过去530年中国东部旱涝事件模拟研究初探

利用CCSM2.0.1模式完成的千年模拟试验结果对近530年中国东部区域旱涝事件进行了初步的研究。结果表明模式一定程度能够反映过去530年中国东部降水变化规律,在年代际变化上与旱涝等级资料较为一致。模式能模拟出旱涝事件世纪尺度变化特征以及旱涝事件的群发现象。从模拟结果中发现,过去530年中国东部共发生了3次持续时间5年或5年以上的严重干旱事件,分别发生在1483～1488年、1635～1645年和1964～1968年; 4次持续时间5年或5年以上的严重洪涝事件,分别发生在1529～1533年、1749～1753年、1926～1932年和1978～1984年。其中,1483～1488年、1635～1645年和1964～1968年干旱事件以及1749～1753年洪涝事件与旱涝等级序列有较好的对应,说明模式对严重干旱事件具有一定的再现能力,而对严重洪涝事件的模拟能力还有待加强。对个例分析发现,对应较好的3次严重干旱事件发生时期降水空间型态的演化与1749～1753年严重洪涝事件不同,前者前期呈南涝北旱格局,旱区逐年向东、南扩大,后者前期同样也呈南涝北旱格局,但为涝区逐年向东、北扩大。模拟还发现中国东部夏季降水的异常变化主要受夏季风影响,发生严重干旱事件期间夏季风偏弱,发生严重洪涝事件期间夏季风偏强,模拟显示严重旱涝事件期间副热带高压无明显变化。     

过去千年年代和百年尺度东亚夏季风变化的模拟分析

利用通用地球系统模式过去千年集成（CESM-LME）试验数据,在验证模式模拟能力的基础上,分析了过去千年（850~1849年）年代和百年尺度东亚夏季风变化及其与中国东部夏季降水的关系。总体上,东亚夏季风在过去千年逐渐减弱,并伴随着年代际和百年尺度波动。在变化趋势上,过去千年土地利用不断增加、后期火山爆发偏多和地球轨道参数变化联合引起欧亚大陆中高纬表面温度降低、东亚区域海陆热力差异减小,东亚夏季风相应减弱;在年代际尺度上,东亚夏季风变化与太平洋年代际振荡有关,后者通过影响北太平洋和中国东部表面温度来改变东亚区域海陆热力差异和夏季风强度;百年尺度东亚夏季风波动受多种因子共同调制,期间欧亚大陆中高纬和北太平洋表面温度变化明显。与此同时,过去千年东亚夏季风逐渐减弱伴随着中国东部降水由南向北呈现负—正—负的变化趋势;在年代际和百年尺度上,东亚夏季风偏强时,中国东部降水表现为南旱北涝型分布。

     

近千年中国东部夏季降水的模拟研究

利用ECHO­G海气耦合气候模式模拟的中国东部过去近1000年的降水资料,通过经验正交函数分解方法得到了中国东部夏季降水分布的主要空间型态： 华北和华南地区与长江中下游地区反位相,即华北和华南地区降水多(少)时长江中下游地区降水少(多)。对31年滑动平均后3种空间分布型的时间系数进行Morlet小波分析和功率谱分析发现,3个地区均存在准60年的年代际振荡周期,长江中下游和华南地区均存在准200年的百年际振荡周期,华南地区还存在120年和80年的变化周期。全球海温场与3个地区夏季降水31年滑动平均后的相关分析表明,在40°～70°S,170°～60°W海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水负相关,与华南地区夏季降水正相关除该区外的南北半球(30°～60°)中高纬海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水正相关、与华南地区夏季降水负相关,说明在年代际和百年际时间尺度上,中高纬海域海温是影响长江中下游地区和华南地区夏季降水反相的主要因子之一。最后通过对太阳常数、火山活动等外强迫因子与中国东部夏季降水的功率谱分析发现： 中国东部夏季降水的年代际与百年际变化周期大都与外强迫因子的变化周期一致,说明外强迫因子,尤其是太阳常数和火山活动的变化是影响中国东部夏季降水年代际和百年际振荡的主要原因。     

