早新生代温室气候及冰期气候转型的模拟研究

早新生代是地质史上最后一个温室气候期,随后南极冰盖形成,地球进入到晚新生代冰期。温室气候的成因和冰期气候转型的机制一直是国际相关学界关注的问题。评述国际上对此开展的古气候模拟,反映了早新生代温室气候受到了海洋和大陆的地理位置、暖海洋温盐环流和海洋热输送、太阳辐射和大气CO2浓度变化的作用和影响。古气候模拟还反映了早新生代温室气候转向冰期气候,受到了大洋通道改变和高原构造隆起、大气成分变化以及海陆生态系相互的作用和反馈。这些古气候模拟试验锁定在气候变化的关键时段和重要驱动因子,对测试地球内外驱动力和地球各圈层反馈作用提供了重要的科学依据;温室气候以及趋向冰期气候的模拟研究对探讨气候变化内在机制、预测未来气候具有重要意义。      

大洋碳循环与气候演变的热带驱动

20世纪气候演变研究的最大突破,在于地球轨道变化驱动冰期旋回的米兰柯维奇理论。然而近年来学术界对热带过程和大气CO2浓度变化的研究进展,暴露了传统的轨道驱动理论存在着对低纬区和碳循环在全球气候系统中作用估计不足的严重缺陷。国家重点基础研究发展计划项目"大洋碳循环与气候演变的热带驱动"拟以南海与西太平洋暖池的深海记录为依据,进行全球性对比和跨越地球圈层的探索,通过观测分析结果与数值模拟的结合、地质记录与现代过程的结合,检验和论证大洋碳储库长周期变化机制的假说,对于不同时间尺度上低纬过程如何通过碳循环在全球气候环境演变中的作用,实现理论上的突破。同时简要介绍了该项目的目的、科学意义、关键科学问题及预期目标等。     

中中新世气候转型期太平洋深层环流变化与碳循环

中中新世气候转型(14.2～13.9 Ma)是全球联动的一个快速气候变化事件,冰盖、洋流和碳循环均发生显著变化,厘清其驱动机制对理解新生代全球变冷有重要意义。对此已有研究提出2种假说：一种重视洋流重组,另一种则突出碳循环的重要性,但二者都无法完美解释中中新世气候转型的种种现象。实际上,冰盖—洋流—碳循环三者形成耦合的系统,共同造成地球气候变化。综合已有的地质记录,两类机制均导致深部大洋碳储库增大,大气p CO₂降低,并进一步促进气候变冷和冰盖增长,表明不同子系统之间的耦合作用引起气候突变。相较于碳循环过程和冰盖变化,学术界对中中新世气候转型期间洋流变化的了解较少,特别是南大洋和太平洋深部水团。未来的研究应聚焦于深部太平洋的洋流变化,以便更全面地完善对中中新世气候转型的理解。     

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录（II）：气候变化的热带驱动与碳循环

地球轨道变化驱动冰期旋回的理论是气候演变研究在20世纪的最大突破。然而以65°N太阳辐射量为准的传统轨道理论，忽视了低纬区和碳循环的作用。本项目以“西太平洋暖池”为重点，通过地质资料和气候数值模拟的结合，揭示了“西太平洋暖池”和东亚季风发育的阶段性，发现了暖池海区冰消期表层水升温超前于北半球冰盖的融化。在南沙海区发现了碳同位素有40~50万年长周期，经过全球对比和对意大利上新世地层的实测与分析，证明这是世界大洋碳储库对于地球运行轨道偏心率长周期的响应，并推测是通过浮游植物群改变有机碳在海洋碳沉积中的比例所致。研究表明热带驱动和碳循环在气候演变中重要性，其正确认识是预测气候长期演变趋势的前提。是“深海973”项目总结报道之后的续篇，对上述成果作专题讨论。     

