中国中世纪气候异常期温度的多尺度变化特征及区域差异

中世纪气候异常期（MCA,约950-1250年）是地球气候变化史上距今最近的长达数百年的典型温暖气候阶段,因此常被作为研究温暖气候及其影响与适应问题的主要历史相似型而备受瞩目。综合利用近年所发表的长度超过千年的中国4个区域（东北、西北、东中、青藏高原）高分辨率气候变化重建结果,结合历史文献的冷暖记载,采用集合经验模态分解的方法,对MCA期间中国温度的年代—多年代—百年尺度波动特征及其区域差异进行了分析。结果显示：从全国总体看,尽管在12世纪中后期存在数十年的相对冷谷,但在百年尺度上,10-13世纪是过去2000年中持续时间最长的显著暖期,且这一温暖期的起讫时间和温暖程度存在区域差异。各个区域温度变化序列的集合经验模态分解表明：在准30年尺度上,950-1130年间中国区域的温度波动位相基本同步;但在其后的1130-1250年,各区温度波动幅度变小,也存在位相差异。在准百年尺度上,各个区域均自10世纪前期起显著转暖,在MCA期间总体温暖背景下,出现2次冷波动;但除西北与东中部在整个MCA期间的百年尺度温度变化基本同步外,东北和青藏高原地区在MCA期间与其他区域存在显著的波动位相差异,且其温暖气候结束时间也较西北与东中部早40~50年。在百年以上尺度的趋势变化上,东北部和东中部2个区域均显示MCA和其后出现的小冰期（LIA）2个阶段温度差别较显著,而西北、青藏高原2个区域则均显示MCA和LIA的阶段温度差别不大。综合各种尺度的波动特征显示：MCA温暖程度在东中部与20世纪相当,在东北部较20世纪略低,在西北和青藏高原则显著低于20世纪。     

从中国过去2000年温度变化看20世纪增暖

以重建的过去2000年中国东部地区冬半年温度距平序列为基础资料，从温度程度，冷暖变化速度和历史相似型3个方面，对20世纪增暖在过去2000年中的位置予以了详细分析。结果发现：虽然20世纪暖期的温度程度非常明显。但至目前为止，其温度程度和波动幅度均没有超过过去2000年曾经出现过的最高水平，20世纪增暖实质上是气候从寒冷阶段（小冰期）向温度阶段转变的快速升温过程，速率虽非常大（1.1℃/100年），但这一升温过程与过去2000年中其它气候由寒冷阶段向温暖阶段转变的过程相似，并不是唯一的。其中从百年际波动看，20世纪暖期的温度距平不但低于世纪暖期后期温暖时段（1200′s～1310′s），也低于隋唐暖期（570′s～770′s）及中世纪暖期前期的温暖时段（930′s～1100′s），从30年际变化30年相当；从年代际变化看，20世纪最暖年代的温度距平与中世纪暖期前期的最暖年代极为接近，另外，从中国过去2000年的冷暖阶段变化过程看，20世纪暖期的最可能相似型为隋唐暖期（570′s～770′sAD），而不是中世纪暖期，同时可能是由于受到195′s以后因人类活动导致的温室效应作用日益增大的影响，1980′s以后的升温速率明显加快。     

清代华北地区冬半年温度变化重建与分析

利用清代地方志中的异常初、终霜记载,根据器测时期华北初、终霜的早、晚与温度变化的关系,重建了1646-1910 年华北地区时间分辨率为5 年的冬半年温度距平序列,分析了期间的冷暖变化特征.结果表明：清代华北地区气候以寒冷为主要特征,冬半年温度平均较现代(1951-1980 年)约低0.55℃,最冷5 年(1656-1660 年)较现代约低1.42℃;清代华北地区冬半年气候存在“冷-暖-冷”的世纪波动,两个寒冷时段起讫时间分别为1646-1700 年(平均较现代约低0.77℃)和1781-1910 年(平均较现代约低0.58℃),1701-1780 年虽然相对较暖,但冬半年温度仍较现代略低(平均较现代约低0.36℃);从更高时间分辨率看,清代冷暖时段内同样存在较小的波动,清后期寒冷时段出现了两个“冷谷”.     

