北半球50条山地冰川近期的物质平衡状况

近期北半球大多数山地冰川的物质平衡为负,冰川普遍退缩,表明北半球气候暖化的趋势.由于区域气候波动和变化的差异性以及冰川对气候变化的敏感性(响应程度)的不同,北半球山地冰川在普遍退缩的背景下具有鲜明的区域特征.     

全新世两次典型突变事件下北半球季风降水的变化对比

利用通用气候系统模式（Community Climate System Model version 3,简称CCSM3）模拟的TraCE-21ka全新世以来的试验数据,分析了全新世两次突变事件（8.2 ka B.P.和4.2 ka B.P.）前后（分别为9200~8800 a B.P.、8800~8000 a B.P.和4800~4500 a B.P.、4500~4000 a B.P.）北半球夏季（6~8月）气温和季风降水的时空变化特征,并通过对比4个单因子（地球轨道参数、温室气体浓度、大陆冰盖和淡水注入）敏感性试验结果来分析北半球季风降水变化的成因。结果表明：1）两次典型突变事件前后欧亚大陆中高纬大范围的地表气温均明显下降,但是8.2 ka B.P.事件的降温程度大于4.2 ka B.P.事件,此外,在8.2 ka B.P.事件下北美中部有明显的增温,而在4.2 ka B.P.事件下该地区为降温;2）两次典型突变事件前后的北半球季风降水变化的空间分布类似,主要表现为北美季风区、北非季风区西部和印度季风降水一致减少,而东亚季风降水呈现"南涝北旱"的分布型;3）两次典型突变事件前后环流场变化的空间型相似,但是4.2 ka B.P.事件的环流强度变化明显弱于8.2 ka B.P.事件;4）8.2 ka B.P.事件下北半球季风降水变化主要是淡水注入所导致,而4.2 ka B.P.事件主要由于地球轨道参数和气候系统内部变率的共同影响。     

古新世-始新世暖期北半球野火演化研究

古近纪是现代气候和植被形成的关键过渡期, 而野火活动与气候、植被和碳循环等存在耦合关系。开展古新世-始新世(66~34 Ma)3个特征暖期, 即古新世-始新世极热事件(PETM, 约55.9 Ma)、早始新世气候适宜期(EECO, 53.3~49.1 Ma)、中始新世气候适宜期(MECO, 约40.5~40.1 Ma)的野火活动研究, 对于揭示气候和植被变化特征及其影响具有重要意义。本研究基于蒙古高原南部二连盆地古新世-始新世野火记录, 并结合北半球该时段其他12个地点的野火研究数据, 从长尺度地质记录视角, 重建北半球野火活动特征与演变, 并探讨其驱动机制。研究结果显示古新世-始新世不同特征暖期野火发生规模和强度存在差异, PETM极端暖期较EECO和MECO暖期野火强度更大, 但不十分显著。古新世-始新世暖期并没有持续的、大规模的野火发生, 呈现"低野火状态", 总体不支持强调燃烧活动影响全球碳循环的"野火假说"。通过野火发生与温度、降水、植被以及CO2浓度等环境因子之间的关系分析, 对"古近纪低火谜题"进行初探, 认为古新世-始新世气候的季节性并不分明, 较短的干季不利于可燃"燃料"和潜在火源的形成, 很可能是新生代早期"低野火"的主因。     

基于AVHRR影像的北半球积雪识别算法

针对2000年前北半球较高时空分辨率和高精度的历史积雪范围数据缺失问题,利用NOAA-AVHRR地表反射率数据,以Landsat-5 TM生成的积雪范围影像作为参考真值,优化基于多指标的多级决策树积雪识别算法的阈值,并结合云雪混淆区分技术,生成了北半球AVHRR 1981—1999年L1级逐日积雪范围数据集。此外,针对AVHRR在高纬度地区数据完全缺失和低纬度地区数据部分缺失问题,利用微波雪深数据集进行填充,生成了北半球L2级逐日积雪范围数据集。最后,利用北半球1981—1999年间2 546个气象台站记录的雪深数据和939景Landsat-5 TM参考积雪范围影像作为验证数据,对AVHRR积雪范围数据集进行了精度验证。结果表明：L1级和L2级数据集的总体精度分别为81.8%和82.2%,用户精度分别为83.7%和83.8%,生产者精度分别为81.7%和84.2%,说明算法精度较高,错分误差和漏分误差均比较均衡。进一步利用Landsat-5 TM参考积雪范围影像对L2级数据集进行面上精度评估,发现L2级数据集的总体精度为90.3%,用户精度为90.2%,生产者精度为99.1%,L2级数据集精度较高。生成的北半球历史数据集可为全球积雪变化研究提供有效数据补充。     