极地地质钻探研究进展与展望

南北极在全球海平面变化和碳循环中扮演着关键角色,并蕴藏着地球如何从新生代初期的温室转向现代冰室演变过程的关键信息,因而成为地球科学研究的热点地区。极地地质钻探计划(如DSDP/ODP/IODP/ICDP)研究所取得的成就令人瞩目,刷新了人类对过去全球变化的认识,成为探究地球气候系统演化的一个窗口。通过这些钻探计划,发现了新生代以来气候变冷,南北极冰盖几乎同时形成;揭示了南极冰盖形成和陆地风化的加剧,导致南极中深层水和底层水的生产加速并向北推进,造成全球大洋环流的重大变化;南大洋对大气CO_2的调控作用、全球大洋深部循环、营养盐的分布和海洋生产力等多方面在不同时间尺度上都发挥着重要作用;检验了南北极冰盖形成和消融与海平面变化的关系,为人类预测未来海平面变化提供了历史依据。未来的南北极国际大洋发现(IODP)计划将继续关注于极地冰盖的演变历史、南大洋古海洋学演变历史,追踪北极海—陆环境的联系及其对全球气候的影响。这些结果将对未来全球气候预测提供重要的参考和边界条件。     

冰期指数法模拟北半球冰盖演化的不确定性研究

IPCC第六次评估报告（AR6）显示,自20世纪起极地冰盖持续消融,全球海平面不断上升。目前对于地球冰盖未来的预测以及过去的演变历史尚不明确,而数值模拟能够提供一种有效的解决方案。在冰盖模拟研究中,冰期指数法可依据古气候代用指标将离散的气候强迫转化为连续的气候强迫,用于冰盖演变的瞬态模拟。基于该方法,利用2组（共6条）分别代表全球海平面和温度变化的代用指标,开展末次冰期旋回北半球冰盖的时空演变模拟研究,结果表明：(1)模拟的冰量演变特征受指数的变化趋势控制;(2)在指数变化特征（轨迹和变幅）相似时,千年尺度气候突变事件的存在会导致模拟的总冰量偏少;(3)在同一气候强迫下,不同指数模拟的最大冰盖范围受夏季0℃等温线的约束,同时指数的演变轨迹与变幅也会影响末次冰期盛冰期冰盖模拟的空间分布。因此,在利用冰期指数法开展冰盖瞬态模拟研究时,需根据关注的研究区域选取有代表性的指数并考虑古气候代用指标（即冰期指数）的不确定性对模拟结果的影响。     

更新世冰盖与大洋碳储库相互作用的箱式模型模拟

全球大洋深海有孔虫碳同位素(δ13C)记录中广泛发现40万年周期,这一周期可能与偏心率长周期的轨道驱动有关.1.6 Ma以来,δ13C的这一长周期拉长到50万年,且重值期不再与偏心率低值对应.目前对δ13C 40万年周期的成因及其周期拉长的机制还不明确.这里使用了包含9个箱体的箱式模型,用于研究热带过程与冰盖相互作用及其对大洋碳循环的影响.模拟结果显示当北半球高纬海区海冰迅速增大时冰盖迅速融化,进入冰消期,而当海冰快速消失后,冰盖则重新缓慢增长.冰盖变化具有冰期长,间冰期短的非对称形态.在季节性太阳辐射量的驱动下冰盖变化具有10万年冰期-间冰期旋回.当冰盖融化速率受北半球高纬夏季太阳辐射量控制时,冰盖变化的岁差周期明显加强,相位与地质记录一致,说明轨道驱动可以通过非线性相位锁定机制使冰盖变化与其在相位上保持一致.海冰的阻隔效应使大气中CO₂在冰消期时增多.冰期时大洋环流减弱使大气中CO₂逐渐减少.当模型只有ETP驱动的风化作用而不考虑冰盖变化时,模拟的δ13C记录显示极强的40万年周期,体现了大洋碳储库对热带风化过程的响应.当同时考虑冰盖变化和风化作用时,模拟的δ13C结果中40万年周期减弱而10万年周期加强,并且40万年周期上碳储库与偏心率的相位与不考虑冰盖变化时的相位也存在差异,反映了冰盖变化引起的洋流改组压制了大洋碳循环对热带过程的响应.      

始新世—渐新世气候转变研究进展

始新世—渐新世（E—O）气候转变（34 Ma前后）是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义。近年来地质记录和气候模拟在E—O转变研究上取得了一系列重要进展：①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E—O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500 ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温（对应于E—O转变的第一阶段）相关。当前对E—O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E—O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。     

The Eocene-Oligocene Climate Transition: Review of Recent Progress

始新世—渐新世(E-O)气候转变(34Ma前后)是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”.这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义.近年来地质记录和气候模拟在E-O转变研究上取得了一系列重要进展:①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E-O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温(对应于E-O转变的第一阶段)相关.当前对E-O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足.更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E-O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据.     