艾比湖二千余年来环境演变的地球化学记录

通过对新疆艾比湖Ash孔二千余年以来沉积的总有机碳含量及其碳同位素、碳酸盐含量及Mg／Ca比值等环境指标综合分析,数据显示：约在公元前500-400年,艾比湖水体面积较小,对应的气候偏干。约公元前400～公元1400年,水体面积较大,处于高水位时期,气候较为湿润,但此时期内的气候也有小幅的冷暖和干湿变化。其中在公元800-1300年期间艾比湖沉积记录显示水生生物对沉积有机质的贡献达到最大,而陆源有机质输入不明显,表明此时湖水水位可能达到二千余年来的最高,这一时段基本对应于中世纪暖期。从碳酸盐含量及Mg/Ca比值指标来看,该地区中世纪暖期可能有一个干湿的波动。公元1400年以来,艾比湖水位下降,其中在15世纪中和19世纪初是两次较为干燥的时期,与其他地区的小冰期气候相对应。     

中国过去2000年气候变化的评估

根据近20年中国在过去2000年气候变化研究领域的主要文献,对中国(特别是中国东部)过去2000年气候变化进行了综合评估。主要结论有：(1)在中国东部,虽然20世纪暖期的温暖程度非常明显,但至目前为止的研究结果显示,其温暖程度和波动幅度可能尚未超过过去两千年曾经出现过的最高水平。(2)中国东部降水同样存在数百年的趋势变化,且存在明显的区域差异,特别是华北与江南的低频变化趋势几乎相反。就东部地区的总体变化趋势而言：280′sAD以前,相对湿润;自280′SAD开始,逐渐变干;而至1230′SAD以后,则维持在一个相对较干的水平上。(3)中国西部的温度变化趋势与东部基本一致,但中世纪暖期与小冰期不如东部明显。(4)中世纪暖期,中国东部的华北地区相对干旱,江南则相对湿润;而在小冰期,华北地区则相对湿润,且整个东部地区的降水变率增大。     

古丝绸之路沿线地区千年冷暖变化的若干特征

依据近期发表的古丝绸之路沿线若干地区(点)的温度重建序列,结合干湿变化等代用记录,分析了过去千年古丝绸之路沿线温度变化的基本特征,以及这些地区(点)在“中世纪气候异常期”(MCA,约950-1250年)和“小冰期”(LIA,约1450-1850年)的干湿特征异同。主要结论为：①过去2000年古丝绸之路的温度变化经历了1-3世纪温暖、4-7世纪前期寒冷、7世纪后期-11世纪初温暖、11世纪中期-12世纪初偏冷、12世纪中期-13世纪中期温暖、13世纪末-19世纪中期寒冷和20世纪快速增暖的百年际波动过程;但不同区域间的年代至百年尺度变化位相不完全同步,波动幅度也存在差异。②各地干湿特征在MCA和LIA也存在一定差异：中国的关中平原及河西走廊在MCA间的干湿变率较LIA大;中亚干旱区MCA期间气候偏干,LIA期间偏湿;欧洲中北部以及斯堪的纳维亚半岛南部等地在MCA间气候较LIA偏干,且中部地区LIA间的干湿变率较MCA大;芬兰和斯堪的纳维亚半岛北部以及俄罗斯等地MCA间的气候较LIA更湿润。     

近2000年都兰树轮10年尺度的气候变化及其与中国其它地区温度代用资料的比较

据高分辨率的青海都兰树轮年表 ,将过去 2 0 0 0年的气候变化划分为 2 30’S以前的高温期 ,2 40’S～ 80 0’S冷暖波动强烈的低温期 ,810’S～ 10 70’S显著高温期 ,即中世纪暖期 ,10 80’S～ 1880’S的低温期 ,其中包括 142 0’S～1870’S的小冰期 ,以及 1890’S后的升温期。统计发现 11次极端高温或低温事件 ,以及几次大的突变事件全部出现于中世纪之前 ,指示 15 0’S～ 110 0’S期间气候运行的高度不稳定性。和中国东部、古里雅冰芯和青藏高原南部温度代用资料比较后发现 ,公元初至 3世纪前期的东汉暖期 ,3世纪后期至 7世纪初的魏晋南北朝冷期 (期间约380’S～ 46 0’S暖 ) ,中世纪暖期以及小冰期等几次重大的气候事件在中国东部、都兰和青藏高原南部序列中均存在。古里雅冰芯仅记录了前两次重要事件 ,中世纪暖期以及小冰期在该序列中表现微弱。 2 0世纪的升温在古里雅冰芯最显著 ,都兰、中国东部次之 ,而高原南部似乎不明显。     

