轨道尺度东亚夏季风的动力反演

为了探求太阳辐射和高纬地区温度对东亚夏季风的驱动机理,用动力反演的方法建立了东亚夏季风的动力方程,为东亚夏季风的驱动机制研究提供了一种新的方法。在轨道尺度上得到如下结论: 东亚夏季风是由南极温度和太阳辐射量共同驱动的复杂非线性动力系统; 太阳辐射是驱动东亚夏季风的最重要驱动力,驱动贡献至少达到67.57%,南极温度次之,其驱动贡献达到21.58%,格陵兰温度对东亚夏季风的驱动不起作用; 太阳辐射量的增加,会驱使东亚夏季风增强; 南极温度存在一个阈值,在阈值两侧,对东亚夏季风具有不同的驱动机制; 东亚夏季风对太阳辐射驱动的响应,还部分地依赖于季风强度的背景值。     

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。     

近四年来我国气候数值模拟与预报研究的进展

近年来，我国在气候问题中的数值模拟式研究方面有了相当大的发展。这主要表现在气候模式水平的迅速提高，以及利用气候模式进行了大量的气候数值模拟和预报试验研究工作。对我国１９９１￣１９９４年在这方面的主要研究进展进行了系统的总结。     

上新世中期中国气候的数值模拟分析

使用中国科学院大气物理研究所的全球大气环流模式,曾就上新世中期(距今约3百万年前)气候进行过数值模拟试验,在已有针对全球气候进行分析的工作基础上,集中研究了该地质时期我国气候的变化特征。数值试验结果表明,除了青藏高原地区由于地形海拔高度变化而引起的局地冷却现象以外,上新世中期我国约100°E以东地区地表气温上升4～8℃,升温中心位于江淮流域下游地区; 该经度线以西地区地表气温升幅相对要弱一些,在1～4℃之间。上新世中期年均降水在我国东部地区显著减少,平均减幅在0.5mm/天以上,特别是在长江中游地区; 新疆北部、青海和西藏大部年均降水略有增加,而新疆中部和南部年均降水略有减少。在对流层低层,上新世中期东亚冬季风系统减弱,夏季风系统总体上略有减弱; 在对流层中层,冬季东亚大槽显著减弱,夏季中高纬度地区500hPa位势高度升高。在以上结果中,上新世中期我国气候相对于现在偏暖、东亚冬季风强度减弱得到了代用资料的支持。     

过去2000年亚洲夏季风降水百年尺度变化及其区域差异的模拟分析

利用通用地球系统模式(CESM, 1.0.3版本)进行的多个过去2000年瞬变积分试验模拟结果, 初步探讨了亚洲夏季风及其子系统(东亚夏季风、印度夏季风和西北太平洋夏季风)降水百年尺度时空变化特征与成因。研究表明: 1)亚洲季风区及其子区降水与温度的时间变化均基本同位相。亚洲夏季风降水存在准100年、准150年和准200年周期, 东亚夏季风降水存在准200年和准100年周期, 印度和西北太平洋夏季风降水均存在准100年的显著周期; 太阳辐射是影响各区域夏季风降水百年际周期的主要因素, 东亚和亚洲夏季风降水百年际周期还与火山活动有关。2)亚洲夏季风降水标准化 EOF 第一模态的空间分布型为 100°E以东由北向南呈"正-负-正-负"的条带状分布和在 100°E以西的印度季风区呈西南-东北向的"正-负-正"分布, 该分布型主要受太阳辐射的影响; EOF第二模态呈现阿拉伯海东部、印度半岛南端和华北平原及其以东同纬地区与其他地方反相的分布型态, 该分布型主要受温室气体和气候系统内部变率的共同影响; 分析表明多因子间的非线性相互作用会放大对气候系统内部变率的影响。3)亚洲夏季风3个子系统降水百年尺度第一模态空间分布与亚洲夏季风降水第一模态中对应区域的分布型态相似; 东亚夏季风降水主模态主要受太阳辐射和温室气体的共同影响, 印度夏季风降水主模态与太阳辐射有关, 西北太平洋夏季风降水主模态受除火山活动外的多因子共同影响。     