过去千年北半球中高纬夏季温度多年代际变化的归因分析

在过去千年背景下评估自然和人为因素对北半球温度的影响程度,有助于辨识不同特征时期（如：中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期）北半球温度的演变机制,对预测未来气候变化有重要参考意义。文章基于多元回归模型尝试量化了过去千年（870~1992年）自然因素（火山活动、太阳活动、地球轨道参数变化）、人为因素（温室气体浓度、大气气溶胶浓度、土地利用变化）、内部变率（北大西洋和北太平洋海表温度在多年代际上的内部变率部分,分别简称为AMO和PMO）对北半球中高纬度地区（30°~70°N）夏季温度的贡献。结果表明：在多年代际（>30年）时间尺度上,这些因子可以解释约73%的北半球夏季温度变化方差。在中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly,简称MCA;900~1100年）,AMO和PMO等内部变率可能对北半球温度变化起了重要作用;在小冰期（Little Ice Age,简称LIA;1450~1850年）,火山活动是北半球夏季温度最重要的驱动因素;1851年以来,人类活动的贡献最大,接近50%,其对这一时期温度增暖的变化起了主导作用,而同期AMO贡献近三分之一的北半球温度多年代际变率。

     

北半球大冰期(约2.73 Ma)前后北太平洋风尘沉积突变

距今约2.73 Ma,北半球高纬地区冰盖急剧发展,北半球大冰期来临,成为最引人注目的事件。北半球大冰期成因已有诸多解释,其中之一是大陆干旱化加剧,输入到大洋的粉尘增多引起海洋铁肥效应增强和生物量增多,吸收了更多大气CO2,使得地球变冷和冰盖增加。作为全球第二大粉尘释放中心,亚洲内陆干旱区释放的粉尘是北太平洋沉积物中主要陆源组分之一。开展北半球大冰期前后西北太平洋沉积物记录的亚洲粉尘研究,有助于深入认识风尘铁肥效应对北半球大冰期形成的可能贡献。文章依据大洋钻探计划（Ocean Drilling Program,简称ODP）198航次西北太平洋1208钻孔（共钻取沉积物392.3 m;本研究深度121.3 m至130.1 m,时间段为2.62 Ma至2.85 Ma）北半球大冰期前后的高分辨率（约2500年）样品,提取了沉积物中的"风尘组分",计算了风尘通量,研究了风尘通量变化和海洋生产力之间的关联。研究结果显示,约2.73 Ma以来,1208钻孔风尘通量快速增加,已发表的该孔的海洋生产力也表现出快速增加,海水表面温度也快速降低,说明粉尘对海洋的铁肥效应可能是触发北半球大冰期形成的重要因素。文章还测试了"风尘组分"的Nd和Sr同位素,研究了粉尘物源变动。结果显示,塔克拉玛干沙漠是北半球大冰期前后1208钻孔粉尘的主要物源,其中2.73 Ma至2.85 Ma期间Nd和Sr同位素波动较大,推测与火山灰含量较多和戈壁粉尘沉积有关,位置偏北的西风可能是部分戈壁粉尘长距离运输至北太平洋的主要营力。2.73 Ma以来,北极冰盖大量发育,西风位置南移,主要运输塔克拉玛干沙漠粉尘至北太平洋,使得Nd和Sr同位素波动较小,但其中2.72 Ma至2.70 Ma期间出现的Nd同位素偏正、Sr同位素变小很可能是火山灰的突然大量沉积造成的。     

