近10年来"国际古气候模拟比较计划(PMIP)"回顾和未来古气候模拟研究热点

国际古气候模拟比较计划(PMIP)是古气候领域里的一项长期开展的大型国际研究计划.该计划的主旨是利用气候数值模式,通过开展一系列针对古气候变化的模拟试验理解全球气候变化的机理,确定气候系统内部的各种影响气候变化的关键反馈因子;通过比较不同气候模式对不同于现代气候(古气候)的模拟能力评价模式的优劣,进而促进气候模式的发展;同时也为全球变化背景下利用气候模式预估未来气候变化提供借鉴.PMIP白1991年酝酿开始至今经历了PMIP1(1991～2001年)、PMlP2(2002～2007年)两个阶段,并正在开展第三阶段(PMfP3)(2008～)的研究.本文简要回顾了近10年来PMIP研究进展及概述了未来PMIP将要开展研究的重点领域和方向,主要包括4个主题:1)基准(benchmak)时段(6kaB.P.和21kaB.P.)模拟;2)间冰期和温暖期气候模拟;3)快速气候变化模拟;4)不确定性研究.     

古气候模拟与气候模式

本文概要地介绍了国内外近年来古气候模拟研究的若干进展.内容包括国际古气候模拟比较计划的研究工作和中国科学院大气物理研究所开展的古气候模拟研究.作为气候模拟研究的重要手段,气候模式是非常关键的,因此,文中也对古气候模拟中使用的各种气候模式作了扼要的介绍.     

关中泾阳塬全新世黄土剖面磁化率的古气候阶段划分

通过对陕西关中地区泾阳南塬寨头村和泾阳县新庄村典型剖面全新世黄土-古土壤地层的岩性描述、地层划分和对比,结合泾阳县新庄村AMS¹⁴C的年代测定和其他学者的测年数据,建立了该地区全新世以来黄土沉积年代序列。根据磁化率气候替代指标显示的曲线特征,这一替代指标在剖面上的变化规律以及该黄土剖面所反映的东亚冬、夏季风强弱变化特点,表明了关中地区的气候波动与中国西北地区及全球气候变化的总趋势具有一致性,全新世以来在全球变化背景下关中地区气候变化表现为气候演化的周期性、不稳定性和趋势性。进而对该剖面磁化率曲线特征与其他学者的孢粉谱建立的温度曲线对比,对关中地区全新世以来古气候的阶段性进行了详细分析和论证。将关中地区1 万a以来的气候演变划分为7个气候阶段：第1阶段为10.0～9.0 kaB.P.冷温转换的阶段;第2阶段为9.0～7.0 kaB.P.暖冷波动阶段;第3阶段为7.0～6.0 kaB.P.温暖阶段;第4阶段为6.0～5.0 kaB.P.较温暖阶段;第5阶段为5.0～3.4 kaB.P.暖冷波动阶段;第6阶段为3.4～2.0 kaB.P.气温先降后升阶段;第7阶段为2.0 kaB.P.至现在温暖半湿润、半干旱阶段。     

浙江湘湖地区全新世孢粉记录及其古气候意义

依据钱塘江南岸跨湖桥全新世地层剖面的孢粉分析,结合14C测年以及沉积物岩性岩相特征,将浙江湘湖地区全新世早、中期(10～2.9kaB.P.)划分为3个古气候发展阶段。概述了孢粉组合、植被类型以及气候冷暖、干湿的交替、演化规律,并指出第Ⅱ气候阶段(7.7～5.0kaB.P.)相当于与全球变化相一致的全新世气候最适宜期,跨湖桥文化就是在这样的气候背景中孕育和发展的。本区全新世早期的气候变化与中国南方的深圳湾地区有很好的可比性。     

