全球变暖“停滞”现象辨识与机理研究

观测表明全球温室气体浓度持续快速增加,但21世纪以来全球表面平均温度升高有减缓趋势,呈现变暖"停滞"现象,这对已有的全球变暖认识带来挑战。围绕"变暖‘停滞’机理及其可预测性"这一国际前沿科学问题,国家重点研发计划"全球变暖‘停滞’现象辨识与机理研究"主要研究内容有:1辨识变暖"停滞"的时空特征,阐明外部强迫和内部自然变率的相对贡献;2阐明全球变暖停滞背景下,大气在气候系统能量热量再分配过程中的作用及机理;3阐明全球变暖"停滞"背景下,海洋动力热力过程对能量热量再分配的调制机理;4探讨全球变暖"停滞"现象的可预测性,对其未来变化及重要区域气候影响进行预测预估。以期通过变暖"停滞"研究回答人们所关心的目前变暖停滞现象未来发展及其对我国及周边的"一带一路"核心区和南北极重要区域的影响,为我国未来气候政策的制定提供参考依据,为国家参与全球气候治理及国际气候谈判提供科学支撑。     

北大西洋涛动变率研究进展

介绍了近年来北大西洋涛动研究的最新进展。 NAO指数序列的建立取得了很多成果 ,包括一些观测气象记录的序列以及利用树木年轮、冰芯等代用资料建立的近 30 0多年的序列 ,这些长的序列显示 NAO不仅有突出的年际变率 ,也有显著的年代际变率。总结了 NAO对地面温度、降水、北大西洋飓风和北半球臭氧等影响的一些研究成果。NAO的低频变率可能与气候系统内部的相互作用以及外部强迫有关。许多模拟研究发现 NAO与温盐环流有密切的联系 ,但是这种关系还有待观测资料的证实。全球气候变暖也可能是影响 NAO变率的一个不可忽视的因素。     

全球变暖hiatus现象的研究进展

进入21世纪后,全球增暖hiatus现象成为国际上气候变化研究的一个新热点。详细介绍了国际上该现象的研究进展,特别是对hiatus现象的确认研究,影响hiatus现象的辐射外强迫和气候系统海气相互作用产生的自然变率对hiatus现象的影响研究工作,最后提出了现阶段国际上对于hiatus现象的研究亟需解决的问题。造成21世纪hiatus现象的原因是在太平洋年代际振荡(PDO)的大背景场下赤道信风加强,使赤道西太平洋暖水"堆积"和赤道东太平洋变冷,造成海洋上层热量向深层传输。因此,hiatus现象并不代表全球变暖的停止,只是热量向深层海洋转移,是全球变暖的另一种表现形式。     

全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究进展

气候重建工作的深入开展极大地促进了全新世亚洲季风变化的研究,然而当前重建结果对亚洲季风的演变特征和机理存在很大争议,开展古气候模拟对理解全新世亚洲季风演变的时空特征和成因机制具有重要意义。为此,本文主要从气候模式模拟的角度回顾全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究工作,并将从外强迫和气候系统内部变率这两个角度对机制进行探讨。主要有以下进展:全新世瞬变模拟试验结果反映早全新世以来亚洲季风降水呈下降趋势,这主要受到地球轨道参数的影响,并通过改变海陆热力差异和半球间温度梯度来影响亚洲季风降水。在百年尺度弱季风事件上,模拟的8.2 ka BP时期的亚洲季风弱事件主要是由冰川融水触发,引起大西洋经向翻转环流AMOC减弱并通过大气遥相关导致季风降水减少;而4.2 ka BP时期模式模拟的亚洲弱季风事件主要是受内部变率所主导而并非外强迫因子影响。亚洲季风百年尺度变化的模拟研究主要集中在过去2 000年时段,中世纪气候异常期季风明显增强,而在小冰期逐渐减弱,太阳辐射和火山活动是影响其变化的主导因子,它们通过影响海陆热力差异、印—太海温变化来影响季风变化。     

过去2000年东亚夏季风降水百年际变化特征及成因的模拟研究

利用地球系统模式CESM过去2 000年气候模拟试验结果,探讨了在百年尺度上东亚夏季风降水的时空变化特征及其成因,对于认识百年尺度气候变化规律、区分外强迫因子对东亚季风的影响有着重要的科学意义。研究表明:1东亚夏季风降水与温度基本同相变化,降水存在准100年、准150年和准200年周期。2降水标准化EOF第一模态为由北向南"负—正—负—正"的条带状空间分布,而EOF第二模态基本为全区一致的分布型态。3东亚夏季风降水准100年周期主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的共同影响;准150年周期主要受太阳辐射的影响;准200年周期主要受太阳辐射和火山活动的影响。东亚夏季风降水在温带地区主要受温室气体和土地利用/覆盖的影响;在副热带地区主要受太阳辐射和火山活动的影响;在热带地区主要受太阳辐射、火山活动和气候系统内部变率的影响。     

