过去2000年3个典型暖期北半球季风降水的模拟研究

理解北半球季风降水在暖期的变化特点及其对外强迫的响应对现代社会经济发展至关重要。文章基于通用地球系统模式（CESM）过去2000年气候模拟试验结果和气候同化资料（LMR）,探究罗马暖期、中世纪气候异常期和现代暖期北半球季风降水的特征及其成因机制。结果表明：在这3个典型暖期中,北半球季风降水都呈现增加的趋势,其降水异常场的空间分布是相似的,但是3个暖期的季风降水强度截然不同,罗马暖期和中世纪气候异常期降水强度相似,而现代暖期季风降水强度明显强于前两个暖期,其降水异常值约为前两个暖期的1.2倍。3个暖期的降水增多均由热力作用主导,其中罗马暖期和中世纪气候异常期主要受到太阳辐射增强而引起的热力作用增强的影响,火山活动微弱导致的动力作用增强也有一定的贡献;而在现代暖期,太阳辐射和火山活动对于热力、动力的贡献与前两个暖期相似,但是温室气体增多引起热力、动力作用显著增强,从而导致现代暖期总的热力、动力作用都明显高于前两个暖期。

     

全球过去千年典型暖期温度空间格局重建

利用过去两千年全球变化研究网络(PAGES 2k network)最新公布的501条代用记录, 重建了全球过去千年全年平均温度空间格局的演化特征, 对比分析了中世纪暖期及其最暖100年与20世纪现代暖期、中世纪暖期和小冰期最暖30年与20世纪最近30年的年平均温度空间模态异同。结果显示, 在世纪尺度上, 现代暖期与历史上中世纪暖期的温度异常空间格局大致相同, 变化幅度也在大部分区域相当, 但从年代际尺度上, 最近30年的升温比过去千年中世纪暖期和小冰期两个典型时期都明显。值得一提的是北大西洋中高纬度海温变化与上述特征并不相同, 在年代际和世纪尺度上小冰期和中世纪暖期海温均高于20世纪。可能原因是大西洋经圈翻转环流在中世纪暖期、 小冰期和20世纪现代暖期等3个特征时段对太阳辐射、火山活动和温室气体等外强迫的响应不同。     

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。

     

全新世中国热带北界变迁的探讨

本文根据孢粉、动物群、石笋、珊瑚礁、红树林等约30个全新世古环境分析实例,认为年均气温变化2℃左右,就会引起热带界线的变动。热带北界的迁移过程可分3个阶段:全新世回暖期北返阶段(11000～8500aB.P.),热带北界北移1.5个纬度;升温期北进阶段(8500～5000aB.P.),向北推进3～5个纬度;降温期南归阶段(5000～3000aB.P.),向南回归1～4个纬度。热带北界的展布既有纬度地带性,也有经度地带性,这与东亚季风、寒潮、台风的影响以及地形格局有关。     

3 500 aBP我国北方农牧交错带降水突变的幅度与速率

考古信息与历史文献记载一样是环境演变研究中独具特色的信息源.文章以考古信息为依据对中国北方农牧交错带地区3 500 a BP前后降水突变的幅度与速率进行了推断.中国北方农牧交错带分布在年降水量250～400 mm的地区,降水变化对该地带的影响十分显著.在位于北方农牧交错带内的内蒙古中南部及陕北、晋西北地区,大量的考古遗存详细记录了3 500 a BP前后该地区内土地利用性质的时空变化过程,可以用来定量地估算3 500 a BP降水突变的幅度和速率.4 200～3 400 a BP期间,在内蒙古中南部及陕北、晋西北地区先后发育了朱开沟文化和李家崖文化.文化的演变过程可分为两个阶段:从朱开沟一期到朱开沟二期为第一阶段(cal.4 000～3 800 a BP),在朱开沟文化区发生了从农业文化转变为农牧交错文化、进而变为畜牧业文化的过程,相当于从农业区的北界变为农牧交错区的北界;从朱开沟文化二期结束到李家崖文化为第二阶段(cal.3 800～3 400 a BP),期间农牧交错带的北界显著地向东南退缩.上述考古学文化的变化可以看作是人类对3 500 a BP前后降水突变的响应.4 000 a BP前后是从农业文化向半农半牧文化转变的临界点,其降水量大致与现代农牧交错带南界的降水量相当,为350～400 mm;3 800 a BP前后是从半农半牧文化向牧业文化转变的临界点,其降水量与现代农牧交错带北界处的降水量相当,即为250～300 mm,两相对比,从4 000 a BP到3 800 a BP的200 a中降水至少减少100 mm.从cal.3 800～3 400 a BP,农牧交错区北界的位置向东南退缩,相当于从现代年等雨量线400 mm左右一线南移到现450～500 mm左右一线,400 a中降水量减少50～100 mm左右.因此,从cal.4 000～3 400 a BP的600 a中,降水总体上呈减少的趋势,降水量总计减少150～200 mm,降水减少的平均速率为25～33 mm/100 a.     