全新世中期中国气候和东亚季风:PMIP4模式结果

利用国际古气候模拟比较计划(PMIP)最新第四阶段(PMIP4)中14个气候模式的试验数据,集中研究了距今约6 000年的全新世中期中国气候和东亚季风。与早期PMIP第三阶段(PMIP3)多模式结果类似,全新世中期中国年、冬季和春季地表气温较工业革命前期偏冷,而夏季和秋季偏暖,其中年和冬季模拟偏冷与大部分地质记录显示的偏暖不符;所有14个PMIP4模式集合的中国区域平均年和季节温度变化绝对值为0.08~1.69 ℃,较PMIP3多模式平均结果额外偏小0.01~0.45 ℃,这部分源于大气二氧化碳浓度的减少。在用于分析的11个PMIP4模式平均结果中,全新世中期中国年平均降水、蒸发和有效降水(即降水量减蒸发量)相对于工业革命前期分别增加2%、减少1%和增加7%,所有3个物理量在季节上均表现为冬春季减少,夏秋季增加。对比PMIP4模式和PMIP3多模式平均结果,上述3个物理量的中国区域平均值和区域变化差异均在夏、秋季大于年和冬、春季;相比于PMIP3模式,PMIP4模式模拟的年有效降水变化与地质记录更为接近。全新世中期东亚冬、夏季风在14个PMIP4模式中均模拟加强,所有模式平均较工业革命前期分别增强11%和32%;在区域尺度上,与早期PMIP3模式相比,当前PMIP4模式模拟的季风环流增强幅度在东亚北部更强,南部偏弱。     

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。     

黔南七星洞石笋古气候变化记录及末次间冰期终止点的确定

当前在全球气候变化预测研究中,洞穴石笋的高分辨定年和碳、氧同位素组成的变化规律研究,为这个领域的突破和填补空白做出了巨大贡献。通过对贵州都匀七星洞 1号石笋进行 11件TIMS U系测年和 79件碳、氧同位素分析,获得了距今 10 9.0 0kaB.P.至 6 5.90kaB.P.的高分辨率古气候记录。石笋在大于 10 9.0 0kaB.P.前开始生长,于 6 5.90kaB.P.后停止生长,平均沉积速率为 4.5 8mm/ 10 0a,属晚更新世的沉积产物。七星洞 1号石笋剖面的研究揭示,其年龄和δ18O同位素的变化,可以与深海岩芯氧同位素记录所揭示的第五阶段中的 5a、5b、5c和第四阶段的早期进行对比。它的碳、氧同位素记录揭示,在 10 9.0～ 10 2.5kaB.P.和 86.6～ 78.92kaB.P.时段,显示受东亚夏季风影响较强,气温升高,降水增多,δ18O偏负,表现为温暖湿润的气候环境。在 10 2.5～ 86.6kaB.P.时段,显示受东亚夏季风影响强度减弱,受东亚冬季风影响强度增加,气温降低,大气降水减少,δ18O稍趋向偏正,表现为冷凉半湿润-温凉湿润的气候环境;而在 78.92～ 6 5.6kaB.P.时段,显示东亚冬季风强盛和受西北风影响较强,海表温度下降,大气温度降低,降水量较少,δ13O偏重,δ13 C偏正 (C4植物占 95 % ),表现为严寒     

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。     

吉林柳河哈尼湖13.1～4.5cal.kaB.P.古气候演化的高分辨率孢粉记录

利用哈尼湖钻孔剖面深837～304cm高分辨率的123个孢粉数据和序列中的8个14C测年数据重建中国东北地区13.1～4.5cal.kaB.P.的植被与气候历史:13.1～11.9cal.kaB.P.植被变化明显,整个时段气温较低,后期有回暖趋势,在12.8～12.1cal.kaB.P.的快速变干可能是新仙女木事件在本区的体现;11.9～10.0cal.kaB.P.孢粉显示为以云杉、冷杉等针叶树为主,气候湿冷;10.0～8.2cal.kaB.P.针叶林逐步演替为落叶阔叶林,为升温阶段;8.2～4.5cal.kaB.P.落叶阔叶林进一步发展,气候温暖湿润。同时孢粉序列也反映出,东北地区在气候变暖后发生了一系列的冷暖干湿波动,大致可与我国北方和南方其他地区的气候事件对应。经频谱分析表明,本区在研究期间存在1100a,700a,500a及300a的气候变化的准周期。     