青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究

本研究利用大气环流模式, 基于青藏高原及周边区域的8个地形抬升情景, 并考虑地球轨道参数(强弱岁差和高低地轴倾角)组合, 开展了24组敏感性数值试验, 集中研究了地形抬升对轨道尺度欧亚内陆干旱和季风降水的调制作用。结果分析表明, 整体而言, 青藏高原区域地形的阶段性逐步抬升调制的欧亚大陆降水对岁差和地轴倾角的响应具有类似的分布特征, 但响应强度略有差异。此外, 不同地形抬升情景下, 降水对轨道强迫的响应呈现出区域差异。其中, 亚洲内陆干旱区是区域地形调制轨道强迫作用的高敏感区域, 尤其伊朗高原抬升有效强化了轨道导致的降水增加信号; 青藏高原中部、东部和北部的抬升则通过引导季风环流向北辐合加强, 增强了岁差和地轴倾角引起的北东亚季风降水幅度; 伊朗高原抬升有效地加强了中国黄土高原降水对地轴倾角的响应。这些试验结果揭示青藏高原是东亚夏季季风的轨道尺度变率的潜在影响因子, 这可为地质记录揭示的季风在轨道时间尺度上变率强化现象提供机制上的解释。

     

3 Ma以来轨道尺度东亚冬季风演化的模拟研究

轨道尺度东亚冬季风变率对认识第四纪东亚环境演化和北半球冰盖演化具有重要的作用。文章利用德国波茨坦气候影响研究所的中等复杂程度地球系统模式(CLIMBER-2)对过去3 Ma气候和环境的模拟结果,探讨了轨道尺度东亚冬季风演化特征及其变化机制。采用两种指数反映东亚冬季风强度,分别指示中纬度西风强度(EAWMU)和东亚北风强度(EAWMV)。CLIMBER-2较好地模拟出了3 Ma以来地球冰期-间冰期旋回特征,以及第四纪以来全球变冷趋势。东亚冬季风在过去3 Ma以来呈现逐渐增强的趋势,EAWMV和EAWMU分别在约2.6 Ma和约1.5 Ma突然增强。EAWMV(EAWMU)在约2.2 Ma(约1.5 Ma)之前主要以20 ka岁差周期为主导,约2.2~1.0 Ma(约1.5~1.0 Ma)的转型期以41 ka倾角周期和20 ka岁差周期为主导,约1.0 Ma之后则均出现100 ka、41 ka和20 ka这3个轨道周期特征,并以100 ka偏心率周期为主导。在约2.2 Ma(约1.5 Ma)之前,EAWMV(EAWMU)主要受控于太阳辐射的直接强迫作用,北半球冰盖的作用相对较弱,在此之后北半球冰盖起主导作用,太阳辐射的直接强迫作用相对较弱。因此,第四纪东亚冬季风与北半球冰盖存在复杂的耦合关系,当冰盖规模较小时,它们的关系很弱;反之,当冰盖规模较大时,它们的联系加强。

     

构造变形流变场分配多尺度数值模拟研究

流变场分配(flow field partitioning)现象在自然界高应变岩石中十分常见。传统的基于固体连续变形机制理论的变形分析中,流变场分配问题往往被忽略,致使应变带中流变场如何分配一直都缺乏深入认识。Eshelby阐述了嵌入均匀介质中的椭球体内流变场的数学方法,为探讨流变场的分配奠定了理论基础。本文从固体连续变形机制入手,重点介绍基于Eshelby理论的多尺度数值模拟思路和方法,探讨流变场分配问题。模拟结果表明:嵌入基质中的椭球体内分布的流变场主要取决于椭球体与基质间的相对流变强度,椭球体的相对流变强度越低,其变形越接近于简单剪切,且有限应变积累越快。模拟还揭示,不同流变强度的椭球体内模拟拉伸线理和面理产状的总体格局反映基质流变场特征。由此得到以下结论:(1)在流变场分配现象显著的区域,局部小尺度上应变、涡度测量分析结果无法直接揭示区域流变场运动学边界条件,对这些区域的构造变形分析必须是多尺度的;(2)基于Eshelby理论的以实质变形组构为约束的多尺度数值模拟分析,能更为合理地揭示高应变岩石中流变场的分配。     

亚洲高山区全新世中期气候及其影响下的冰川模拟

本文利用一个1 km分辨率冰盖模式和11个PMIP4全球气候模式,研究了全新世中期亚洲高山区气候和冰川的变化特征。多模式集合平均结果显示,(1)全新世中期亚洲高山区年平均温度较工业革命前期降低了约0.7 ℃,夏季气温升高约0.7 ℃,冬季气温降低约1.8 ℃,全新世中期年平均降水略微增加(0.5%),但夏季和冬季降水分别增加和减少了约16%;(2)全新世中期亚洲高山区冰川较工业革命前期整体显著退缩,面积减少了约13%,体积减小了约8%。在区域尺度上,全新世中期亚洲高山区北部冰川的面积(体积)减少了约58%(47%),西部冰川的面积(体积)减少了约26%(25%),而南部冰川的面积(体积)增加了约20%(39%);(3)全新世中期夏季升温主导亚洲高山区北部和西部冰川的退缩,而降水增多是亚洲高山区南部冰川扩张的首要控制因子。本研究有助于加深理解全新世中期亚洲高山区冰川的变化格局和驱动因子。     