中国过去1500年典型暖期气候的模拟研究

利用地球系统模式CESM的过去1500年气候模拟试验结果, 分析了中世纪暖期和现代暖期中国区域温度和降水变化特征的异同, 并对形成原因进行了初步探讨。研究表明: 中国的温度变化在中世纪暖期和现代暖期有着显著的区域差异, 且年代际变化特征亦不尽相同。现代暖期的温度存在一个明显的年代际突变, 这一突变是由温室气体含量的变化引起的, 且现代暖期温度变化的空间格局受人为因子影响较大。中世纪暖期温度变化的空间格局主要受太阳辐射变化的影响, 其次是土地利用/覆盖和火山活动。中国的降水变化在两个增暖期其时空格局较类似, 其主要模态均体现为西部与东部反相, 华南与华北反相。影响降水变化空间格局的因子较复杂, 各外强迫因子的作用互补。     

上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化的模拟对比研究

亚非夏季风降水对当地农业、水资源管理、粮食安全以及生态系统等均有广泛影响, 其对全球变暖的响应特征是一个重要的科学问题。本研究基于上新世模式比较计划(PlioMIP2)的15个上新世暖期模式模拟数据和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的31个高排放情景SSP5-8.5模式模拟数据, 对比分析了上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化特征的差异及其成因机制。结果表明: 在这两类气候增暖背景下, 亚非夏季风降水都呈增加的趋势, 然而对应于全球平均1 ℃升温, 季风降水在上新世暖期的强度增幅(0.24 mm/day/℃)明显大于其在未来增暖情景的强度增幅(0.17 mm/day/℃), 前者降水异常值约为后者的1.4倍。这种差异主要源于, 对应于全球平均1 ℃升温, 上新世暖期中高纬增温幅度显著强于未来增暖情景, 而低纬度较小。上新世暖期低纬和北半球中高纬度之间的经向温度梯度减弱幅度更大, 有利于亚非夏季风环流显著增强, 从而导致亚非夏季风降水强度显著强于未来增暖时期。本研究表明, 气候增暖背景下低纬与中高纬度之间的经向温度梯度变化对亚非夏季风具有显著影响, 准确衡量暖期南-北半球间经向温度梯度的变化对预估区域季风和水循环变化至关重要。

     

近千年来三个气候特征时期东亚夏季风的模拟对比

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G的近千年连续积分资料,选取与降水关系较好的东亚夏季风指数,对不同气候特征时期的东亚环流及季风影响因子进行了探讨.结果表明用海陆热力差异定义的东亚夏季风指数Isun在年际尺度上较好地体现了长江流域及华北地区降水的变化,而利用850 hPa纬向风场定义的指数Iwang在年代际尺度上较好地体现了长江流域的降水变化.从不同气候特征时期的环流来看,中世纪暖期夏季风最强,东亚大陆降水明显偏多,现代暖期夏季风较之有所减弱,而小冰期则是夏季风最弱的时期,东亚大陆的降水明显偏少.不同气候特征时期夏季风指数与海温的相关表明,ENSO事件对东亚夏季风的影响在现代暖期有所增强,而与外部强迫因子的相关揭示出中世纪暖期有效太阳辐射变化是影响东亚夏季风变化的主要因子,现代暖期则是温室气体对夏季风的影响更重要.     