浅析末次间冰期以来柴达木盆地东南部古气候环境演化

在前人研究的基础上,以柴达木盆地察尔汗地区ZK2钻孔沉积物为研究对象。选取古气候替代指标——色度,分析了察尔汗地区近130kaB．P．以来气候的变化．揭示了该区对全球气候变化的响应模式以及古气候变化在色度指标上的表现。结果表明：末次间冰期以来,察尔汗地区环境由温暖湿润冷暖频繁波动干热环境变化,色度L＊,a＊,b＊具体表现为在不同水平的波动。其中b＊较L＊,a＊能更敏感地反映古环境的变化,在温暖湿润的间冰期,b＊值趋向于高值区间;而在寒冷干燥的冰期,b＊值趋向于低值区间波动。这种整体波动的趋势与氧同位素的5个阶段基本吻合。     

江汉平原北部汉水以东地区新石器晚期文化兴衰与环境的关系

新石器晚期江汉平原北部汉水以东地区成为长江中游的文化核心区,出现了文化高度繁荣又快速衰落的逆转,处于发展初期的区域文明走向崩溃。文章基于屈家岭剖面常量元素氧化物和TOC含量的分析结果,综合多种环境要素,探讨汉水下游地区全新世中晚期地貌、气候、水文等环境变化与文化兴衰的关系。研究认为,该地区5.4～4.6kaB.P.的气候整体暖湿,晚期暖湿程度有所降低;4.6～4.2kaB.P.气候较为稳定,温暖湿润程度有所回升; 4.2～2.7kaB.P.气候处于持续变干凉阶段; 2.7～0.5kaB.P.气候温湿程度开始回升,并略有波动,但比4.2kaB.P.前仍然偏干凉。以岗状平原为主的江汉平原北部地区优越的地理环境,整体暖湿的气候,为屈家岭文化、石家河文化的高度繁荣提供了环境基础,该时期的聚落数量和分布密度达到了长江中游新石器时期的最高峰。石家河晚期的气候变干变凉,对文化发展产生了一定影响,但不是石家河文化衰落的主要原因。该地区5～3kaB.P.的水位存在波动上升的趋势,这种变化主要受构造沉降、全新世以来海面上升和泥沙淤积的控制。江湖水位的波动上升而引起的洪患加剧,及人类活动向地势低平的江汉平原腹地扩展,这种水文过程和社会发展过程的矛盾,到石家河文化晚期尤为突出,可能是导致石家河文化走向衰落的主要原因。该地区内部或同其他地区之间的冲突可能加速了石家河文化的崩溃。     

青藏高原甜水海盆地MIS 3阶段湖泊沉积与环境变化

青藏高原西北部甜水海盆地地处内陆干旱区和喀喇昆仑山的东侧雨影区,气候环境极端干旱。但多次考察结果揭示晚更新世时期存在着大湖和高湖面的地质证据。为了探讨该地区过去气候与环境的演变历史,在甜水海盆地（海拔4840m）进行钻探采得沉积岩芯56.32m（TS95）,通过对沉积岩芯其中一段的粒度、生物、同位素及地球化学多指标综合分析,探讨了MIS3时期甜水海地区气候环境演化过程。沉积岩芯显示沉积物岩性变化频繁,记录着湖面多次波动、沉积环境多变的演化过程,分别在59～56kaB.P.,49～47kaB.P.,45～41kaB.P.,35.5～34.0kaB.P.和28～25kaB.P.期间存在高湖面和湖水稀释。在其多环境指标的记录中,Heinrich事件和D-O旋回均有反映,揭示了全球变化信号在研究区的响应。同时,不同高湖面阶段内部环境波动也较明显,差别较大,其产生原因也各有不同,归结为3种情况:1)由于气候变暖导致冰雪融水补给增加而产生的高湖面;2)由于冷湿气候导致的高湖面;和3)由于暖湿气候导致的高湖面。本研究揭示出了MIS3时期气候频繁波动的特征和气候的不稳定性。     