青藏高原隆升气候效应的数值模拟研究进展概述

青藏高原隆升作为新生代的重大地质事件对亚洲乃至全球气候环境变化产生了深远的影响,因而高原隆升的气候环境效应一直是备受关注的重要科学问题。在过去近半个世纪中,国内外学者利用气候数值模式开展了大量高原地形气候效应的数值模拟研究,这些研究结果极大地提升了对地形抬升影响气候的物理机制以及高原隆升对古气候演化驱动作用的认识。本文简要回顾了过去有关青藏高原隆升气候效应数值模拟研究的进展,并按照高原隆升模拟研究发展的3个阶段总结了目前取得的主要研究成果。从数值模拟结果看,新生代以来青藏高原在隆升、生长和北移过程中其动力和热力作用对东亚季风的形成、南亚季风的演化、内陆干旱化的发展以及亚洲季风-干旱环境格局的变迁都具有深远的影响。青藏高原及其周边不同区域地形隆升的气候效应不同,青藏高原隆升的气候效应与大陆漂移背景下海陆分布和古地理格局的变化密切相关。南亚热带季风的建立是由大陆漂移的位置和热带辐合带季节性移动共同决定的,而东亚季风的建立则主要取决于青藏高原的隆升和北移。亚洲副热带干旱区的存在取决于大陆的位置和行星尺度副热带高压的控制,而亚洲内陆中纬度干旱区的形成则是青藏高原隆升的结果。本文最后简要梳理了高原隆升气候效应数值模拟研究目前存在的问题和未来可能的改进。     

我国气候变化将比模式预期的小吗？谁驱动了亚洲季风的演化：一个瞬变模拟试验的启示

亚洲季风演化受到地球轨道参数强迫,尤其是岁差所引起日射变化的显著影响,但关于其驱动机制的争议仍然存在,且集中在“零相位”和“南半球潜热”两种假说上。两个假说都得到了部分地质证据的支持,因此亟需相应的数值模拟,尤其是长期瞬变试验的检验。长期瞬变模拟试验可以对气候的连续演变进行模拟,并能与地质证据进行对比,有助于深入认识亚洲季风系统演化的内在物理机制。但由于计算能力的匮乏,过去的古季风数值模拟多为“时间片”模拟,这使得季风变迁机理研究受到限制。文章通过一个海－气耦合模式的长期瞬变试验,讨论了轨道日射的变化特征,证明过去280ka亚洲夏季风降水对日射有十分显著的响应,且与北半球初夏日射变化相位接近,部分支持了“零相位”假说。同时,模拟结果还揭示了随意选取日射参考标尺会导致缺乏内在物理机制的位相关系,合理选择日射参考以及明确地质记录的气候学意义在古季风强迫－响应机制研究中十分重要。     

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。     

过去1000年气候模拟比较和机制分析

利用中等复杂程度模式MPM­2进行的多情景1000年气候模拟试验和全球海气耦合气候模式ECHO­G进行的1000年长时间积分气候模拟试验结果,分析了过去1000年全球气候变化特征及其与各强迫因子变化的关系,并与部分温度重建资料作了对比,探讨了近千年气候变化的原因和驱动因子。模拟和重建结果均反映出了大约出现在1000～1300年的中世纪暖期、1300～1850年的小冰期和1860年之后的全球升温期。对于1300～1850年的小冰期和1860年之后的升温期,模拟和重建的趋势基本一致,尤其是1670～1710年Maunder太阳黑子最小期时,模拟和重建结果吻合很好。各因子及其组合的强迫试验表明,在不同典型气候时期,强迫因子的作用是不一样的。1000～1300年的中世纪暖期,模拟与重建资料存在一定的位相差异和幅度差异。从整体上来看,模式得出的温度距平值要小于重建温度距平值。在1000年尺度上,太阳辐射、火山活动和温室气体对全球温度变化都有重要意义,但表现的时间不同。在最近百年尺度上,温室气体含量的变化对温度的变化起着相对更为重要的作用。     