北半球及其各大洲过去1200年温度变化的若干特征

利用近年来发表的北半球、北半球各大洲及中国近千年温度序列, 分析了年代至百年尺度上北半球和中国温度变化之间的异同性、北半球各大洲百年尺度典型暖期和典型冷期的位相差异, 并比较了中世纪典型暖期与20世纪暖期的温暖程度差异。结果表明:1)在150~200年周期段, 北半球和中国平均温度变化主要受太阳活动的影响, 具有相似的变化特征; 2)在50年和100年的尺度上, 北半球和中国温度的变化速率具有相似性, 近150年来二者都表现出持续的增温趋势; 3)北半球洲际尺度上不存在起止时间相近的百年尺度典型暖期和冷期; 4)北半球、中国及其他大洲最近30年(1971~2000A.D.)的温度较中世纪(800~1250A.D.)任何30年时段都要高, 而最近100年(1901~2000A.D.)的温度只有北极地区显著高于中世纪最暖100年。     

青海湖近千年来气候环境变化的湖泊沉积记录

本文通过对青藏高原上所钻取的古里雅冰芯和青海都兰树轮高分辨率气候变化记录的对比,分析了过去近2 000a来的气候变化特征.结果表明:1)这两个地区过去2 000a来温度都在波动中逐渐上升,展示了气候逐渐变暖的趋势.进入20世纪以来,气候显著变暖,并有加速变暖的趋势;2)树轮和冰芯均明显地记录了小冰期的3次冷期,其出现的时间基本上一致.小冰期并不是过去2 000a来的最寒冷的时期.冰芯和树轮记录均表明公元初的寒冷程度要大于小冰期;3)古里雅冰芯所记录的温度和降水量揭示出,过去近2 000a来的降水和温度变化的总趋势是正相关关系;但在短时间尺度上,温度和降水的变化并不同步.这主要表现在两个方面,一是温度长期变化中的低频波动频率要大于降水,二是虽然温度和降水的变化在百年级时间尺度上有正相关性,但降水的变化要滞后于温度变化50～100a;4)同时周期分析表明,古里雅冰芯中的δ180和积累量以及都兰树轮记录的变化周期大多数与太阳活动有关,表明青藏高原地区冷、暖、干、湿变化的主要驱动力可能是太阳活动的变化;5)对这两记录的对比研究也揭示了气候变化的区域差异.如中世纪暖期在都兰树轮记录中很强而在古里雅冰芯记录中很弱,而都兰树轮记录中,中世纪暖期以后至1 800A.D.在波动中变冷,但在古里雅冰芯记录中这一时期在波动中变暖.     

太白山最近1000年的孢粉记录与古气候重建尝试

秦岭太白山佛爷池最近1000年的孢粉记录及据此所重建古气候参数的时间序列,揭示了历史时期小冰期和中世纪温暖期的气候特征。小冰期的起止时间为1420-1920aAD。其1月与7月平均温度反映本区夏季风与冬季风的变化有很大的不一致性。小冰期开始时,冬季风突然增强,夏季风显示不稳定波动,并相对变弱,而降水一度增多。小冰期的结束是以冬季风逐渐减弱为先导,而夏季风呈突然增强势态,降水偏少。在中世纪温暖期中,1200-1340aAD发生快速气候波动,出现暖夏、冷冬等特征气候,成为历史上少见的灾害性气候时段。      

中国北方农牧交错带与非洲萨哈尔地带全新世环境变迁的比较研究

中国北方农牧交错带和非洲萨哈尔带均为处在季风尾闾带的干旱向半湿润气候过渡的地带。通过对比分析 ,发现两个地带自然地理环境及其全新世以来的环境演变等具有很大程度的相似性 ;自全新世以来 ,两个地带均出现过几乎同步的 8个千年尺度的冷暖、干湿旋回 ;在近百年的干湿变化方面都有 10～ 2 0a变化周期 ;在少雨期和多雨期的转变过程中非洲萨哈尔带较中国北方农牧交错带提前 5a以上。这一超前信息的存在 ,为中国北方农牧交错带的气候预测提供了一个重要的前兆因素。     