过去2000年3个典型暖期北半球季风降水的模拟研究

理解北半球季风降水在暖期的变化特点及其对外强迫的响应对现代社会经济发展至关重要。文章基于通用地球系统模式（CESM）过去2000年气候模拟试验结果和气候同化资料（LMR）,探究罗马暖期、中世纪气候异常期和现代暖期北半球季风降水的特征及其成因机制。结果表明：在这3个典型暖期中,北半球季风降水都呈现增加的趋势,其降水异常场的空间分布是相似的,但是3个暖期的季风降水强度截然不同,罗马暖期和中世纪气候异常期降水强度相似,而现代暖期季风降水强度明显强于前两个暖期,其降水异常值约为前两个暖期的1.2倍。3个暖期的降水增多均由热力作用主导,其中罗马暖期和中世纪气候异常期主要受到太阳辐射增强而引起的热力作用增强的影响,火山活动微弱导致的动力作用增强也有一定的贡献;而在现代暖期,太阳辐射和火山活动对于热力、动力的贡献与前两个暖期相似,但是温室气体增多引起热力、动力作用显著增强,从而导致现代暖期总的热力、动力作用都明显高于前两个暖期。

     

我国东北及邻近地区年平均气温异常及其对北半球气候变暖和欧亚雪盖面积的响应

根据我国东北及邻近地区201个常规气象台站的年平均气温资料,利用EOF和分段线性拟合等方法分析了该地区气温异常的年代际特征及其对北半球气温和欧亚雪盖面积的响应.结果表明:我国东北及邻近地区年平均气温异常主要有全区一致型和南北反向型两种.近50 a来气温总体呈单调上升趋势,尤其是1990年代后期增温趋势更加明显,时间上东部早于西部.结合降水,1980年代起东北北部由冷干向暖湿转变,而华北区则由暖湿向暖干转变.东北北部升温单调、剧烈、显著,南部在1968和1985年曾两次发生突变,经历过1970-1980年代初的低温后增温趋势更加剧烈,其增温率几乎是第一次突变前的两倍.分析认为,我国东北及邻近地区大范围整体变暖与北半球平均气温的升高相一致;东北部气温的年际变化还受到欧亚雪盖面积的影响.     

1980年以来冰冻圈对气候变暖响应的若干证据

进入８０ 年代，气候较前１０－２０年显示出明显的变暖趋势。冰冻圈对此迅速作出了反应：出岳冰川物质平衡８０年代较６０－７０年代平均减少近１７３ｍｍ，相当于冰川敏感值升高约０．３８℃；对气候变化反应敏感的小冰川退缩比例增加了１５－２０％；冰土层中温度亦显示出强劲增势，冰土隔深、冻土界退的变化已有所表现。     

全新世北半球典型冷事件的模拟研究

全新世冷事件期间的气候格局及其成因是过去气候变化研究的热点问题。利用基于通用气候系统模式开展的TraCE-21ka气候模拟试验资料,在定义和提取典型冷事件的基础上,分析了全强迫试验模拟的全新世北半球多次冷事件的规模及冷事件发生时温度与降水的空间特征,并结合全强迫试验中使用的4个外强迫序列（淡水注入、轨道强迫、大气温室气体、大陆冰盖）及其对应的单因子敏感性试验,初步探讨了部分典型冷事件的成因。结果表明：TraCE-21ka模拟的冷事件年份与重建/集成序列的冷事件年份对应较好,模式较好地模拟出了全新世北半球的冷事件;全新世期间,北半球共发生了10次典型冷事件（9.7 ka B. P.、8.3 ka B. P.、7.3 ka B. P.、6.2 ka B. P.、5.2 ka B. P.、4.2 ka B. P.、3.4 ka B. P.、2.1 ka B. P.、1.0 ka B. P.和0.2 ka B. P.）;每次冷事件发生时,北半球大范围降温和变干,温度变化呈现明显的纬度地带性差异,中高纬地区降温最显著,低纬10°N附近降水减少最显著;在8.3 ka B. P.、7.3 ka B. P.、6.2 ka B. P.、5.2 ka B. P.、4.2 ka B. P.、3.4 ka B. P.、2.1 ka B. P.和1.0 ka B. P.共8次冷事件中,北半球温度和降水的空间变化较为相似,北大西洋经圈翻转流（Atlantic Meridional Overturning Circulation,简称AMOC）变弱导致了冷事件,格陵兰岛南部的北大西洋海域降温和变干尤为显著;9.7 ka B. P.和3.4 ka B. P.的冷事件可能与轨道强迫有关,淡水注入造成了8.3 ka B. P.和7.3 ka B. P.的冷事件,0.2 ka B. P.冷事件可能与大气温室气体波动有关。地球系统内部变率对于冷事件的发生可能也有一定影响。