过去千年ENSO演化历史重建再分析

厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation,简称ENSO）作为气候系统内部变率的最显著模态,对全球气候变化起到重要影响。利用珊瑚、树轮等气候代用记录对ENSO进行重建研究能够帮助我们认识气象仪器观测之前历史时期ENSO的变化规律,但由于气候代用记录和重建方法的不确定性导致目前对过去千年ENSO变化特征及其机理仍不明确。文章从气候代用记录和重建方法两方面对目前已公开发表的21条ENSO重建序列进行了评估。结果发现：在1146~1335年和1627~1757年,已有ENSO重建序列之间存在明显不一致现象,1146~1335年相关性差,可能与北美低纬树轮对ENSO响应不一致有关,而1627~1757年相关性差,可能与热带西太平洋珊瑚对ENSO的记录能力下降有关;同时,在过去千年,ENSO年际振幅变化在现代暖期呈显著上升趋势,而年代际振幅变化在中世纪暖期呈显著下降趋势,并且ENSO振幅存在多年代际周期振荡,其振幅的年际-年代际变化可能均与热带太平洋气候平均态有关。讨论和评估现有的ENSO重建结果有助于更好地了解不同重建之间的异同性,对进一步准确认识ENSO变化规律提供集成证据。

     

中国区域干旱的持续性特征研究

利用1961-2012年中国区域586个气象站的降水、气温、日照时数、相对湿度、风速等资料计算了逐月K干旱指数, 在此基础上, 对全国16个区的干旱持续性特征进行了研究. 结果表明: 华北、河套、西北地区东部、西南地区北部、黄淮及新疆南部地区干旱的持续性较强, 常发生3个月以上的长期干旱过程, 并且容易在旱情解除后的短期内(1个月)再次出现干旱; 而南方、东北和新疆北部地区干旱的持续性较弱, 以1个月的短期干旱为主, 且干旱过程之间的时间间隔相对较长, 大多为3个月以上; 华北、河套、西北地区东部、西南地区北部和南部、以及华南地区的干旱过程在冬、秋季开始的频次最高, 且大部分在春季结束, 而冬、春两季的干旱明显比夏、秋两季偏多. 100°E以西(新疆北部除外)的广大地区干旱过程的开始时间主要集中在秋季, 结束时间集中在春、冬两季; 同时, 冬季和秋季干旱多发, 其次是春季, 夏季出现的干旱频次最少.     

过去千年3个特征时期东亚冬夏季风关系的模拟研究

使用美国大气研究中心开展的过去千年集合模拟试验（Community Earth System Model-Last Millennium Ensemble,简称CESM-LME）数据,对过去千年（公元850~2005年）3个重要的特征时期——中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期的东亚冬、夏季风关系,尤其是年代-多年代尺度上的关系进行了对比研究。结果表明：在年代和多年代尺度上,由自然外强迫主导的中世纪气候异常期和小冰期及人类活动主导的现代暖期,东亚冬、夏季风均呈负位相变化形势,但影响二者关系的机制在3个时期并不相同。研究发现,太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,简称PDO）可能是造成前两个特征时期东亚冬、夏季风反位相变化的主要原因,大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,简称AMO）的作用相对较小。现代暖期AMO的作用有所加强,与PDO的作用相当,同时夏季风环流对PDO和AMO的响应较前两个时期强,且响应特征有所不同,这可能与人类活动有较大关系。另外在人类活动作用下,季风指数的定义方法可能会对季风关系的研究结果产生影响,这是未来预估研究中需要留意的地方。

     