盆地的形成和充填过程模拟──以拉伸盆地为例

沉积盆地定量动力学模拟和分析是目前地学领域的一个研究热点。文中建立的拉伸盆地模拟系统可模拟拉伸盆地的沉降过程、估算盆地的拉伸量、分析盆地深部结构和热流背景;动态模拟盆地的充填过程及预测层序格架和沉积体系域的分布样式。沉降和热史模拟结合了二维的回剥法和简单或纯剪切的盆地形成模型。盆地充填模型综合考虑了盆地的构造沉降、均衡作用。沉积物供给。海（湖）平面变化等对盆地充填过程的控制作用。对莺、琼盆地模拟分析揭示了盆地的幕式拉伸过程和深部热演化;层序模拟提示了盆地沉降。海平面变化等对盆地充填演化的控制作用。     

岩溶洼地形成演化过程的FLAC数值模拟初探

以典型喀斯特洼地——贵州省平塘县高务洼地为地质原型，在查清其发育特征的基础上，用FLAC^3D数值模拟方法，对其发展演化过程进行了三维动态仿真，从而从地质力学的角度得出岩溶洼地形成的动力演化机制。     

猪野泽记录的季风边缘区全新世中期 气候环境演化历史*

通过季风边缘区石羊河古终端湖猪野泽QTL剖面年代学及沉积物粒度、碳酸盐、有机碳、碳氮比和有机质稳定同位素等多项气候代用指标的综合分析,建立了季风边缘区9~3cal.kaB.P. 的古气候演化序列。结果表明,9cal.kaB.P. 到7.8cal.kaB.P. 期间,流域的水分条件和温度逐渐上升,植被状况好转,此时气候逐渐转暖湿;而在7.8~7.5cal.kaB.P. 出现了显著的百年尺度的干旱事件,沉积物主要以砂质沉积为主,此时湖泊生产力显著下降;全新世期间最为暖湿的气候适宜期出现在7.5~5.0cal.kaB.P.;约5.0cal.kaB.P. 以来,该区域出现了较为明显的干旱化趋势。另外,对猪野泽地区的白碱湖的湖泊地貌学和年代学研究表明该区域在7.5~5.0cal.kaB.P. 出现了3次高湖面,并且湖岸堤时序变化指示了全新世后半期湖泊逐渐退缩的过程进而指示该区域出现了显著的干旱化趋势。     

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。     

黄土崩塌破坏模式及离散元数值模拟分析

黄土崩塌是黄土高原区最常见、致灾最为严重的一种地质灾害.首先,从黄土地形地貌、黄土类型及结构、黄土垂直节理、坡脚侵蚀、降雨、人类工程活动等方面分析了黄土崩塌的成因,认为黄土中的垂直节理和坡脚侵蚀作用是造成黄土崩塌的主要原因;其次,通过野外黄土崩塌变形破坏特征及地质现象分析,将黄土崩塌归纳为拉裂-坠落式、拉裂-倾倒式、拉...     

数值模拟软件FLAC及其在地学应用简介

拉格朗日元法是一种常见的数值计算方法,以有限差分程序FLAC软件为例,简单论述其原理,分析了它的优缺点并叙述其工作流程,表明其非常适合解决非线性、大变形问题.同时通过介绍了在国内外地学方面的一些应用实例,对数值模拟技术在国内地学方面的应用和研究提出一些建议.     

辽河盆地东部凹陷北段生排烃史模拟及分析

本区的生排烃史的研究是基于地史、热史的模拟基础上进行的,生排烃史的模拟是含油潜力预测的有效手段。从生烃强度来看,本区的生烃强度中心位于牛局-青龙台构造带,说明东部凹陷北段具备生烃洼陷,是形成独立的含油气系统的基础。本区三套烃源岩为:沙三段下部、沙一段和东营组。各时期的排烃量在东营组沉积末期达到高峰,反映了东营组末期右旋走滑运动对油气运移的巨大影响,是油气幕式运移的有利证据。本区的排烃强度中心位于牛局-青龙台构造带,油气呈发散式向两侧运移,因此,除本区的牛局-青龙台构造带外,茨榆坨高垒带和东部陡坡带也是油气聚集的有利场所。东营组时期是排油及排气量最大时期,占总排油量35.87%,占总排气量90.2%,沙三段沉积末期的排油量仅次于东营组沉积末期,说明本区的含油气系统至少有两个关键时刻。