黄河流域水文气象要素变化及与东亚夏季风的关系

为研究黄河流域水文气象要素变化规律,并揭示各要素与东亚夏季风之间的潜在关系,建立了全流域VIC水文模型、MK突变检验和MK相关检验。结果表明:从20世纪80年代中期开始,流域绝大部分地区气温上升趋势明显,而降水、蒸散发、径流深和土壤湿度呈整体减小趋势,且中游地区减幅最大。各要素与东亚夏季风相关密切,但空间差异性明显。气温与东亚夏季风强度普遍呈负相关,且宁蒙河段及内流区相关性显著;其他要素则相反,正相关显著区域主要位于河口镇到三门峡区间。研究还发现相比较降水,黄土高原径流深对夏季风强度变化更为敏感。因此,对东亚夏季风的研究可为预测黄河流域内水文过程及水资源的变化提供重要的科学参考。     

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。

     

近千年东亚夏季风演变历史重建及与区域温湿变化关系的讨论

集成中国季风区石笋氧同位素记录的共同变化特征,初步建立了近千年10年平均的东亚夏季风演变序列。在10年尺度以上分析了东亚夏季风演变与其他气候要素变化之间的关系。主要结论有： 1)近千年来东亚夏季风演变可划分为中世纪时期(11～13世纪初期)的季风稍弱阶段,13世纪中后期至14世纪前半叶的季风较强时期,14世纪后半叶至17世纪的季风较弱阶段,自18世纪开始持续约200年的季风再次增强时期,以及20世纪初开始的季风逐渐减弱阶段。2)近千年来东亚大陆或北半球温度的变化虽然对东亚夏季风变化具有一定的影响,但东亚夏季风强度的变化并不总是取决于陆地温度的变化。3)近千年来东亚夏季风的强弱变化与降水变化在低频趋势上有良好的对应关系,在东亚夏季风增强的时期,中国东部降水较多,而在夏季风减弱时,中国东部降水趋于偏少。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水，是中国水资源的主要来源，同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带，与国际上近期提出的"大气河"概念相近，但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征，也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料，综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因，并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例，分析了季风水汽输送带的重要作用。最后，提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环，包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等，这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。     

全新世太阳活动对东亚夏季风百年尺度变化影响的模拟研究

太阳活动对东亚夏季风(EASM)变化有着重要的影响。本研究利用通用地球系统模式(CESM)开展了全新世气候瞬变模拟试验, 探究了全新世EASM降水百年尺度的变化特征及其对太阳活动外强迫的响应机理。结果表明: 在变化趋势上, 模拟的全新世以来EASM降水呈减弱趋势, 主要受地球轨道参数外强迫的影响。在百年尺度上, 中全新世以来太阳活动外强迫引起EASM降水出现约430年的周期变化特征, 这与高分辨率重建资料记录的周期相似。这一百年尺度变化的空间主模态呈南北偶极型分布, 北方降水与太阳活动存在显著的同期正相关, 当太阳活动增强时东亚海陆热力差异加强, 陆地海平面气压降低, 引起异常的气旋性环流, 有利于北方降水增多。南方降水与太阳活动呈负相关并滞后于太阳活动, 太阳活动通过调制赤道太平洋类拉尼娜态的海温梯度, 引起西北太平洋风-蒸发-海温的正反馈机制, 触发异常的西北太平洋气旋性环流, 从而导致南方降水减少。

     

中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风的关系

利用中国1951~2010年652站年降水资料和7种东亚夏季风和1种冬季风指数,通过多项数学统计诊断分析,来研究中国年降水量的时空变化特征及其与东亚夏季风指数的关系。结果表明,这60年间全国总平均年降水量未呈现显著的时间变化趋势,但区域间的差异大。聚类分析可提供较客观的降水分区,据554站无缺测降水资料的聚类结果,将全国分成14个主要降水区,各区之间降水变化的差异显著。由7种夏季风指数与14个区的平均年降水量(1951~2010年)的相关系数可见,其中4种夏季风指数与14个区的年降水量之间没有显著相关,有3种指数只与14区中的2~3个区有显著负相关,它们并不能指示其他区域的或整个中国东部的降水变化。中国东部地区的夏季降水分布与东亚夏季风强度变化关系十分复杂,不能仅由降水的多少来认定夏季风的强弱,更不能用任意单个地点的降水记录来表示整个中国东部的干湿状况和夏季风的强度变化。     