过去2000年中国东部冬半年温度变化

根据近年收集、整理的历史文献冷暖记载及过去有关研究结果,对中国东部地区过去2000年冬半年的温度状况进行了定量推断,重建了中国东部地区过去2000年分辨率为10～30年的冬半年温度距平变化序列,并分析了中国东部过去2000年的冷暖变化阶段与变化幅度。结果发现:在过去2000年中,中国东部冬半年温度高于1951～1980年平均值且持续时间超过百年的暖期有4个,其中最暖的30年出现在1230’s～1250’s(较1951～1980年高0.9℃);低于1951～1980年平均值且持续时间超过百年的冷期有3个,其中最冷的30年出现在1650’s～1670’s(较1951～1980年低1.1℃)。在冷暖期之间相互转换的过程中,冬半年温度一般都出现1℃左右的升、降温;在冷暖期内,一些幅度较大的升、降温也与之相仿;在相邻的两个30年中,温度变化幅度达0.5℃以上的有19次之多。     

过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的模拟研究:基于PMIP3气候模式

本文利用古气候模式比较计划第三阶段（PMIP3）10个耦合模式结果研究了过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的空间特征。对于影响热带气旋生成的大尺度环境场而言,模拟结果表明中世纪暖期（950~1200A.D.）热带气旋潜在强度相对于小冰期（1600~1850A.D.）在北大西洋普遍增强,尤其是中纬度地区。中世纪暖期垂直风切变在10°~30°N之间的纬度带显著减小,而对流层中层相对湿度和低层绝对涡度在北大西洋东部增大。基于热带气旋生成潜势指数,中世纪暖期大尺度环境条件有利于热带气旋在北大西洋的生成和发展。同时,中世纪暖期热带气旋高空引导气流为东风异常,有利于热带气旋登陆北美地区。在百年尺度热带气旋气候态的角度,模拟结果与地质证据基本一致。此外,敏感性试验结果表明太阳辐射增加和火山活动减少对中世纪暖期北大西洋热带气旋生成潜势增加均有作用。

     

过去千年东亚与全球百年尺度温度同步性变化的模拟研究

利用美国国家大气研究中心（NCAR）提供的过去千年（850~2005年）集合模拟试验（CESM-LME）资料,在与重建资料、现代观测/再分析资料进行对比验证的基础上,分析了过去千年不同世纪东亚与全球地表温度变化的同步性,并结合单因子敏感性试验结果,分析了造成东亚与全球地表温度各个世纪同步性及变化幅度差异的原因。结果表明：过去千年里,在20世纪以前,东亚地区与全球均经历了中世纪暖期与小冰期,温度变化在百年尺度上整体一致,10世纪、11世纪、13世纪、18世纪和19世纪东亚与全球温度变化同步性较高,差异较小;但在12世纪、14~17世纪中,其变化振幅存在显著差异,东亚地区温度变化幅度总体上小于全球,太阳辐射和火山活动等自然外强迫及内部变率对差异的形成可能起到了主导作用;而20世纪以来,两者变化显示出较大的不同步性,东亚地区温度增长没有全球温度增长剧烈,甚至出现了降温,人为外强迫在这一时期起主导作用。温室气体浓度变化对温度的影响在两极有明显的放大效应,是东亚与全球温度变化差异形成的主要原因,同时,人为气溶胶排放使得东亚地区温度降低也是东亚与全球温度变化不同步的原因之一。

     

过去1000年不同强迫因子对中国东部5～9月降水及其环流场特征影响分析

利用CCSM2.0全球耦合气候系统模式在不同强迫因子下模拟的近千年降水、温度、500hPa位势高度场、850hPa和200hPa风场资料,以及NCEP再分析资料、GPCP降水观测再分析资料、青海德令哈地区近千年降水重建资料,对过去1000年我国东部5～9月降水及环流场特征进行了初步研究.在考虑自然和人为因子的共同影响下...     

