千百年尺度气候快速变化及其数值模拟研究进展

千百年尺度全球气候快速变化是古气候研究中的一个重要内容。研究发现，末次冰期和全新世都存在着千年、百年尺度的快速气候变化，其变化幅度可以达到典型的地质变化或天文因子所造成的冰期/间冰期的气候振荡幅度，同时这些古气候事件具有全球性。对冰期和全新世气候变化的数值模拟揭示了气候系统对地球轨道参数变化的响应以及海洋、植被、冰盖、温室气体等反馈因子的重要性,其中大洋温盐环流对北大西洋淡水注入的敏感性与末次冰期和全新世气候快速变化密切相联。利用中等复杂程度的气候模式（EMIC）CLIMBER 2模拟了末次冰期典型时段（60~20 ka BP）D/O和Heinrich事件以及东亚气候的响应过程。模拟研究揭示了全新世青藏高原冰雪环境对亚洲—非洲季风气候的显著影响。今后的古气候模拟研究将在改进模式分辨率、结合古气候代用资料确定更加符合历史时期边界条件以进一步改善气候模式的基础上,更加注重气候突变机制的研究以及加强全球变化背景下的区域气候的长期变化研究。     

快速气候变化与高分辨率的深海沉积记录

通过高分辨率海洋古气候序列研究快速气候变化的机制是大洋钻探ODP及相关的国际海洋古全球变化研究IMAGES的重要贡献。研究发现,千年、百年尺度的古气候事件具有全球性,不仅见于冰芯和北大西洋高纬区,也发生在热带太平洋等其它海区和地球的其它部分;不仅见于末次冰期,也发生在全新世和早、中更新世。尽管这些快速气候变化的原因和机理尚无定论,但至少说明存在有别于冰期／间冰期冰盖体积变化的因素（如热带过程、太阳活动等）在起作用,从根本上改变了学术界对地球气候环境系统历史的认识。     

东亚地区Younger Dryas气候突变的数值模拟研究

YoungerDryas(YD)气候突变事件是近两万年中一次全球性的气候急剧变冷事件。文章试图在东亚地区YD事件的若干证据基础上,从海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学角度出发,利用气候模拟方法就东亚地区YD气候突变的机制和一些成因假说进行敏感性试验。模拟结果表明,因淡水通量异常引起的海洋表面温度降低是YD形成的直接原因。海洋大气耦合作用对于YD传播强度及时间不同步具有重要作用。除北大西洋淡水通量异常的作用外,南半球海洋的淡水通量异常可能对东亚地区的YD事件有着更重要的贡献。海洋耦合大气环流模式模拟表明,东亚与欧洲降温具有不同步性,最大变化速率欧洲达到-0.122℃/a,东亚地区为-0.067℃/a。模拟结果与东亚地区YD时期的气候记录在特征上能够进行对比,反映了模拟试验的边界和强迫条件的设计接近东亚古气候状况,因而模拟结果对分析海洋、冰盖和大气的热力学以及动力学探讨揭示YD气候事件的物理机制和动力原因具有可靠的依据。     

第四纪气候变化机制研究的进展与问题

自从20世纪50年代海洋沉积氧同位素记录被揭示以来,经典的陆地4次冰期理论被新的认识所取代,人们发现第四纪以来冰期—间冰期旋回远远不止4次,并且从深海沉积和陆地黄土获取的古气候变化记录与地球轨道参数变化可以对比,为揭示第四纪古气候变化机制构建了明确的框架。近年来有关末次冰期不稳定气候事件的揭示也为深入认识古气候变化特征提供了新的证据。然而冰期—间冰期旋回机制、南北半球在冰期—间冰期循环过程中的耦合机制以及气候不稳定事件发生机制仍然是困扰古气候研究者的重大问题。     

气候环境变化的湖泊沉积学响应

湖泊沉积可作为气候和环境变化的信息库,它能提供时间分辨率高达百年至十年的气候变化信息。湖泊沉积能灵敏地反映与地球轨道力变化相关的气候效应,以及在此背景上叠加的非线性气候事件。湖泊沉积与其中的古生物组合、元素同位素组成是古气候环境的重要替代指标,为检验大气动力学气候模型和进一步改进模型,预测未来气候提供了依据。     

始新世—渐新世气候转变研究进展

始新世—渐新世（E—O）气候转变（34 Ma前后）是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义。近年来地质记录和气候模拟在E—O转变研究上取得了一系列重要进展：①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E—O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500 ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温（对应于E—O转变的第一阶段）相关。当前对E—O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E—O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。     

