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.     

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.     

过去两万年南北半球季风降水反位相变化特征研究

大量古记录表明了近两万年来同一半球内区域季风降水同步变化,而在千年尺度上南北半球间季风降水存在显著的反位相变化关系,但是驱动这一反位相关系的外强迫因子和物理机制尚不完全明确。文章利用基于通用气候系统模式开展的TraCE-21 ka试验资料,发现全强迫试验能够重现与古记录一致的南北半球间季风降水反位相变化关系。并通过分析单一外强迫敏感性试验结果,明确北半球淡水注入强迫是导致千年尺度上南北半球间季风降水反位相变化的主要强迫因子。进一步研究发现,近两万年来冰盖消融带来的北半球淡水注入增强能减弱大西洋经向翻转环流,导致由南半球向北半球热量输送的减少,造成的南北半球间热力差异能够减弱由南半球向北半球的水汽输送,以及通过减弱北半球Hadley环流和向南移动热带辐合带减少北半球季风降水而增加南半球季风降水;当北半球淡水注入减弱时,变化相反。因此,淡水注入量的变化调节了过去两万年来大西洋经向翻转环流的强度和南北半球热力结构,显著影响了千年尺度上南北半球间季风降水的反位相变化关系。     

近千年东亚夏季风演变*

在分析东亚地区夏季海平面气压场与中国东部6区域干湿指数关系的基础上,重建了公元960—2000年近千年东亚地区夏季海平面气压场的格点资料,并对重建效果进行了检验。同时,依据重建的海平面气压场资料定义了近千年东亚夏季风强度指数,探讨了近千年东亚夏季风的变化特征。结果表明：（1）重建的近千年东亚地区的海平面气压场具有一定的可信度,它为研究更长时间尺度的东亚夏季风变化特征提供了基础;（2）东亚夏季风指数存在60～70 a、30～40 a、10～20 a的显著周期变化;（3）近千年东亚夏季风的强度指数主要经历过9次明显的趋势突变。其中,13世纪30年代东亚夏季风的强度指数经历了最显著的振动。     

中国过去300年土地利用变化及其气候效应

以两种植被数据为基础,分别利用区域和全球气候模式对过去300年土地利用和地表覆盖变化的气候效应进行了模拟研究。结果表明,耕地面积不断扩大所造成的自然植被破坏可能对区域性气候产生显著影响。通过对不同时期植被特征下地面温度、降水和低层大气环流的比较分析发现,中国东部地区耕地取代自然植被后,全年平均温度有所降低,且存在明显季节差异。植被退化地区的夏季温度有明显升高而冬季温度则显著降低; 同时夏季降水和850hPa风场发生显著变化： 夏季降水明显减少,而这一结果与低层(850hPa)大气环流的反气旋性增强相联系,即植被退化使中国东部夏季风环流减弱,这与目前观测事实是一致的。土地利用引起的地表覆盖的变化可能是东亚季风减弱的原因之一。     

黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演变

黔西高原的长时间序列孢粉记录比较少,限制了对该地区末次冰期晚期古植被及西南季风演化过程和机制的认识。本研究通过对黔西高原一个连续的古湖泊沉积物孢粉记录的分析,并结合AMS14C测年,重建黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演化。结果表明:轨道尺度上,MIS3 (氧同位素3阶段)中晚期,黔西高原主要为木本、草本植物,喜湿的针叶树种较多,西南季风较强。MIS2 (氧同位素2阶段)期间,喜湿的针叶树种减少,而草本、蕨类植物增多,指示气候冷干,西南季风减弱。千年尺度上,黔西高原西南季风响应于北大西洋冰漂碎屑事件及H3 (Heninrich 3)、H2 (Heninrich 2)和LGM (Last Glacial Maximum)事件,导致西南季风减弱,喜湿的针叶树种减少。通过对比发现,东亚夏季风和西南季风在轨道及千年尺度上协同演化,二者均响应于北半球高纬度太阳辐射变化及北大西洋冰漂碎屑事件。在19～18 cal ka BP,黔西高原经历最冷干气候,西南季风减弱,木本、草本植物近乎消失,而同期东亚夏季风增强,说明西南季风和东亚夏季风在冰后期上存在反相位关系。     

黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演变*

黔西高原的长时间序列孢粉记录比较少,限制了对该地区末次冰期晚期古植被及西南季风演化过程和机制的认识。本研究通过对黔西高原一个连续的古湖泊沉积物孢粉记录的分析,并结合AMS¹⁴C测年,重建黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演化。结果表明: 轨道尺度上,MIS3(氧同位素3阶段)中晚期,黔西高原主要为木本、草本植物,喜湿的针叶树种较多,西南季风较强。MIS2(氧同位素2阶段)期间,喜湿的针叶树种减少,而草本、蕨类植物增多,指示气候冷干,西南季风减弱。千年尺度上,黔西高原西南季风响应于北大西洋冰漂碎屑事件及H3(Heninrich 3)、H2(Heninrich 2)和LGM(Last Glacial Maximum)事件,导致西南季风减弱,喜湿的针叶树种减少。通过对比发现,东亚夏季风和西南季风在轨道及千年尺度上协同演化,二者均响应于北半球高纬度太阳辐射变化及北大西洋冰漂碎屑事件。在19~18 cal ka BP,黔西高原经历最冷干气候,西南季风减弱,木本、草本植物近乎消失,而同期东亚夏季风增强,说明西南季风和东亚夏季风在冰后期上存在反相位关系。     

东亚夏季风石笋记录中缺失格陵兰间冰段25?