过去21 ka中国干湿变化的瞬变模拟分析

地表干湿变化是气候研究的热点问题。本研究利用一个古气候瞬变模拟试验的数据,采用降水与潜在蒸散量（PET）之比所定义的干湿指数（AI）,研究了过去21 ka中国地表干湿状况演变特征。就中国区域平均而言,气候在10 ka B.P.以前总体偏湿,之后则逐渐变干。决定干湿变化的外强迫因子随时间而变。22~19 ka B.P.,AI受低温室气体浓度和大陆冰盖影响,比目前高22%;19~10 ka B.P.,AI随温室气体浓度增加和大陆冰盖融化而逐渐降低,同时随着北半球高纬夏季日照量增大而升高,总体上维持在末次冰盛期的水平;10 ka B.P.之后,AI受控于轨道强迫,逐步降低至目前水平。在过去21 ka,AI变化总体上由PET主导：温室气体浓度、轨道参数分别通过影响近地面气温和相对湿度来改变PET大小;而在冰盖强迫下,PET变化源自气温和相对湿度的联合作用。与轨道尺度变化不同,气候在千年尺度冷事件期间总体偏干,变化主因是降水减少。空间上,AI变化有明显地域差异,不同地区AI变化的主导因子、对相同外强迫的响应形式各不相同。

     

2万年来南亚季风演化历史

文章综合中国西南部位于不同纬度、不同海拔,代表不同地貌、气候和植被单元的星云湖、腾冲青海湖、泸沽湖和伍须海这4个湖泊2万年以来的孢粉、硅藻记录,揭示了中国西南部2万年来的气候变化与南亚季风演化历史。结果表明,在中国西南地区,冰盛期后首次开始升温的时间发生在19.0~18.0 ka（1 ka=1000 cal.a B.P.）之间。自冰消期首次开始升温以后,中国西南地区气候具有区域差异,即在中国西南部偏西偏南、受较单一南亚季风影响的区域,冰后期都存在H1冷事件、B/A暖期和YD冷事件,并于11.5 ka左右进入全新世,开始是缓慢增温增湿,随后在10.0 ka左右进入明显变暖湿的时期;全新世适宜期都出现在中全新世,然后进入晚全新世降温期,并逐步开始受到人类活动的影响。在中国西南部偏东、偏北的区域,还兼受东亚季风影响,导致气候效应更加复杂。中国西南地区2万年来的气候变化揭示南亚季风从19.0 ka左右开始逐渐增强,在季风逐渐增强的过程中,出现两次明显的季风减弱期,分别对应H1和YD时期;在11.5 ka左右,南亚季风进一步增强,并在中全新世达到最强,随后又逐渐减弱。对其机制探讨认为,冰盛期后首次升温及此后逐渐增温的趋势主要受夏季太阳辐射的控制,同时,温室气体浓度的变化也起了重要的调制作用。而增温过程中存在的H1和YD突然变冷事件与大西洋温盐环流减弱有关;南亚季风区的全新世适宜期发生在中全新世可能是受海平面上升、海表温度、冰量范围、9月太阳辐射量等多种因素的共同影响。

     

末次间冰期以来古火对千年及轨道尺度气候和植被变化的响应

火是地球系统的重要组成部分,与气候变化、植被演替关系密切。正确认识自然状态下火-气候-植被之间的耦合关系是理解过去火演化机理、预测未来气候变化下火活动频率和强度的迫切需要。末次间冰期及末次冰消期是现今间冰期的气候相似型,其轨道及千年尺度火与气候、植被演化规律研究可为维持全球升温背景下陆地生态系统的稳定提供重要科学依据。本研究聚焦末次间冰期以来已有古火研究,借助全球炭屑数据库,归纳总结千年及轨道尺度上火对气候和植被变化的响应规律,获得以下主要认识:末次间冰期以来,轨道尺度上火演化趋势整体上与气候变化趋势一致;末次间冰期全球火活动整体高于末次冰期,但波动性较大;全球火活动在D-O旋回暖期增多,D-O旋回冷期及Henrich事件中火活动减少;植被对气候响应的滞后可以解释古火记录对气候旋回的滞后。但由于涵盖末次间冰期的古火记录缺乏,导致末次间冰期时段的古火集成结果存在一定的不确定性。深入理解轨道-亚轨道尺度全球及区域古火演化规律及机制需要更多长时间尺度高质量的古火及古植被记录的支持。     