古气候数值模拟:进展评述

数值模拟是古气候研究的一个重要内容。过去30年来,古气候数值模拟研究在相当程度上深化了我们对古气候变化机制的理解。在轨道尺度上,数值模拟证明了冰后期气候系统变化主要是对地球轨道参数变化的响应,同时揭示了温室气体、植被、海洋、冰盖等反馈因子的重要性。针对短尺度气候变化,数值模拟揭示出大洋传送带对北大西洋淡水注入的敏感性。在构造尺度上,数值模拟揭示了气候系统对于高原抬升、海道开合、大陆漂移导致的古地理变化、大气CO2浓度变化和太阳常数变化等的响应,揭示了气候系统突变对驱动因子阈值的敏感性。目前,古气候模拟研究中还存在分辨率不高、模拟结果与记录不完全吻合、模拟的边界条件不清楚等诸多问题。今后古气候模拟研究的改进有赖于模式的改进和计算机运算速度的提高,也有赖于对变化机制的更深理解和对边界条件更精确的重建。     

新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化的影响

全球新生代构造抬升 ,特别是南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升对地表化学风化和全球气候变化产生了重要影响。它对地表化学风化的影响主要表现为引起造山带地区化学风化能力的提高 ;而它对全球气候变化的影响则主要表现在两个方面 ,一是直接的物理影响 ,即通过对大气和海洋循环的影响来对大气变化产生作用 ;一是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO2 变化和全球温度的改变 ,从而对气候变化产生间接的生物化学效应。目前看来 ,新生代构造抬升造成的大气CO2 浓度减少是造成全球新生代气候变冷的重要原因。这已得到了近 10年来计算机大气环流模型 (GCMs)数值模拟和野外实验研究的支持 ,但在关于地表化学风化的主要控制因素 ,以及海洋Sr同位素是否可作为反映地表化学风化速率变化的替代性标志和气候变化反馈机制等方面 ,还需要作进一步研究。     

末次盛冰期气候模拟及青藏高原冰盖的可能影响

在国际古气候模拟比较设计设定的边界条件下（其中包括：海洋表面温度，陆地冰盖，CO2浓度，地球轨道参数等变化）。本文汇报了利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式对末次盛冰期气候进行数值模拟的研究成果。结果表明：末次盛冰期全球年平均温度在低5．3℃，降雨量下降9％，其中大陆年平均降水量仅为目前的71％。通过与其他模式模拟结果和重建古气候资料的对比表明，该模式捕捉到了末次盛冰期干，冷的冰期气候特征。在此基础上，我们根据刘东生等的科研成果，初步探讨了青藏高原在末次盛冰期倘若存在一定范围的冰盖，那么该冰盖会对东亚区域古气候模拟结果产生怎样的冲击。     

大陆科学钻探开展古气候研究进展

当前气候变化问题已经引起全社会的广泛关注。地质历史时期(包括第四纪和"深时")的古气候研究可为了解现代气候变化提供借鉴,大陆科学钻探成为开展此研究的重要手段。文中对大陆科学钻探开展古气候研究的进展作一综述。获取连续沉积记录是大陆科学钻探的最大优势,地质学家通过对岩心建立高分辨率年代地层框架和应用多种古气候替代性指标,重建地质历史时期不同时间尺度上的陆地古气候变化,发现并精确厘定陆地古气候-古环境快速变化事件,进而通过精细对比陆地-海洋古气候记录,揭示气候变化的过程和机制。这些研究成果将加深人类对地球气候系统的认识,并为未来气候预测提供科学依据。可以预见,大陆科学钻探将成为古气候研究的一种常用手段,在未来的古气候研究领域,特别是"深时"温室气候研究中发挥更加重要的作用。     

Geological Drilling in Polar Regions: Progress and Perspectives

The Antarctic and the Arctic regions play a key role in global sea level change and carbon cycle, and reserve key information of the Cenozoic transition from a green-house to an ice-house Earth. They have become hot spots in earth science studies. The geological drilling projects in both polar regions (e.g., DSDP/ODP/IODP/ICDP) have achieved remarkable successes, which have freshened the knowledge of global environmental and climatic evolution. Along with the Cenozoic global cooling, the timing of glaciation was almost synchronous on both the Antarctic and the Arctic. Accompanied with the Antarctic ice sheet build-up and increased terrestrial weathering, the enhanced formation of Antarctic Bottom Water exerts significant impact on global ocean circulation. The volume of unstable West Antarctic Ice Sheet fluctuates during glacial-interglacial periods showing 40 ka obliquity cycles, its volume significantly reduced or collapsed during several peak interglacials or long warm intervals. The Southern Ocean plays a significant role modulating atmospheric CO₂ concentration, global deep water circulation and nutrient distribution, productivity at different time scales. Sea level responses to the waxing and waning of polar ice sheets at different time intervals were tested, which provide valuable clue for predicting future sea level changes. The upcoming IODP drilling projects on polar regions will keep focusing on the high latitude ice sheet development, Southern Ocean paleoceanographic evolution, land-ocean linkages in the Arctic, and the impacts on the global climate, which will provide important boundary conditions for predicting global future climate evolution.     

