650、1741-1790、1881-1910年和1941-2000年).平均约53a发生一次突变,13-14世纪是年降水的多变时期,12、17和20世纪是年降水的相对稳定时段.     

中国日极端降水和趋势

利用中国2000多站50年以上的日降水资料,提取各站6个极端降水指数,即历年最大值(top-1)、历年10个最大值(top-10)累积量、历年总降水量、历年夏季top-1、历年夏季top-10累积量、历年夏季总降水量,分别形成各站各极端降水指数时间序列.统计了历年全国及6个子区域整个研究资料时段内出现top-1和top-10值的总站次,分别形成历年全国及6个子区域极端降水总站次时间序列.各极端降水指数时间序列的趋势分析表明,中国各站top-1和top-10累积量时间序列趋势分布存在较为一致的3个明显趋势区域,即中国东南正趋势区、西北正趋势区和华北负趋势区,但各时间序列的趋势分布区域特征和趋势幅度增减程度不尽相同;正负趋势明显地区的大多数站点趋势增(减)幅度比(趋势幅度与平均值的比值)达10~30%,部分站点达30%以上.top-1和top-10降水全国年总站次时间序列表明了一致的线性增加趋势,平均每十年分别增加2.4站和15站,但年际差别较大;极端降水年总站次表现为三段极端降水多发期,分别出现在20世纪60年代初、90年代中后期和21世纪初,6个区域极端降水年总站次趋势特征与全国年总站次不尽相同,极端降水全国年总站次出现较多的年份在区域上表现不一样.与降水有关的环流形势要素的时间序列趋势分析表明,华北及上游蒙古高原地区呈现明显的位势高度增加趋势,而低层从中国南部沿海地区到华北地区呈现一条南风风速减弱的趋势带和华北地区水汽含量减少的趋势区,这些趋势特征有利于华北地区极端降水的减少.经验回归水平分析表明,50年一遇重现水平从南部沿海的400~600mm减少到西北地区的50mm以下,相比20年一遇重现水平提升率平均达6.8%,但比降水最大值可小一倍以上.     

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.     

近千年气候格局的环流背景:ENSO态的不确定性分析与再重建

全球增温在最近10余年是否停滞这个问题,引起了包括IPCC的广大气候研究科学共同体的关注.一些作者将停滞归因于气候系统内部变动即海气环流的重组,由此对近千年气候变化的环流背景重建提出了更高要求.然而,综观对近千年海洋-大气环流变化的分析及其与区域气候格局关系的结论,各家众说纷纭,以致矛盾重重,给区域乃至全球气候变化认识带来很大的不确定性.另一方面,近10年来高精度U-Th定年的石笋氧同位素比值(δ~(18)O)序列为中晚更新世古气候研究提供了较为精确的年代框架,其间中国作者无一例外将中国石笋δ~(18)O作夏季风指标解释,这种解释反映在气候学家的应用和模型中就成了降水要素.但事实是,所有这些记录在低频趋势变化上具有很大的共同性,而多数序列不能被器测降水记录所校准,这样就更增加了中国区域乃至全球气候研究架构的不确定性.因此,尽早厘清矛盾的由来,并降低研究中的不确定性,是当今气候科学必须做的一件事情.本文在分析证明中国季风区石笋δ~(18)O意义的基础上,尝试提出一个新的环流代用指标:集成中国石笋δ~(18)O序列重建近千年热带太平洋纬向海温梯度即大尺度ENSO态,进而推测现代与中世纪虽然同为暖期,却出现了不同的环流重组,这个推论可以得到更长的末次盛冰期以来记录的支持.换言之,中国石笋δ~(18)O低频趋势大区域一致的归因分析表明,ENSO态从不同时间尺度(从年际到百年以至更长尺度)控制了中国季风区气候变化,而其中重要的环流桥梁是西太副高,即西太副高本身除了年际、年代际变化以外,还具有更长时间尺度的环流模态.比如,我们可以讨论西太副高在整个全新世即半个岁差的变化.这些讨论也许不仅仅对于古气候,而且对于现代气候研究也不无意义.     

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.     

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.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

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.     

全球变暖加强了ENSO和亚洲-澳州夏季风之间的关联

亚澳季风与ENSO之间的动态关联及其机制是全球变化研究的难点,而过去气候重建为解决该难题提供了一种可行的途径. Xu等重建了1588～2013年亚洲和澳洲夏季风降水变化,发现亚-澳夏季风之间及ENSO-季风之间的关联自1850年以来均持续增强,认为全球变暖导致的ENSO变率增加是其影响因素.     

黄河中下游地区过去300年降水变化

基于清代雨雪档案记载、现代器测气象记录及农田土壤含水量观测资料, 根据降水入渗与水量平衡模型和田间试验验证, 定量复原了1736~1910年黄河中下游地区17个站点的降水量, 建立了黄河中下游地区及其4个子区1736年以来的降水变化序列. 通过对重建序列的分析发现: 黄河中下游地区在1915年前后存在降水由多变少的突变. 其中1791~1805年、1816~1830年及1886～1895年等3个时段降水明显偏多; 而1916~1945年及1981~2000年等2个时段降水则明显偏少. 另外, 功率谱分析显示黄河中下游地区降水变化存在22~25年、3.9年及2.7年等3个显著周期. 但在1915年的突变之后, 22~25年的周期信号开始减弱, 至20世纪40年代后期, 这一周期信号完全消失, 代之出现了35~40年的周期.     