热带北大西洋模态年际变率的研究进展与展望

热带北大西洋模态(NTAM)年际变率是北半球春季热带北大西洋的主导变率。它对热带辐合带的南北移动、周边国家的降水以及全球气候都有显著的影响。通过回顾前人的相关研究,归纳了NTAM的几种形成机制,概括了NTAM对气候系统的影响,综述了模式对于NTAM年际变率的模拟能力,总结了以往研究进展中存在的薄弱环节。最后以此为契机,对未来NTAM的研究方向进行了展望。     

全球气候变暖争议中的核心问题

综合分析了全球气候变暖争议中的3个核心问题:①全球变暖停滞了吗?回答是不一定。虽然根据HadCRUT3序列显示1999—2008年温度增量很小,但是这10年仍是过去30年中最暖的10年。而根据NASA GISS序列,则同期温度增量仍达到0.19℃/10a。目前全球地表气温在一个较暖平台上振荡,不能忽视自然气候变率。②气候变暖完全是由人类活动造成的吗?回答是否定的。虽然温室效应加剧可能是全球变暖的主要原因。但是,ENSO、太阳活动、火山活动、热盐环流等对全球变暖也有影响,在年代际及年际尺度上其影响甚至有时可能超过人类活动的作用。其中,太阳活动对气候变化的影响是需要重点考虑的因素。③气候变暖的影响有十分明显的迹象吗?回答是肯定的。近几年冰雪圈融化的速率及海平面上升的速率均超过了2007年IPCC第四次评估报告的估计,因此对未来SL上升的预估值也增加了。     

大西洋多年代际变化的研究进展

大西洋多年代际变化或称大西洋多年代际变率,是指发生在北大西洋区域海表温度周期性冷暖的变化,其周期为60～80年。虽然大西洋多年代际变化对全球和区域气候的影响十分显著,但是目前有关大西洋多年代际变化的形成机制一直是科学界关注的焦点,包括海洋内部动力过程、大气随机扰动以及人为和自然强迫均被证实会对大西洋多年代际变化有重要贡献。因此,更加全面地认识大西洋多年代际变化,对于理解全球气候变化的原因以及年代际气候预测都有重要的科学意义。研究回顾了有关大西洋多年代际变化的定义和主要特征、形成机制和原因,以及对全球和区域气候的影响等;然后讨论了大西洋多年代际变化的相关研究要点和存在问题。     

年代际气候低频变率诊断研究进展

对近十年年代际气候低为率的诊断研究作了综合评述,指出年代际及以上尺度的变率可能就是气候系统数十年尺度低频振荡或气候基本态的自然表征,控制着更小时间尺度ＥＮＳＯ变率,对这一问题的深入研究不公有助于提高气候变率的认识,而且对检测人为因素在全球变暖中的相对贡献也具有重要的意义。     

从第三极到北极： 气候与冰冻圈变化及其影响

第三极和北极地区对于区域和全球环境、 社会经济以及国家战略的重要性日益凸现。通过对第三极和北极气候与冰冻圈研究的现状、 趋势进行梳理总结, 为未来的系统研究提供借鉴。结果显示, 第三极和北极气候系统与冰冻圈正在发生显著变化并预计将持续下去。第三极和北极地区气温在以全球平均升温速度两倍的速率变暖, 且在20世纪70年代以来, 变化总体趋势高度一致; 降水变化总体呈增加趋势, 但变率和不确定性较大; 极端事件（尤其是极端降水）的频率增加; 积雪范围总体上呈现减少趋势, 雪水当量、 积雪天数的变化存在区域和周期性差异; 多年冻土温度升高, 活动层厚度增加, 亦呈现较大的区域差异。这些变化不仅对生态、 水文、 碳循环产生重要影响, 而且对基础设施、 社会经济以及人类健康产生不可忽视的影响, 包括重金属污染、 食品安全等。气候及冰冻圈快速变化会通过反照率反馈、 水汽反馈等机制被放大, 并通过一系列大气及海洋环流过程, 对周边乃至全球气候系统产生广泛影响。目前第三极和北极研究中面临的重要共同问题包括极度稀疏的地面观测资料、 模型物理机制和精细化描述不足以及缺少与周边地区乃至全球系统关联的量化研究和可靠证据。这些问题的解决都需要依赖地面监测网络的扩展以及对冰冻圈和气候系统物理过程理解的提升。从第三极到北极, 不仅是研究视角的扩大, 更是全面理解第三极和北极在地球系统中作用的必经之路。     