温盐环流反转及其对新生代气候的影响

温盐环流是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。在亚轨道尺度(千年时间尺度)上,温盐环流的改变导致了一系列快速的气候变化,因此备受关注。在构造时间尺度(百万年时间尺度)上,古海洋记录和数值模拟揭示出,温盐环流的反转对新生代气候也产生了非常显著的影响。在新生代,温盐环流由“南大洋深层水主控型”向“北大西洋深层水主控型”反转。这一反转改变了全球的热量输送,使得南半球强烈变冷,并有可能导致南极东部永久冰盖的形成。在这一反转事件中,热带海道的作用更加重要。     

Expanding the Cenozoic paleoceanographic record in the Central Arctic Ocean: IODP Expedition 302 Synthesis

The Arctic Coring Expedition (ACEX) proved to be one of the most transformational missions in almost 40 year of scientific ocean drilling. ACEX recovered the first Cenozoic sedimentary sequence from the Arctic Ocean and extended earlier piston core records from ≈1.5 Ma back to ≈56 Ma. The results have had a major impact in paleoceanography even though the recovered sediments represents only 29% of Cenozoic time. The missing time intervals were primarily the result of two unexpected hiatuses. This important Cenozoic paleoceanographic record was reconstructed from a total of 339 m sediments. The wide range of analyses conducted on the recovered material, along with studies that integrated regional tectonics and geophysical data, produced surprising results including high Arctic Ocean surface water temperatures and a hydrologically active climate during the Paleocene Eocene Thermal Maximum (PETM), the occurrence of a fresher water Arctic in the Eocene, ice-rafted debris as old as middle Eocene, a middle Eocene environment rife with organic carbon, and ventilation of the Arctic Ocean to the North Atlantic through the Fram Strait near the early-middle Miocene boundary. Taken together, these results have transformed our view of the Cenozoic Arctic Ocean and its role in the Earth climate system.     

临夏盆地晚新生代哺乳动物群演替与青藏高原隆升背景

临夏盆地的晚新生代沉积中富含哺乳动物化石,以晚渐新世巨犀动物群、中中新世铲齿象动物群、晚中新世三趾马动物群和早更新世真马动物群的化石最为丰富。晚新生代是青藏高原快速隆升的时期,临夏盆地的4个主要哺乳动物群在构造剧烈变化的背景下发生了显著的更替。通过对不同动物群所代表的生态特征的分析,恢复了临夏盆地晚新生代以来的气候环境演变过程:晚渐新世以温暖湿润的森林环境为主,间杂有一些开阔地带;中中新世的森林更加茂密,水体更加丰富;晚中新世演变为炎热半干旱的稀树草原环境,季节性变化加强;早更新世气候寒冷而干燥,并伴有显著的海拔升高。青藏高原在晚渐新世的隆升幅度还不足以阻挡大型哺乳动物在高原南北的交流,但到中中新世已成为明显的障碍,至晚中新世对动物迁徙的阻碍作用更加突出,而临夏盆地在早更新世已经达到相当大的高度,产生了一个高原或高山的动物群     

大河的地质演化与构造控制

基于对全球60条主要的河流（欧亚大陆35条,美洲15条,非洲8条,澳大利亚2条）的综合分析^［1］,介绍了大河的地质演化及其构造控制作用。研究表明,大河流系的地质特征和起源受控于4个因素：  板块构造、气候、火山作用和相对基准面的变化。其中,最重要的因素是板块构造,它决定了大河的位置、大小、形状、流向、生命周期及水系的样式。宽泛地讲,大河系统的形成和演化与威尔逊旋回密切相关,因此,大河的生命周期和全球地形的演化,都与构造旋回有相同的时间尺度。冈瓦纳大陆的裂解以及特提斯洋的闭合,对于欧亚大陆水系样式的形成起到了决定性的作用。在欧亚大陆,注入北冰洋的河流和注入太平洋、印度洋的河流的分水岭与冈瓦纳大陆的北部边缘密切相关。在南美洲和北美洲,是洋-陆板块汇聚以及科迪勒拉-安第斯造山带微陆块的增生决定了美洲大陆主要水系的样式。大河能够长期存在的关键因素在于它要位于克拉通或被动大陆边缘这样的构造相对稳定地区,要有长期存在的大陆倾斜地形,而且流域内不曾发生过荒漠化、大陆冰川作用或火山作用。     