解读过去、预告未来:IODP气候与海洋变化钻探研究进展与展望

2013年启动的国际大洋发现计划(IODP)针对当前大气温室气体浓度急剧升高和全球变暖的气候变化现状,提出全球气候对CO2增高的响应、冰盖和海平面对全球变暖的响应、中—低纬水文循环的变化机制以及海洋碳化学体系的缓冲能力等4个科学挑战。截至2017年8月已经完成的8个IODP气候变化主题航次聚焦于亚洲—太平洋—印度洋区域的季风过程和西太平洋暖池的新生代演变,着重探索轨道—千年尺度上亚洲季风系统的变化特征和主导机制,以及构造时间尺度上亚洲季风与青藏高原隆升和剥蚀的动力联系。未来2年IODP将瞄准南半球高纬的冰盖、海冰、洋流和碳循环等气候因子,重点考察新生代西南极冰盖和海冰变化、白垩纪和古近纪南大洋的海洋环流和碳循环等。因此,IODP旨在深入探索以亚洲季风和西太平洋暖池为代表的热带海洋气候过程和以西南极冰盖为代表的高纬气候因子在多种时间尺度上的演变,为认识当前气候变化、预测未来气候趋势提供自然变化的科学依据。中国的优势在于全球季风概念和热带驱动假说方面的研究,特别是巽他陆架的气候效应。     

南大西洋渐新世初碳酸盐记录(ODP 1263站)

渐新世初期,南极大陆在短时间内出现永久性冰盖,地球由两极无冰进入到单极有冰的特殊时期。越来越多的研究表明,这一重大气候转型事件与大气CO2及大洋碳储库的变化密切相关。南大西洋ODP 1263站碳酸钙软泥的粒度分析揭示了在渐新世初期发生的强烈碳酸盐溶解事件,碳酸盐溶解超前于底栖有孔虫氧同位素重值约100 ka,显示碳酸盐溶解事件先于南极冰盖的形成。由于碳酸钙泵的作用,碳酸盐的溶解会消耗大量的大气CO2,从而可能驱动了气候的快速变冷,导致南极大陆永久性冰盖发育。     

现代岩溶学和全球变化研究

广泛的全球岩溶对比和地球系统科学理论的引入以及研究方法的解决，推动了现代岩溶学的发展，从而显示其在全球变化研究中的重要性。现代岩溶学的新发展在全球变化研究中具有两方面意义：一是岩溶作用在大气温室气体ＣＯ２源汇关系中的效应，初步估算全球岩溶作用每年可由大气回收６．０２×１０８ｔ碳；二是由岩溶记录提取高分辨率的环境变化信息。我国大陆岩溶不但面积辽阔，而且碳酸盐岩古老坚硬，新生代以来大幅度抬升以及未受末次冰期大陆冰盖的刨蚀破坏，因而保留第四纪环境变化的信息量很大。我国季风区水热配套，岩溶作用的季节和地区反差明显，极有利于进行岩溶作用与大气ＣＯ２源汇关系研究。我们应该充分发挥这种地域优势，为全球变化研究作出应有贡献     

南极冰盖NO－3浓度记录研究进展

综述了近年来南极冰盖雪冰中NO－ 3浓度的影响因素、NO－ 3的来源、沉积后变化及其浓度的时空变化特征的最新研究进展。尽管质子事件、超新星活动、陨石事件、火山喷发和核试验等各种突发事件都可能对南极雪冰中NO－ 3浓度产生影响,但综述和模拟结果表明中低纬度对流层闪电和极地平流层来源可能是南极雪冰中NO－ 3浓度本底的主要来源。综合研究表明,南极冰盖雪冰中记录的NO－ 3浓度可能是其来源、传输路径、沉积过程以及沉积后变化等的综合反映。     

箱隔式拦河闸的抗冻胀研究与实践

传统的中小型拦河闸受冻害破坏较普遍而严重，新型的箱隔式拦河闸通过其总体布置，结果形式本身圆满地解决了复杂的冻害问题，不需外加任何特殊的防冻措施，箱隔式闸总体布置简单，阵线集中，薄弱环节少，受冻部位及面积小，基础在一个平面上均用水保温防冻，消除了基底法向冻胀力的危害，箱隔对称水平冻胀力大部分通过箱隔传递作用而衰减或平衡。     