     

山西芦芽山地区树木年轮记录的1676 AD以来5～7月温度变化

在山西芦芽山地区采取了符合国际树轮库要求的油松样本,通过交叉定年和应用区域生长模型,建立长度为328 a的标准宽度年表.根据RCS序列所揭示的气候低频变化特征,确定1676 AD以来夏季温度可划分为两个时段:1676—1865 AD和1866—2003 AD.在1676—1865 AD时期,夏季温度变化主要表现为“冷强暖弱”,其中1710—1720s为最冷时段.1866—2003 AD时期,夏季温度呈现出“总体持续变暖,冷暖交替频繁”的变化特征.     

全新世冲绳海槽北部表层海水温度和初级生产力对黑潮变迁的响应

在冲绳海槽北部B-3GC孔高分辨率地层年代框架的基础上,利用多种分子生物标志物和生源组分指标,重建了该地区全新世以来表层海水温度和生产力的变化历史.研究发现,U37K-表层海水温度和生产力的变化指示了全新世黑潮及对马暖流分支的变迁.10.6～7.3 ka BP期间,冲绳海槽北部主要受东海陆架冷水团影响,陆源物质输入量增加,初级生产力比较高,表层海水温度较低.7.3～4.6 ka BP期间,黑潮暖流对该区的影响迅速增强,表层海水快速增温,陆源物质输入减少,但是各种生产力指标显示出上升趋势,与该区上升流的出现和迅速发育有关.4.6～2.7 ka BP期间,即全新世普林虫低值事件(PME)期间,表层海水温度明显降低了0.8～1.4℃,陆源物质输入增加,初级生产力和各种生源组分的含量也达到较高水平,说明此时黑潮强度减弱,或者黑潮主流轴向太平洋方向发生偏移,该区再次受到陆架冲淡水的影响.2.7 ka BP以来,虽然黑潮暖流再次影响到该海区,但初级生产力和生源物质输出量继续大幅增高,可能与该地区上升流的持续发育有关.     

过去2000年温度集成重建研究:进展与展望

过去2000年气候变化研究是全球气候变化研究的核心内容,不仅可以提供20世纪气候增暖的自然背景,也是最终揭示20世纪气候变暖机理并预估未来气候变化趋势的关键途径,是国际大型计划（如PAGES,过去全球变化研究计划）的优先研究时段。近20多年来,特别是近几年,随着代用资料的不断积累和气候重建方法的改进和发展,过去2000年大尺度气候重建研究取得了长足发展,在区域和北半球气候集成重建方法,年际、年代、百年乃至千年时间尺度上的气候时空变化特征和机制,及最近几十年气候增暖的历史地位等方面的研究均取得了重要科学认识,形成了现代气候增暖机理和未来气候趋势预估的科学基础。本文主要从方法学、研究历史回顾和现阶段形成的科学认识等3个方面论述过去2000年气候变化研究取得的成就,并对未来的研究方向进行了展望。

     

过去2000年典型暖期北半球温度变化特征及成因分析

过去2000年包含了罗马暖期（Roman Warm Period,简称RWP）、中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly,简称MCA）和现代暖期（Present Warm Period,简称PWP）这3个典型暖期,前人对罗马暖期的关注相对较少。为了更好地对比自然暖期和叠加了人类活动的暖期的温度变化特征及成因,文章利用通用地球系统模式（Community Earth System Model,简称CESM）的过去2000年气候模拟试验资料,在与重建资料和同化资料（Last Millennium Reanalysis,简称LMR）进行对比验证的基础上,对这3个典型暖期北半球的温度变化特征和成因机制进行了初步探讨。结果表明：CESM的全强迫试验能很好地模拟出重建资料与LMR所反映的两个自然暖期（RWP和MCA）以及PWP,PWP相较于RWP和MCA北半球增温幅度明显更大。通过对比单因子敏感性试验结果发现,RWP时期主要受土地覆盖变化的影响,同时太阳活动、火山活动强迫对地表增温有一定调节作用;而MCA时期的火山活动频率相比RWP时期更小,且太阳活动稳定,此时土地覆盖的调节作用相比RWP时期减弱;PWP时期在温室气体强迫驱动下,地表温度增加显著,其贡献远超过火山活动、太阳活动两个外强迫因子,此时土地利用/覆盖强迫对增温显示出负向影响,同时北极涛动增强,进一步加剧PWP时期的增温。