应用MPM­2模式新元古代气候初步研究

新元古代(650MaB.P.)是地球演化历史上最重大的转折时期之一,这一时期地球气候的模拟研究,对于了解气候变迁、现代气候的形成、自然地理环境的演变有重要意义; 在地质学上,对于地层划分和对比,地壳演化研究以及矿产资源成因和探测都有重要意义。本文在借鉴国内外已有研究的基础上,应用MPM­2——一个中等复杂程度的地球系统模式(EMIC),通过太阳常数和大气二氧化碳浓度的敏感性试验,对新元古代地球气候进行了模拟研究,结果表明在650Ma前,地球全球平均温度一直低于零度,即地球一直是“雪球”,直到650Ma前,全球平均温度大于零,“雪球”消融,雪球时代才结束。     

塔里木盆地新生代地质地貌特征及其演化

塔里木盆地是亚洲大陆腹地独特的巨型地质地貌单元，是研究新生代地球系统的天然实验室。新生代以来，它经历 了古近纪海湾、新近纪湖泊—三角洲平原、河流—湖泊—沙漠、沙漠—河流的地质演化过程，古地理格局变化的主要因素 是远程碰撞造山作用，造成盆地的封闭、气候干旱。古近纪以来，海湾盆地西低东高，构造挤压造成周缘山脉隆升和盆地 逐渐封闭，这是盆地演化最主要的动力因素。新近纪南高北低，随着青藏高原隆升，周围山脉持续隆升，早先形成的河湖 等地质地貌单元不断被周边山脉所封闭，形成塔里木盆地，发育大湖泊。第四纪以来，盆地西高东低，经历了最快速的地 球系统演化，形成中国较大的内流水系以及最大沙漠。内、外动力的耦合作用及其相互作用，控制了塔里木盆地新生代地 球系统演化，塔里木盆地周缘新构造活跃，在巨型盆地内发育了河流、湖泊、沙漠、戈壁、雅丹、干盐湖等多种第四纪的 地貌类型。不同地质因素时空上相互作用，塑造着巨型盆地地球系统演化，塔里木盆地展示了极干旱地区地球系统第四纪 快速的演化过程。     

塔里木盆地新生代地质地貌特征及其演化

塔里木盆地是亚洲大陆腹地独特的巨型地质地貌单元,是研究新生代地球系统的天然实验室。新生代以来,它经历 了古近纪海湾、新近纪湖泊-三角洲平原、河流-湖泊-沙漠、沙漠-河流的地质演化过程,古地理格局变化的主要因素 是远程碰撞造山作用,造成盆地的封闭、气候干旱。古近纪以来,海湾盆地西低东高,构造挤压造成周缘山脉隆升和盆地 逐渐封闭,这是盆地演化最主要的动力因素。新近纪南高北低,随着青藏高原隆升,周围山脉持续隆升,早先形成的河湖 等地质地貌单元不断被周边山脉所封闭,形成塔里木盆地,发育大湖泊。第四纪以来,盆地西高东低,经历了最快速的地 球系统演化,形成中国较大的内流水系以及最大沙漠。内、外动力的耦合作用及其相互作用,控制了塔里木盆地新生代地 球系统演化,塔里木盆地周缘新构造活跃,在巨型盆地内发育了河流、湖泊、沙漠、戈壁、雅丹、干盐湖等多种第四纪的 地貌类型。不同地质因素时空上相互作用,塑造着巨型盆地地球系统演化,塔里木盆地展示了极干旱地区地球系统第四纪 快速的演化过程。     

晚白垩世介形类壳体稳定同位素尝试——以松科1井南孔样品为例

白垩纪中期的全球温室气候引发的迅速同位素波动具有全球的同期性,可作为地质历史中气候变化的替代指标。在诸多陆相沉积体系中,湖泊沉积记录保存了相对连续的古气候信息,是恢复陆相高分辨率古环境和古气候演变的有利依据。松辽盆地为大型白垩纪沉积盆地,对其研究可以提供大陆内部的古气候信息。对白垩纪稳定同位素的研究常采用全岩样品的分析手段。然而,陆相湖盆同位素组成复杂,全岩样品难免受多种因素的干扰。尝试利用松科1井连续的介形类壳体为材料获取原生碳酸盐,为稳定同位素的高精度古气候恢复提供有效指标。尝试的首要工作是仔细开展采样分析、化石壳体挑选和受成岩影响样品的排除的每一步骤。在实体显微镜下精心剥离出纯净的化石壳体,然后对纯净壳体、含充填物壳体和围岩3种样品进行抽样对比,印证实验所用的介形类化石样品的可靠性,明确化石材料受成岩作用影响微弱。测试结果显示,松科1井介形类壳体碳氧同位素保存了长期连续的气候历史记录,深入研究能为中国甚至东亚白垩纪同期陆相研究提供稳定同位素标准序列。