轨道及千年尺度上大气CO2浓度与温度变化的时序关系

大气CO2浓度与温度变化的时序关系是第四纪古气候研究的基本问题之一,对于理解目前人类所面临的气候变化问题具有参考价值。两极地区的冰芯既保存了气候变化的信号,也是大气CO2浓度的良好记录载体,为研究大气CO2浓度与温度变化的时序关系提供了重要线索。利用冰芯来重建过去的气候和大气CO2浓度的变化历史最早始于格陵兰地区,但是重建结果的时间跨度较短,目前最长的记录还未能跨越末次间冰期;而且,格陵兰冰芯内沉积了大量的碳酸盐粉尘,它们会与冰芯气泡内的酸发生化学反应生成额外的CO2,从而导致格陵兰冰芯重建的气泡CO2浓度偏差较大,不能真实地反映当时的大气CO2水平。南极冰芯是目前关于大气CO2浓度与温度变化时序关系研究的主要载体,利用大量的冰芯记录建立的冰层年代标尺已经较为精确,但是由于冰芯气泡的锁定深度较难得到精确的估算,使得重建的大气CO2浓度的年代标尺还存在较大的不确定性,这是二者之间的时序关系问题难以解决的最主要因素。此外,随着大量高质量古气候记录的不断积累,更大空间范围(不再局限于南极地区)内的温度变化与大气CO2浓度的时序关系研究在近年来得以开展,但其分析结果受数据处理方法的影响较大,还需要进行更多的对比探索。     

古气候数值模拟:进展评述

数值模拟是古气候研究的一个重要内容。过去30年来,古气候数值模拟研究在相当程度上深化了我们对古气候变化机制的理解。在轨道尺度上,数值模拟证明了冰后期气候系统变化主要是对地球轨道参数变化的响应,同时揭示了温室气体、植被、海洋、冰盖等反馈因子的重要性。针对短尺度气候变化,数值模拟揭示出大洋传送带对北大西洋淡水注入的敏感性。在构造尺度上,数值模拟揭示了气候系统对于高原抬升、海道开合、大陆漂移导致的古地理变化、大气CO2浓度变化和太阳常数变化等的响应,揭示了气候系统突变对驱动因子阈值的敏感性。目前,古气候模拟研究中还存在分辨率不高、模拟结果与记录不完全吻合、模拟的边界条件不清楚等诸多问题。今后古气候模拟研究的改进有赖于模式的改进和计算机运算速度的提高,也有赖于对变化机制的更深理解和对边界条件更精确的重建。     

浅析新生代气候变化与大气温室气体浓度的关系

摘要：根据国内外相关研究结果,对新生代气候变化与温室气体(特别是CO2)浓度在不同时间尺度上的可能关系进行初步归纳和探讨。在构造、轨道和千年时间尺度上,气候变化和温室气体浓度均有显著的相关性,表明温室气体无疑是影响地球气候系统的重要因素。同时,两者亦具有显著的“非耦合”特征,包括新近纪构造尺度上CO2相对稳定水平下的全球变冷和冰量扩张、轨道和千年尺度上CO2浓度变化滞后于气候变化、两半球气候的不对称演化等;两者变化的幅度、趋势和变率也常有不同。这些特征中的多数并不能用地球轨道参数的变化来直接解释,表明除太阳辐射和温室气体外,气候系统内部的其他一些因素或过程有时对过去的气候变化起到了决定性的作用。气候变化与温室气体浓度之间可能存在一种自调节功能,构成一个自调节系统而相互调控,而目前我们对这类过程与机理所知尚少。CO2、CH4等作为温室气体,在上述不同时间尺度的气候变化过程中,无疑对气温具正反馈效应。地质尺度上气候变化与温室气体浓度的关系与机理有助于理解当前全球增温的机制,但把过去与现在类比的同时,也要考虑其他边界条件的不同。加强气候模拟与记录对比的研究,对理解上述问题有望发挥重要作用。 关键词：新生代气候;温室气体;碳循环;人类活动