东亚季风是全球气候系统的重要组成部分[1~6]。了解北大西洋地区温度变化和东亚夏季风之间的关系对了解东亚季风的控制机制具有重要意义。葫芦洞和董哥洞石笋δ18O记录显示距今75~10ka北大西洋地区千年尺度温度变化对东亚夏季风变化具有重要影响:较强的东亚夏季风与北大西洋地区较高气温对应,反之亦然[7,8]。但是,在此之前东亚夏季风变化与北大西洋地区温度变化之间是否具有类似的联系?到目前为止对这一问题尚没有明确的探讨。根据最近分别在意大利北部[9]和中国中部获得的石笋δ18O记录,笔者发现,北大西洋地区冰芯记录的间冰段(Greenland…     

青藏高原地面辐射对中国东部夏季降水影响的数值试验

利用CAM5模式设计敏感性试验,研究了中国东部夏季降水对青藏高原地面辐射异常变化的响应和可能的物理机制。试验结果表明：当高原北部、中部等区域夏季地面辐射减小,中国东部夏季降水整体上增多,但南部、东部沿海区域降水异常减少。青藏高原地面辐射的变化,对青藏高压、西太平洋副热带高压和季风等天气系统具有一定影响,进而影响中国东部地区的夏季降水。当青藏高原地面辐射减小,青藏高压中心位置偏西,强度减弱;东亚季风和南亚季风强度增大,中国东部大部分地区850 hPa风场强度增强;西太平洋副热带高压位置偏东,强度减弱,中国南部、东部沿海区域夏季降水受其影响而减少,但华中、华北、东北等地夏季降水整体上增多。故中国东部夏季降水异常变化与青藏高原地面辐射之间具有显著的相关关系。     

6kaB.P.东亚区域气候模拟及其变化机制探讨

中全新世是地质历史上最近的温暖时期。文章利用包含较详细陆面过程的区域气候模式,通过分别加入现代植被和根据花粉化石资料转化的东亚地区古植被,模拟了6kaB.P.东亚季风气候,并研究了植被变化对东亚气候的影响。由区域气候模拟得到的较高分辨率的气候演变图像表明6kaB.P.太阳辐射季节循环增大,高纬度地区积雪、海冰减少,极地海洋升温,导致冬季大陆冷高压减弱,使中国冬季温度降低幅度大大减小。模拟中加入恢复的古植被造成地表反照率减小,使得冬季进一步升温,这不但突破了PMIP众多模拟的东亚6kaB.P.冬季降温的局限,而且使模拟温度变化的季节特征与古地质资料更为吻合。中全新世东亚大陆全年升温导致东亚夏季风强盛、冬季风减弱;降水及有效降水增加,降水带向西、向北扩张。与PMIP模拟相比,由于模式分辨率的提高,该工作模拟出了中国东部区域性降水增加的特征并得到了较为精细的气候变化空间分布。     

环流效应： 中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的气候意义——古气候记录与现代气候研究的一次对话

根据最近的研究结果,中国季风区同一洞穴或同一区域的晚全新世石笋氧同位素序列具有较好的重复性,表明中国季风区的石笋氧同位素短尺度(10～100年尺度,后同)变率所具有的信号强于噪音。通过进一步比较分析发现,一些石笋氧同位素记录虽然来自距离上千公里之遥的不同区域,但它们的波动形式在年代际至世纪尺度极其相似,说明它们是一致的大区域信号,但多数石笋氧同位素序列未能校准到本区器测的降水或温度记录上。通过与中国气候学家建立的各类季风指数比较,发现这些具有一致大区信号的中国石笋氧同位素序列与海平面气压差指数或海陆温差指数关系最好。再通过与印度洋－太平洋海域海平面气压差、以及许多海、气环流观测记录对比,发现中国季风区石笋氧同位素序列记录了20世纪后期最强的一次全球海、气环流年代际均值突变,由此初步确认了中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的环流意义： 当印度洋海水和中东太平洋海水温度偏低时,西太平洋副热带高压偏北东缩而弱,中国季风区内来自印度洋的水汽份额增大,由于这些水汽的输送路程很远,导致中国季风区的雨水氧同位素及石笋氧同位素较轻; 而当印度洋海水和中东太平洋海水温度偏高时,西太平洋副热带高压偏南西伸而强,中国季风区内来自印度洋的远源水汽份额减少,而来自西太平洋的水汽份额增大,由于后者输送路程较近,导致中国季风区的雨水氧同位素及石笋氧同位素较重。由此命名瑞利分馏原理所决定、反映印度洋/太平洋海、气环流转变且大区域一致的中国季风区石笋氧同位素10～100年尺度变化为“环流效应”。     

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。     

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.     