新疆地区的"中世纪温暖期"——古尔班通古特沙漠四厂湖古环境的再研究

文章依据新疆天山北麓古尔班通古特沙漠东南缘的四厂湖人工剖面进行的孢粉分析、平均粒径、磁化率以及烧失量测定结果,揭示了四厂湖地区最近1000年以来的古环境特征。研究结果表明,在与被称之为"中世纪温暖期(900-1300A.D.)"相当的时段内,淡水的四厂湖湖体周边地区曾经生长着由中旱生的灌木及草本组成的荒漠草原植被,并分布有淡水沼泽隐域植被。当时气候湿润,湖区生物物种多样性增加。结合新疆其他地区的第四纪研究成果,反映出该时期新疆地区气候湿润、湖沼发育、植被生长旺盛,因此本区在中世纪时气候应称之为湿润期或适宜期。而中世纪前后,该区以旱生、超旱生植物花粉占绝对优势,湖区植物种类减少,风沙作用较强,荒漠化景观显著。     

孢粉记录的岱海盆地1500年以来气候变化

根据岱海盆地99A孔1.84m以上地层较高分辨率的孢粉资料,运用中国北方部分科属花粉-气候响应面定量恢复了岱海盆地1500aB.P.以来的七月平均气温和年均降水量。研究结果表明,岱海盆地的气候变化表现出明显的过渡带特征,1500aB.P.以来,七月平均气温除1500～1300aB.P.时段外,多低于现在;1500～980aB.P.岱海盆地的气候变化为温干-冷湿交替,980～400aB.P.以凉干-冷湿交替为特征,400aB.P.以来变为凉干-温湿的交替。980aB.P.以来,伴人植物草、荨麻花粉增加,表明人类活动加剧。是否是人类活动的加剧导致了400aB.P.以后岱海盆地气候变化格局的改变,值得进一步研究。     

中世纪暖期前后我国雷洲半岛地区的古气候变化

本文对位于雷洲半岛湖光岩玛珥湖湖沉积物进行了年代学(137Cs、AMS 14C)及总碳(TC)、氮(TN)、无机碳(IC)的分析。对于湖光岩玛珥湖这一热带地区封闭湖泊而言,无机碳含量的变化可能受降水量-蒸发量控制。有机碳、氮的变化可能反映了湖泊生产率及营养状况的变化。在热带地区,湖水温度变化不大,温度可能不是藻类生长的主要控制因素,降水量的增加及湖泊营养物质的变化可能是有机碳、氮含量增加的主要原因。碳酸盐含量的高值期对应于有机碳、氮的低值阶段。1400a来碳酸盐含量有两个高值阶段,分别为AD 880~1260和AD 670~760.这两个高值阶段可能也是干旱期。湖光岩玛珥湖地球化学指标所揭示的干旱期与安徽龙感湖硅藻和孢粉的研究结果有较好的对应性,可能表明我国南部地区中世纪暖期可能存在一个干旱期。      

981~1040年开封牡丹观赏记录及其对北宋气候冷暖变化的指示

丰富的历史文献是我国过去全球变化研究的优势条件,然在"中世纪暖期"前期,中国东部地区此类别资料中客观而具有高置信度的物候信息仍有深入挖掘的余地。为弥补这一缺憾,根据5种历史文献记载的河南开封、洛阳地区981~1040年的38条赏花日期记录,重建了这60年间开封牡丹盛花期的变化,并将其与其他文献证据、温度重建序列所反映的气候冷暖变化特征进行了对比,检验了资料的准确性。结果显示：1）开封981~1040年的气候可能略暖于现今,牡丹盛花期的均值4月21日比现今早1.0天;2）当时开封牡丹盛花期的变幅（4月11~30日）基本上未超过现代;3）牡丹盛花期呈现出0.4天/10年的微弱提前趋势,说明当时气候虽然总体上偏暖,但增温趋势不明显;4）牡丹盛花期的年代际变化可划分为平均比现今晚1.6天的981~994年、早2.8天的995~1016年、晚2.9天的1017~1030年和早6.0天的1031~1040年这4个阶段,说明当时总体上略比现今温暖的气候并不是持续温暖的;5）序列与夏秋税征收日期、水稻种植范围、柑橘分布北界、植物二次开花与再实、冬雷等其他文献证据所指示的期内各阶段气候状况比较吻合,也与中国东部及邻近地区的其他温度重建序列在冷暖变化过程上异同互现。该结果有助于更为准确地诊断中国东部"中世纪暖期"的阶段性气候变化特征,为下一步集成重建中国东部地区在"中世纪暖期"时段更长、结果不确定性更小的温度序列以及定量分析当时气候变化与社会经济兴衰之间的关系提供重要依据。