全球气候变化对中国未来地表径流的影响

本文应用改进的水分平衡模型研究了不同气候变化情景下中国未来地表径流的变化。结果表明:基于不同的气候变化情景模拟所得的地表径流变化在空间上有差异,总体上,中国未来的地表径流将增加;长江上游地区的地表径流春季下降但在夏季增加,而下游地区的则相反,夏季径流下降而春季径流剧增;气溶胶对地表径流变化方面有影响,但在各个气候变化情景下缺乏一致性。     

挠力河流域湿地和耕地变化对径流深的影响研究

运用线性、对数、指数和三次函数关系拟合挠力河流域1956～2000年湿地面积、耕地面积以及面降水量对径流深的影响,得出:①三次函数拟合的相关性最好;②湿地面积减少和耕地面积增加与径流深的相关性小于面降水量与径流深的相关性.通过分析湿地面积减少和耕地面积增大对径流递减贡献机理,认为湿地面积减少,降低了湿地冷湿效应,增加了陆面蒸发的潜力;湿地转变成耕地,改变了土壤对降水的再分配过程;耕地面积的扩大增大了土壤蒸发潜力;旱地改成水稻田增大了地表水的利用率和地下水的利用量,这些是流域地表径流深减小的原因.研究结论显示湿地面积的减少和耕地面积的增加对流域径流深的递减有较为明显的贡献;径流深的减小是流域呈干旱趋势的指征.     

Decoupling of the East Asian summer monsoon and Indian summer monsoon between 20 and 17 ka

Marine Oxygen Isotope Stage (MIS) 2, with its profound environmental and climatic changes from before the last glacial maximum (LGM) to the last deglaciation, is an ideal period for understanding the evolution of the East Asian summer monsoon (EASM) and Indian summer monsoon (ISM), two Asian monsoon sub-systems. With 875 stable oxygen isotope ratios and 43 ²³⁰Th dates from stalagmites in Sanxing Cave, southwestern China, we construct and interpret a new, replicated, Asian summer monsoon (ASM) record covering 30.9–9.7 ka with decadal resolution. δ¹⁸O records from this site and other reported Chinese caves display similar long-term orbitally dominated trends and synchronous millennial-scale strong and weak monsoonal events associated with climate changes in high northern latitudes. Interestingly, Sanxing δ¹⁸O and Arabian Sea records show a weakening ISM from 22 to 17 ka, while the Hulu and Qingtian records from East and Central China express a 3-ka intensifying EASM from 20 to 17 ka. This decoupling between EASM and ISM may be due to different sensitivities of the two ASM sub-systems in response to internal feedback mechanisms associated with the complex geographical or land-ocean configurations.     

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。     

南海第四纪东亚季风演化的粘土矿物指标

南海作为西太平洋最大的边缘海,记录着东亚季风的演化历史。本文在过去十多年研究积累的基础上,综述粘土矿物是记录南海东亚季风演化历史的良好指标。大量表层样品和多个沉积岩芯的研究显示,南海第四纪以来的蒙脱石主要是形成于周边岛屿火山岩的快速化学风化作用,记录了同时期的东亚夏季风气候条件;伊利石和绿泥石形成于周边大陆和岛屿的机械侵蚀作用,与强烈降雨引发的侵蚀能力或东亚冬季风相对寒冷的气候条件有关;而高岭石形成于周边陆地表面的强烈化学风化作用,指示地质历史时期累积的或第四纪同时期的温暖潮湿气候条件,但由于强烈的差异沉降作用,高岭石在南海主要沉积在近海陆架区域,在深海记录中多指示海平面变化的古环境特征。因此,我们提出蒙脱石/（伊利石+绿泥石）比值是南海第四纪东亚夏季风演化的良好指标,比值高代表夏季风温暖潮湿气候条件下增强的化学风化作用,比值低指示冬季风相对寒冷气候条件下减弱的化学风化作用,或是强烈降雨气候条件下增强的机械侵蚀作用。南海东亚夏季风演化的强弱与北半球夏季日射量基本呈线性关系,表明东亚季风演化的天文驱动机制,第四纪以来的长期演化显示南海在1200~400ka期间盛行夏季风,可能是受到赤道太平洋厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的影响。