     

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日-2005年12月31日土壤温度、含水量资料, 分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征. 结果表明: D105点40 cm深度以上土壤温度日变化明显, 随着深度增加, 土壤温度日变化相位明显滞后. 各层土壤温度月最高值出现在8-9月, 月最低值都出现在1-2月; 年际气候的差异至少可以反映到185 cm深处的土壤. 土壤冻结和消融都是由表层开始, 土壤随深度增加冻结快, 消融则慢. 冻结期间, 土壤温度分布上部低, 下部高; 消融期间, 则分布相反. 60 cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动, 表明60 cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁. 土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响; 土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配. 因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.     

陕北侏罗纪煤田地下水保护对策与开采利用方案 研究

矿山开采活动中地下水与生态环境保护是需要综合利用多学科思想与理论解决的难题,仅从采矿工程学角度难以解决根本问题。文中从生态水文地质学的角度,针对陕北采煤安全必须疏排水和陕北能源基地建设亟须水资源支撑的现状,提出了通过充分地利用煤田地下水满足强劲用水需求来保护水资源的对策,并从矿区水文地质结构、地下水循环条件出发,根据矿区植被生态风险区划、采煤影响地下水区划,提出了建立保护矿山水资源的采煤秩序、不同阶段地下水保护与开发利用区划以及矿山掘进过程中保护性开采地下水的水源地布局规划原则与建设方案。     

末次间冰期南半球西风急流变化的模拟研究

研究末次间冰期气候变化有助于加深理解变暖情景下气候的变化规律及其对轨道参数变化的响应特征。本研究利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果, 分析了南半球副热带西风急流(200 hPa)与副极地西风急流(850 hPa)在末次间冰期的变化特征及机制。多模式集合平均结果表明, 末次间冰期夏季南半球副热带西风急流相较于工业革命前位置偏北(+2.5°), 强度偏弱(-5.3%); 南半球副极地西风急流也存在类似的变化特征(+1.1°/-7.4%)。在冬季, 末次间冰期南半球副热带西风急流相较于工业革命前南移增强(-0.8°/+5.6%), 而南半球副极地西风急流北移增强(+0.8°/+4.2%), 并且不同洋盆上空的急流具有不同的变化特征。副热带急流与副极地西风急流位置与强度的变化分别与对流层中高层与低层的斜压稳定性的变化相联系。此外, 热带非绝热加热与中纬度Rossby波传播的共同作用造成了南印度洋西侧与东侧、高层与低层西风急流反向变化的结果, 这种反向变化得到了降水重建的支持。

     

陕北能源化工基地潜水易污性评价

随着陕北能源化工基地的建设和发展,地下水污染问题日益突出。为了预防基地地下水的污染,保护水资源,依据陕北能源化工基地地下水勘查、地下水污染调查、野外包气带原位污水垂直入渗、水平运移试验等基础资料,选取潜水位埋深（D）、降雨入渗补给量（R）、含水层岩性（A）、土壤类型（S）、地形坡度（T）、包气带介质（I）和含水层渗透系数（C）7个指标,运用DRASTIC指标叠加法,建立了陕北能源化工基地潜水易污性评价指标体系,对陕北能源化工基地潜水进行了易污性评。依据评价结果,将研究区潜水区划分为易污性高、中、低3个区,并针对3个区提出了相应的防污建议。     

ENSO对青藏铁路沿线气温和地温的影响及其预测

研究了天文因素对近500 a来厄尔尼诺事件的影响, 分析了近50 a来ENSO事件与青藏铁路沿线气温地温的关系. 结果表明: 年平均气温和年平均最高气温, 春季平均最高气温、夏季平均最低气温和秋季平均最低气温, 在El Nio年偏低; 而在La Nia年则偏高. 0 cm年平均最低地温、秋季平均最低地温和冬季平均最低地温, 在El Nio年偏低; 而在La Nia年则偏高. ENSO事件对从5 cm及其以下的地温没有明显影响. 厄尔尼诺事件有准60 a和准19 a周期, 其可能是对天体运动的响应.