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。     

过去2000年东亚夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基本同相变化,降水存在准100年、准150年和准200年周期。2降水标准化EOF第一模态为由北向南"负—正—负—正"的条带状空间分布,而EOF第二模态基本为全区一致的分布型态。3东亚夏季风降水准100年周期主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的共同影响;准150年周期主要受太阳辐射的影响;准200年周期主要受太阳辐射和火山活动的影响。东亚夏季风降水在温带地区主要受温室气体和土地利用/覆盖的影响;在副热带地区主要受太阳辐射和火山活动的影响;在热带地区主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的影响。     

Correlation between the oxygen isotope record from Dasuopu ice core and the Asian Southwest Monsoon during the last millennium

Long high-resolution proxy records are valuable for understanding Asian Southwest Monsoon (ASM) dynamics on decadal to centennial timescales. A millennium long δ¹⁸O ice core record from the central Himalayas provides an opportunity to study the ASM variability on decadal to centennial timescales. The Dasuopu ice core δ¹⁸O record indicates that a relatively warm period corresponding with the Medieval Warm Period lasted from AD 1140s to 1390s, a notable warming trend is apparent from 1800s to 1990s, and several cool periods occurred between AD 1010–1130s, 1290–1330s, 1400–1460s, 1520s, 1590–1630s, 1740s, and 1770–1790s. Comparisons with other high-resolution monsoon proxy records from the Arabian Sea, south Oman, and southern China reveal a high correspondence between temperature changes in the central Himalayas and the ASM variability during the last 1000 years. A pronounced warming trend since AD 1670 coincides with an abrupt transition from a weak to a strong intensity of the ASM. The thermal conditions in the Himalayas and on the Tibetan Plateau and associated glacial boundary conditions may have been predominantly responsible for variations of the ASM intensity and for a latitudinal movement in the mean position of the ITCZ on decadal to centennial timescales.     

Spatial variations of monsoonal rain in eastern China: Instrumental, historic and speleothem records

We select four caves and their nearby cities in the monsoonal region of China for studying the relationships among precipitation, temperature, summer monsoon intensity and stalagmite δ¹⁸O. The instrumental, historic and stalagmite δ¹⁸O records from these areas show strong spatial disparities on annual to decadal scales, so that climatic conditions in a single location cannot represent these of the entire eastern China. On time scales <500 years, stronger summer monsoon may lead to higher rainfall in some locations but not over eastern China. Correlation between the summer monsoon strength and precipitation is not only location-dependent but also changes with time. One may not use the paleoclimatic pattern of cold–dry and warm–wet on glacial/interglacial ages throughout all time scales for climatic conditions in the monsoonal region. On centennial to millennial scales, stalagmite δ¹⁸O variation trend from eastern China resemble solar irradiance with lighter δ¹⁸O corresponding to increased solar irradiance, and vice versa. The similar trends may reflect climatic feedbacks link to solar forcing to cause changes in the summer monsoon intensity and/or in monsoonal circulation. Changes in monsoonal circulation and intensity affect (1) summer rainfall intensity, (2) summer/winter precipitation ratio, or (3) ratio of moisture from Indian/Pacific oceans, or a combination of the three. Thus, a speleothem δ¹⁸O record may not be proper to be used as a proxy of paleo-precipitation amount, especially on short time scales. Based on the four stalagmite δ¹⁸O records during the last 2000 years, EASM strength decreased from AD 200 to AD 500, and from AD 1300 to AD 1600 (the 1st half of the Little Ice Age), whereas EASM strength increased from AD 1600 to AD 1900 (the 2nd half of the Little Ice Age). The EASM strength has weakened since early 1900’s.     

神农架全新世东亚季风演化及其热带辐合带控制*

文章基于湖北神农架山宝洞3支石笋的13个²³⁰Th年龄和505个氧同位素数据,建立了全新世8.45~0.46kaB.P.东亚季风降水序列,其长期演化趋势与33°N夏季太阳辐射能量变化曲线基本一致。神农架山宝洞与阿曼Qunf洞和贵州董哥洞的石笋高分辨率δ¹⁸ O记录整体相关(r 分别为0.75和0.94), 说明全新世东亚季风、印度季风系统的演化主要受控于同一驱动机制,即北半球夏季太阳辐射控制下赤道热带辐合带逐渐南移,导致亚洲季风降水持续减弱。功率谱分析表明:5ka以来山宝洞石笋记录具有显著的550a周期旋回,与树轮Δ¹⁴ C和北大西洋温盐环流周期基本一致。