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。     

长江流域降水径流的年代际变化分析

应用1951-2001年长江流域年、季降水量资料、1885-2001年梅雨量资料以及一百多年以来长江重要控制站宜昌、汉口、大通年径流量资料,对长江流域降水径流的年代际变化、气候转折以及降水径流的变化趋势进行了分析研究.反映出长江流域夏季降水将有更加集中的趋势,即降水时间更集中、强度趋向于更大,对防洪不利.据趋势预测,宜昌、汉口径流量有减少的趋势,大通径流量有增加的趋势.     

冰封的气候年鉴:从水稳定同位素到冰芯古气候——1995年Crafoord奖获得者Willi Dansgaard教授成就解读

Willi Dansgaard教授是丹麦古气候学家,1995年Crafoord奖获得者.他在水稳定同位素和冰芯古气候方面的杰出成就,是他留给地球科学界的珍贵科学遗产.他发现了降水稳定同位素比率变化的温度效应和降水量效应,提出了过量氘概念并指出了其环境指示意义;他提出了利用冰芯重建古气候变化的科学思想,发现了末次冰期内千年尺度的气候突变事件(D-O事件),使人们对过去气候变化有了革命性的认识.本文在着重介绍Willi Dansgaard教授这些科学成就的同时,试图从他的科学生涯中追踪他相关科学思想的形成过程和科学践行活动,以期使我们地学工作者能从中得到启发和感悟.     

1979～2004年中国大陆南方地区春季降水的年代际变化特征及其与欧亚大陆积雪的联系

本文研究了中国南方春季降水在1979～2004年期间的年代际变化特征,结果表明无论在年际还是在年代际时间尺度上,中国南方东南和西南地区降水都具有反相变化的特征,并分别呈现出显著的减少趋势和增加趋势.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现了一次明显的年代际气候转型.东南地区的春季降水明显减少,降水量在80年代末以后比80年代末之前减少了30%;而西南地区的春季降水则明显增加,80年代末之后的降水量是80年代末之前的两倍.伴随着这次年代际转型,欧亚大陆西伯利亚上空对流层中低层位势高度增强,对流层低层中国东部北风增强,造成中国东部西南风减弱,使得降水在东南地区减少,西南地区增多.中国南方春季降水在20世纪80年代末出现的年代际气候转型与欧亚大陆春季积雪的年代际转型有密切联系.从20世纪80年代末开始欧亚大陆春季积雪明显减少,与欧亚大陆春季积雪变化所伴随的大气环流变化,是造成春季我国东南地区降水减少和西南地区降水增多的一个重要原因.     

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.     

中国西部湖泊水量对未来气候变化的响应--蒙特卡罗概率法在气候模拟输出的应用

基于CGCM2对未来100年气候的9个模拟试验,对中国半干旱地区青海湖、岱海和呼伦湖及其流域,运用蒙特卡罗分析法模拟湖泊水量对气候变化的响应以及相应的概率.结果表明,从2020s,2050s和2080s三个时期温度增加的发生频率高于75%的分布看,温度将稳定增加2-5℃.未来的年平均温度增幅将超过了过去50年的观测记录,与过去一万年期间高温期的变化幅度相当.三个时期75%以上发生频率的温度和降水变化将会分别引起青海湖流域为-5%至 10%,呼伦湖流域为-7%至 5%,岱海流域为 2%至 12%的降水变化.虽然未来年降水总量的变幅没有超过过去50年器测记录变幅,更不及全新世的降水变化量,但湖泊水量对气候变化的反映变率较变幅要大.模拟的气候变化在75%概率的情况下,未来3个湖泊水量将有累计30%-45%的变化,变幅在±10%之间.快速的湖泊水量变化不能不引起对不远未来的水资源状况的重视和警备.     

新疆天山北坡气候变化的生态响应研究

通过近40年天山北坡气候、水文、现代冰川、湖泊观测数据和近10年卫星遥感数据, 利用遥感和GIS技术, 从地表覆被生态系统和景观尺度, 提出了一套基于遥感的干旱区生态自然变化信息提取的研究方法, 分析了近40年天山北坡气候的变化趋势和与之相应的生态响应关系. 结果表明: (1) 近40年天山北坡气候变化的总体趋势是气温和降水增加, 特别是20世纪90年代以来的近10年气温、降水与径流量增加幅度较大; (2) 近10年天山北坡各地理分区植被综合指数显著提高, 提高幅度较大的是人工绿洲区和前山带, 其变化趋势有利于植被生态的改善; (3) 干旱区植被生态对气候变化的响应非常敏感, 由于近10年天山北坡气候的变化, 其植被覆盖度和生物量持续增加, 平原区增幅明显大于山区, 后期增幅明显大于前期.