中国中世纪暖期气候研究综述

中世纪暖期是2000年来全球最重要的气候事件之一,关于中世纪暖期的研究,主要是通过各种代用资料重建气候序列。从目前的研究来看,能敏感响应环境变化的高分辨率的信息载体主要有冰芯、树轮、历史文献、湖泊沉积及石笋等。随着代用资料的开发,对于中世纪暖期的研究已经取得了丰硕的成果,但在中世纪暖期是否具有全球性,不同区域的起讫时间、增温幅度、内部波动以及成因机制等问题上还存在一定争议。主要原因是受重建资料敏感性与地域性限制,加上不同代用指标对气候变化敏感性的差异以及不同代用资料的方法、气候与环境意义等存在差异,定年存在误差。在中国,从对重建资料的整理分析来看,对于"中国是否存在中世纪暖期"这个问题,各研究者们没有达成一致的看法;对于中国中世纪暖期冷暖变化的研究,由于区域差异,东部重建资料以历史文献为主,而西部关于历史气候环境的相关记载很少,所以重建资料以冰芯、湖芯、树轮等为主。大多数的研究结果认为,西部的冷暖变化与东部有着明显的差异,其中最主要的是东部在900~1300 A. D.存在明显的温暖期,而西部则暖期不如东部明显。今后为了更加全面深入的了解中世纪暖期气候特征,应加强各种代用指标高分辨率序列的积累和定量化研究、各种代用指标和重建序列的综合集成研究及其与古气候模拟结果的比较研究,以期从动力学角度加深理解中世纪暖期的区域响应差异。     

藏南羊卓雍错沉积物元素地球化学记录的过去2000年环境变化

以青藏高原南部的羊卓雍错（简称羊湖）沉积岩芯为研究对象,以较可靠的年代数据（ ²¹⁰Pb和AMS ¹⁴C交叉定年）为框架,基于高分辨率的元素地球化学记录,通过数理统计分析方法提取环境信息,结合粒度和磁化率,重建该地区过去2000年来的环境变化。结果显示,该区黑暗时代冷期（DCAP）和小冰期（LIA）气候较为寒冷,降水量较高;而中世纪暖期（MWP）和现代暖期（CWP）气候较为温暖,降水量较低,气候具有冷湿—暖干的特征。其中,重建的温度显示,中世纪暖期的温暖程度似乎持平甚至超过20世纪暖期;小冰期期间可能存在一次百年尺度的温暖事件,而17世纪和18世纪可能是过去2000中最寒冷的一段时期。分析发现,过去2000年以来青藏高原南部存在着冷湿—暖干的气候模式;过去2000年青藏高原南部地区温度的变化可能主要受到太阳辐射的影响,而小冰期期间西风环流的南移和增强可能是导致区域降水增加的重要因素。另外,该时期羊湖的湖泊水位的变化受温度和降水共同控制：当温度降低,降水增加时,湖泊水位上升,反之亦然。     

基于树轮重建的宁夏河东沙地西部公元1899年来年降水量的变化

在分析我国季风区西北缘宁夏河东沙地西部的油松(Pinus tabulaeformis)树木年轮宽度年表与气温降水相关关系基础上,建立了树轮宽度指数与年降水量的转换方程。交叉检验结果表明转换方程比较稳定,重建结果合理可靠。公元1899年来降水量重建结果表明:研究区在20世纪40年代以前,降水变化波动幅度较大,年际间干湿变化明显,20世纪40-80年代间降水波动幅度变小且频率增加,20世纪80年代以后降水变化波动幅度又趋于增大且频率减小;与昌灵山、贺兰山和祁连山东段降水变化对比分析发现河东沙地西部的降水量变化与周边地区气候演变存在一定的同步性;宁夏河东沙地西部20世纪10年代、20世纪20-30年代初期、20世纪末以及2004-2006年的相对干旱时期有利于该区沙漠化范围的扩大,对该区沙漠化治理不利,而20世纪初期、20世纪10年代末期、20世纪30-40年代、20世纪90年代的相对湿润时期在一定程度上减缓了暖干化趋势,有利于沙漠化范围的缩小。周期分析结果表明,宁夏河东沙地西部1899年来降水量变化存在2~4 a、5~7 a和10 a左右变化周期。     