巴丹吉林沙漠全新世环境记录的年代校正与古气候重建

巴丹吉林沙漠地处东亚夏季风区的西北缘,是认识东亚季风演变及其区域响应的窗口。文章在系统研究前人工作的基础上,对环境记录的年代进行了新的校正,并重建了全新世环境演变的历史。分析结果显示,巴丹吉林沙漠在早全新世开始出现高湖面,早中全新世在湖区广泛出现高湖面和淡水环境并在沙漠东北缘发育了古土壤,晚全新世时湖泊水位下降,沉积地层以风成砂为主。巴丹吉林沙漠全新世环境变化总体上可分为3个阶段: 晚更新世末至早全新世初气候干旱; 在10.0cal.kaB.P.左右气候由干向湿快速变化,并在8.5~4.0cal.kaB.P.期间气候最为湿润,但同时存在短期的干湿波动; 4.0cal.kaB.P.以来气候总体干旱,但在2.2cal.kaB.P.左右出现短期的湿润。巴丹吉林沙漠全新世气候变化反映了该地区在早全新世东亚夏季风降水明显增强,中全新世季风降水较强,晚全新世季风降水减弱,同时具有短时期的不稳定性。10.0cal.kaB.P.以来巴丹吉林沙漠气候总体由湿润向干旱变化,应与北半球全新世以来太阳辐射的持续减弱有关。     

内蒙古伊克昭盟盐湖最近23ka古气候波动模式的研究

根据对内蒙古伊盟地区的５个碱湖中的６个钻孔岩心系统的１４Ｃ、氧碳稳定同位素、微量元素、相关元素比值、磁化率、ｐＨ值、有机碳（ＯＣ）、总碳（ＴＯ）、二氧化碳（ＣＯ２）、化学分析等的研究，编制出一个最能代表该地区气候演变规律的２３ｋａ以来的百年级气候变化曲线。依据此曲线，划分出１１个气候期，有的气候期还进一步划分出若干气候亚期。对比表明，该地区的气候变化特点与全球古气候波动模式是相一致的。     

黄河流域史前经济形态对4kaB.P.气候事件的响应

史前文化的经济形态与自然环境密切相关,不同地区史前经济形态的差异反映了人类对环境的不同响应方式。通过对黄河流域4kaB.P.前后不同文化中农作物、动物以及人骨同位素等有关资料的综合分析,结果表明黄河上游、中游和下游地区史前经济形态对4kaB.P.气候变化的响应存在3种不同的模式:甘青地区从农业为主向农牧并重、畜牧成分显著增加的混合经济形式转变;山东地区从稻粟混作向以粟为主的农业经济转变;而中原地区则是以粟为主的农业持续稳定发展。究其原因,认为除了史前人类的文化传统和适应能力等因素之外,主要与气候变化的区域差异以及人类对气候变化的不同响应有关。     

耀县黄土记录的全新世东亚冬夏季风非同步演化

通过多指标分析了黄土高原中部地区耀县黄土剖面,重建了全新世以来该地区季风变化过程。结果显示研究区全新世冬、夏季风并非同步演化,夏季风： 10.0～9.4kaB.P.快速转强; 9.4～3.4kaB.P.为全新世强盛期,但夏季风在强盛期并不稳定,其中在 6.8～5.9kaB.P.存在一个衰退事件; 3.4kaB.P.以来夏季风快速衰退。在8.4kaB.P.之前,冬季风强盛,并逐渐减弱; 8.4～6.6kaB.P.冬季风较弱; 6.6～5.7kaB.P.存在一个冬季风突然增强; 5.7～1.7kaB.P.冬季风为全新世最弱的阶段; 1.7kaB.P.以来,冬季风强度迅速增大,具有不稳定性。耀县地区全新世冬、夏季风的演化过程不同步可能揭示了全新世冬、夏季风演化的主控因子不同。     