近2000年南海北部沉积有机碳的来源及埋藏记录

在气候变化和人类活动日益增强的背景下, 河口近海碳源汇途径的变化对区域乃至全球碳循环有着深刻的影响。本研究对南海北部河口-近岸-陆架海区3根沉积物柱状样顶部沉积记录约2000年的样品进行了有机碳(TOC)和总氮(TN)含量与稳定同位素组成等地球化学指标的分析。结果显示, 南海北部沉积物TOC含量在过去2000年表现出稳步增加的趋势。根据稳定碳同位素(δ¹³C)和TOC/TN比值构建的蒙特卡洛模拟估算, 发现不同海区沉积有机碳的来源存在差异, 其中陆源有机碳在近岸区贡献最高, 河口区次之, 南海北部陆坡贡献最小。在时间尺度上, 陆坡区TOC来源在过去2000年维持稳定, 而河口近岸区中海源有机碳比例不断增加, 特别是河口区海源有机碳在过去1000年快速增加, 同时与TN的变化存在显著的正相关关系, 反映了人类活动持续输入的陆源营养盐促进了海洋初级生产力的升高; 另一方面, 河口区陆源有机碳的减少主要归因于华南地区减弱的东亚夏季风和人类活动与沿海地区大规模的围垦活动等。不同于河口近岸海区, 南海北部陆坡沉积物有机碳埋藏的增加主要与东亚冬季风增强对营养盐供应和初级生产力的调控密切关联。整体而言, 人类活动和气候变化共同控制着近2000年南海北部沉积物有机碳埋藏的演变过程。

     

淮河流域近500年洪旱事件演变特征分析

为了认识淮河流域过去500年洪旱事件发生规律并鉴别当前的洪旱情势,收集并对比分析了流域实测降雨资料、重建历史雨季降雨资料、历史旱涝等级资料、历史洪旱文献记录和历史调查洪水资料等多源洪旱灾害数据。以重建历史雨季降雨资料和历史旱涝等级资料为主要依据,通过滑动平均、频率计算、小波分析和突变检验等方法,分析流域过去500年洪水干旱时空分布特征和演变规律。结果表明,17世纪淮河流域洪旱灾害最严重,但20世纪极端洪旱事件发生频次最多。淮河流域洪旱事件存在40年左右的稳定长周期,主周期从18世纪的15~20年逐渐减少到19世纪的5年周期,近20年来出现2~3年的主周期,洪旱灾害事件呈增加趋势,流域社会经济发展面临着严峻的洪旱灾害威胁。     

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。     

过去千年中国西北干旱区温度变化特征及成因分析

本研究基于过去千年多成员集合模拟试验(CESM-LME)数据, 在与同化资料(LMR)、参与CMIP6两个模式(MRI-ESM2和MIROC-ES2L)过去千年模拟结果以及观测/再分析资料(CN05.1)进行对比验证模式模拟结果可靠性的基础上, 分析了中国西北干旱区过去千年地表温度变化特征和影响因子。研究表明, CESM-LME全强迫试验能够较好地模拟出中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期温度异常特征, 模式模拟的中国西北干旱区中世纪气候异常期温度变化幅度与现代暖期的相当。通过计算不同尺度上各单因子敏感性试验与全强迫试验中地表温度序列相关系数发现, 不仅在年尺度上, 年代际、多年代际、百年尺度上火山活动强迫出的地表温度序列与全强迫试验中的均呈现显著的相关关系, 但二者的关系在过去千年并不稳定; 另外, 1850年后温室气体排放对西北干旱区地表温度升高起到了主导作用。根据火山喷发纬度位置和气溶胶注入量两个标准将过去千年火山活动分为3种类型, 即北半球火山(NHV)、赤道火山(TRV)和南半球火山(SHV)。NHV爆发对西北干旱区降温的影响最强, TRV次之, 但是二者差别不大, 均在爆发10~12个月之内降温至-2.0 ℃以下。与以往研究不同的是, SHV爆发后中国西北干旱区地表温度在10个月后降温幅度能达到-1.7 ℃, 且该冷异常可持续到22个月之后。