1736年以来西安气候变化与农业收成的相关分析

基于清代雨雪与农业收成等档案记载及现代气象观测记录,根据西安冬季降雪与平均气温之间的统计关系、降水入渗与水量平衡模型,分别重建了西安1736~2000年冬季平均气温与4季降水序列,并分析了该地区气候变化特征及其对1736~2000年农业收成的影响。主要结论如下：(1) 西安的冷暖变化存在明显的百年际波动：其中18世纪相对温暖,19世纪寒冷,20世纪又转为温暖,且增暖趋势极为明显。(2) 西安的降水变化存在明显的年代际波动。自1736年以来,共经历了6个多雨期与7个少雨期,其中多雨期的平均雨量比少雨期多16%。(3) 气候变化对农业收成的影响极为明显。其中夏季降水量与秋收关系显著,而夏收又与前一年秋~当年春季的降水明显相关,且大多数严重歉收年均由降水明显偏少而致。虽然温度的年际变化与收成没有显著的联系,但温度年代际变化,即气候的冷暖阶段变化却与收成的阶段性变化关系密切。     

SUMMER TEMPERATURE VARIABILITY IN CENTRAL SCANDINAVIA DURING THE LAST 3600 YEARS

ABSTRACT. A Scots pine ( Pinus sylvestris L.) tree-ring width chronology from Jämtland, in the central Scandinavian Mountains, built from living and sub-fossil wood, covering the period 1632 BC to AD 2002, with a minor gap during AD 887–907, is presented. This is the first multi-millennial tree-ring chronology from the central parts of Fennoscandia. Pine growth in this tree line environment is mainly limited by summer temperatures, and hence the record can be viewed as a temperature proxy. Using the regional curve standardization (RCS) technique, pine-growth variability on short and long time scales was retained and subsequently summer (June–August) temperatures were reconstructed yielding information on temperature variability during the last 3600 years. Several periods with anomalously warm or cold summers were found: 450–550 BC (warm), AD 300–400 (cold), AD 900–1000 (the Medieval Warm Period, warm) and AD 1550–1900 (Little Ice Age, cold). The coldest period was encountered in the fourth century AD and the warmest period 450 to 550 BC. However, the magnitude of these anomalies is uncertain since the replication of trees in the Jämtland record is low during those periods. The twentieth century warming does not stand out as an anomalous feature in the last 3600 years. Two multi-millennial tree-ring chronologies from Swedish and Finnish Lapland, which have previously been used as summer temperature proxies, agree well with the Jämtland record, indicating that the latter is a good proxy of local, but also regional, summer temperature variability.     

十六世纪以来广东气候的变化

本文对十六世纪以来广东省气候和未来气候趋势进行了初步探讨。     

千百年尺度祁连山地区干湿变化对暖期的响应

全球升温导致区域干湿格局转变,千年尺度中全新世暖期和百年尺度中世纪暖期可以为探究现代的气候趋势提供历史相似型。通过湖相沉积、冰芯、孢粉、树轮等古气候记录和PMIP3/CMIP5计划的古气候模型模拟数据对比分析,结果表明,祁连山地区中全新世暖期（7.2—6.0 ka BP）东亚夏季风强盛,降水较多,气候温暖湿润;中世纪暖期（950—1250 AD）与小冰期表现为暖干—冷湿气候机制。现代观测数据显示,祁连山地区呈现暖湿化,但现代的气候机制与自然因子主导下暖期的响应机制差异较大,表明了人类活动对自然发展下气候环境的影响。因此,自然因素与人类活动共同作用是准确预测研究区未来干湿格局的基础。     

过去2 000年中国东南地区气温与降水的集成重建与分析

筛选和利用中国东南地区（大致范围为105o E以东、30o N以南）16个站点的多种气候代用指标序列,重建了东南地区过去2 000年以来的气温与降水变化过程,并探讨了其可能的影响机制。研究发现,东南地区气温集成序列与其他学者重建的中国温度序列、北半球温度序列等均具有较好的可比性,一些百年尺度的典型特征气候时期,如黑暗时代冷期、中世纪暖期、近代小冰期以及20世纪现代暖期等均有显著的体现;降水集成序列显示东南地区在过去2 000年中干湿阶段性变化较为明显,特别是在中世纪暖期时降水整体上较为偏多,而在小冰期的前半段降水偏少、后半段降水偏多。总体来看,近2 000年来我国东南地区的气温与降水变化经历了较为多样的水热组合过程。值得指出地是,东南地区降水集成序列与已有的中国北方地区多条降水重建序列相互间可比性较弱,反映了中国东部季风区由南到北降水变化及其影响机制具有很大的区域性差异。分析认为,大尺度海—气相互作用、火山活动以及太阳辐射量变化等对我国东南地区过去2 000年的气候环境变化具有显著影响。