长江三峡中坝遗址地层中Rb和Sr的分布特征及其古气候演变

长江三峡中坝遗址是我国目前仅有的、世界上也罕见的“通史式”遗址。它不仅蕴藏大量的文化内涵,而且包含极其丰富的自然环境演变信息,是研究三峡地区全新世环境演变的理想剖面。文章对遗址地层中的铷(Rb)、锶(Sr)值进行了测试和分析,结果显示:剖面地层中的Rb含量偏低,而Sr含量偏高,Rb/Sr比值变化较大。Rb/Sr比值已成为区域环境演变研究中较理想的替代指标,根据Rb/Sr比值的环境指示意义发现,长江三峡地区全新世中晚期以来气候环境总体上逐渐趋于恶劣;气候冷暖湿热变化剧烈;寒冷期长于温暖期,并没有明显地向湿热方向发展趋势。与长江下游等东部其他地区相比,长江三峡地区也存在明显不同之处:隋唐暖期不明显,而中世纪暖期表现显著。     

西藏纳木错末次间冰期以来的气候变迁与湖面变化

在西藏纳木错沿岸,发育了6级湖岸阶地及拔湖48～139.2m的高位湖相沉积.根据湖相沉积的U系法测年和孢粉分析结果,本文探讨了纳木错及邻区末次间冰期(MIS5)以来的古植被、古气候与湖面变化.研究表明,纳木错与邻区的湖面变化可以划分为116～37kaB.P.间的古大湖--"羌塘东湖"期、37～30kaB.P.间的"古纳木错"外流湖-残余古大湖期和30kaB.P.以来的纳木错-藏北湖群期等3大阶段.在MIS5的古大湖阶段,包括纳木错、色林错等藏北高原东南部的众多大、中型湖泊,是互相连通的一个大湖,其范围可能超过了现代的藏北内、外流(怒江)水系的分水岭.在MIS5e末的最高湖面时期,湖面面积可达78800km2,它或许还与藏北高原西南部和中南部的其他古大湖相连,成为面积巨大的网格状深水大湖--"羌塘湖".通过纳木错湖面变化曲线与西昆仑古里雅、格陵兰、南极等冰芯和深海岩芯的氧同位素变化曲线的对比可以发现,全球MIS5的气温要高于末次冰期间冰阶(MIS3),此时藏北高原为气候温和轻爽与湖面最高的大湖期;在末次冰期的两个冰阶(MIS4和MIS2)中,湖面明显下降,邻近的念青唐古拉山发育了小型山谷冰川;而在间冰阶MIS3中,其气候波动的幅度,要比世界其他地区更加明显,湖面波动也较大,特别是36～35kaB.P.间,气温和湿度都较今略高或较高,但不及MIS1中的全新世气候最宜时期的暖湿程度.总之,MIS5和MIS3是亚洲夏季风强烈时期,但前者的强烈程度应大于后者.     

长江三峡中坝遗址地层中Rb和Sr的分布特征及其古气候演变

长江三峡中坝遗址是我国目前仅有的、世界上也罕见的“通史式”遗址。它不仅蕴藏大量的文化内涵,而且包含极其丰富的自然环境演变信息,是研究三峡地区全新世环境演变的理想剖面。文章对遗址地层中的铷(Rb)、锶(Sr)值进行了测试和分析,结果显示:剖面地层中的Rb含量偏低,而Sr含量偏高,Rb/Sr比值变化较大。Rb/Sr比值已成为区域环境演变研究中较理想的替代指标,根据Rb/Sr比值的环境指示意义发现,长江三峡地区全新世中晚期以来气候环境总体上逐渐趋于恶劣;气候冷暖湿热变化剧烈;寒冷期长于温暖期,并没有明显地向湿热方向发展趋势。与长江下游等东部其他地区相比,长江三峡地区也存在明显不同之处:隋唐暖期不明显,而中世纪暖期表现显著。