     

全新世东亚夏季风降水穿时性的模拟研究

全新世期间东亚夏季风经历了较为复杂的演变过程,针对其降水的时空变化规律还存在争议。本研究利用TraCE-21 ka气候瞬变模拟的全强迫试验和敏感性试验数据,分析了全新世东亚不同区域降水极大值出现的时间,即东亚季风降水的"穿时性"问题,并就降水量的演变趋势和主要影响因子进行了分析。结果表明,全强迫试验中,全新世期间东亚夏季风总降水和净降水极大值最早在北方出现,然后逐渐南移,直到近代出现在南方及沿海地区,这与全新世期间东亚夏季风强度逐渐减弱相符;利用水汽收支方程对全新世东亚夏季风总降水变化进行分解,北方地区降水变化主要受动力因子的控制,热力因子的贡献占比较小,随着地区的南移,热力因子也起到了一定的贡献,不过动力因子仍是主导因素;敏感性试验进一步揭示,全强迫试验中东亚季风降水的这种"穿时性"主要受到地球轨道变化导致的海陆热力差异变化调控。     

全新世南亚高压南北移动及其与亚洲夏季风降水的关系

南亚高压是亚洲夏季风系统的重要组成部分,它的强度及位置变化对亚洲夏季风降水有非常重要的影响,对其变化特征和物理机制的研究可以加深对亚洲夏季风演化的认识。论文利用一个海-气耦合模式（KCM）,在轨道参数的强迫下模拟了全新世以来（9.5~0 ka B.P.）的气候变化,分析了全新世南亚高压的南北移动特征,并探讨其与亚洲夏季风降水的关系。研究发现,全新世以来南亚高压持续向南移动,同时也反映了对流层上层西风逐渐向南扩张,响应逐渐减少的夏季太阳辐射。早全新世南亚高压偏北主要是由于夏季太阳辐射增加导致伊朗高原感热加热加强。南亚高压的南北移动与亚洲夏季风降水有显著的关系,它与东亚季风区北部和印度季风区降水呈正相关关系,而与东亚季风区南部和西南季风区降水呈负相关关系。偏北的南亚高压在东亚北部上空产生异常反气旋,有利于对流层低层空气辐合上升,降水增加,此外异常反气旋还可以加强西太副高,使得输送到东亚北部的水汽增加。南亚高压偏北时还会在中低纬地区产生异常东风带,减弱了来自孟加拉湾的水汽输入,从而使得东亚南部和西南季风区降水减少。偏北的南亚高压还在阿拉伯海上空产生异常气旋,有利于印度夏季风降水的增加。南亚高压的南北振荡可以部分解释相同轨道强迫下亚洲夏季风降水出现显著空间差异的原因。

     

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。

     

21 ka以来东亚夏季风区南部和北部气候变化的模拟与重建对比

古气候重建和模拟研究相结合可有效揭示气候变化的机制,但针对东亚夏季风区的相关研究还有待深入。文章基于现代观测数据及古气候记录的定量化重建结果,评估过去21 ka气候瞬变模拟（Transient Climate Evolution simulation over last 21000 years,简称TraCE-21ka）对现代东亚气候及古夏季风演变的再现能力,对比分析其异同并探索东亚夏季风区南部（SEASM）和北部（NEASM）特征时期的气候变化及可能的驱动机制。结果表明：TraCE-21ka模拟和定量化重建结果相对一致,即末次冰盛期偏干冷,全新世早中期偏暖湿,但模拟的变化幅度小于重建。相对于SEASM,NEASM变化幅度较显著。同时,SEASM的温度及降水和NEASM的温度在整个全新世期间模拟和重建的结果一致性较高,但NEASM模拟和重建的降水在晚全新世一致而早全新世不一致。相对于重建降水的南部和北部显著不同步变化,即南部降水在早全新世高而北部在中全新世高,模拟降水的南、北差异性较小,且为全新世持续减弱夏季风演变的结果。这种重建与模拟间的不同可能来源于地表过程对气候演变敏感度的区域性差异,也可能来源于粗分辨率模拟所造成的系统性气候偏移。