Review of the Research Progress in Global Warming Hiatus

From 1998 to 2012, the warming rate of global mean surface air temperature showed significantly slower than before, which is referred to as the global warming hiatus. The causes and underlying mechanisms of this phenomenon are currently a hot topic of climatic change research. The research significance of global warming hiatus was discussed and relevant research progress was reviewed from two perspectives of external forcings and internal variabilities. In term of external forcings, global warming hiatus is mainly affected by solar activities, volcanic eruptions, aerosols and stratospheric water vapor. With respect to internal variabilities, the warming rate of global mean surface air temperature slowdown is mainly related to the natural variabilities of the Pacific Ocean, the Atlantic Ocean, the Indian Ocean and the Southern Ocean and influenced by the related heat redistribution processes. During the global warming hiatus period, some energy is transferred and restored in the deep ocean so as to modulate the global warming rate, rather than there is a reduction of global total energy in the climate system. In addition, the partially coupled forcing pacemaker model experiment was also reviewed. The pacemaker experiment is a powerful tool for studying the characteristics, causes and underlying mechanisms of the global warming hiatus. Besides, some challenges resulted from the global warming hiatus, including the global energy imbalance, data, simulation and related policy-making were summarized, and future research directions were also discussed.     

Research on the Global Warming Hiatus

A global warming “hiatus” has been observed since the beginning of the 21st century despite the increase in heat-trapping greenhouse gases, challenging the current global warming studies. Focusing on the phenomena and mechanisms of the global warming “hiatus”, the National Key Research Program of China launched a project in July, 2016. The main research themes of this project cover: ①Revealing the spatial and temporal variability of the global warming hiatus, and quantifying the contributions of external forcing and internal (natural) variability, respectively; ②Revealing the role of the atmosphere in the global heat and energy redistribution under global warming hiatus; ③Revealing the role of the ocean in the global heat and energy redistribution under global warming hiatus; ④Investigating the predictability of the global warming hiatus. The key scientific issues to be resolved include: ①Identifying characteristics of the global warming hiatus and discerning the roles of decadal, multi-decadal oscillations; ②Revealing the role of ocean-atmosphere dynamical processes in the global redistribution of heat and energy; ③Understanding the predictability of the global warming hiatus. The research aims to predict the future development of the global warming hiatus, and to point out the possible impacts on China and other important areas, including “The Belt and Road” core area and the Polar Regions.     

Research Progress of Long-term Ocean Temperature Changes in the Southern Ocean

In the recent decades， a large amount of anthropogenic heat has been absorbed and stored in the Southern Ocean. Results from observations and climate models' simulations both show that the Southern Ocean displays large warming in the upper and subsurface ocean that maximizes at 45°~40°S. However， the underlying mechanisms and evolution processes of the Southern Ocean temperature changes remain unclear， leaving the Southern Ocean to be a hotspot of climate change studies in the recent years. The present study summarized the current progress in the observations and numerical modeling of long-term temperature changes in the Southern Ocean. The effects of changes in wind， surface heat flux， sea-ice and other factors on the ocean temperature changes were presented， along with the introduction to the role of oceanic mean circulation and eddies. The present study further proposed that a deepening of the understanding in the Southern Ocean temperature change may be achieved by investigating the fast and slow responses of the Southern Ocean to external radiative forcing， which are respectively associated with the fast adjustments of the ocean mixed-layer and the slow evolution of the deep ocean. Specifically， the striking and fast mixed-layer ocean warming north of 50°S is tightly related to the surface heat absorption over upwelling regions and wind-driven meridional heat transport， resulting in enhanced warming around 45°S. While in the slow response of the Southern Ocean temperature， the enhanced ocean warming shifts southward and downward， mainly associating with the heat transfer from oceanic eddies. The Southern Ocean temperature has pronounced climatic effects on many aspects， such as global energy balance， sea-level rise， ocean stratification changes， regional surface warming and atmospheric circulation changes. However， large model biases/deficiencies in simulating the present-day climatology and essential ocean dynamic processes last in generations of climate models， which are the main challenge in advancing our understanding in the mechanisms for the Southern Ocean climate changes. Therefore， to achieve reliable future projections of the Southern Ocean climate， substantial efforts will be needed to improve the model performances and physical understanding in the relative role of various processes in ocean temperature changes at different time scales.     

海洋中溶存甲烷研究进展

CH₄是大气中的重要微量气体，对全球变暖和大气化学有重要作用。海洋是大气甲烷的重要源和汇。开展海洋中溶存甲烷的研究，有助于了解海洋对大气甲烷和全球变化的贡献。综述了海洋中溶存甲烷的研究现状，着重介绍了海洋中溶存甲烷的分布特征、海气交换通量的估算及其生物地球化学循环，并探讨了该领域研究中存在的问题。     

北极海冰减退引起的北极放大机理与全球气候效应

自20世纪70年代以来,全球气温持续增高,对北极产生了深刻的影响。21世纪以来,北极的气温变化是全球平均水平的2倍,被称为"北极放大"现象。北极海冰覆盖范围呈不断减小的趋势,2012年北极海冰已经不足原来的40%,如此大幅度的减退是过去1 450年以来独有的现象。科学家预测,不久的将来,将会出现夏季无冰的北冰洋。全球变暖背景下北极内部发生的正反馈过程是北极放大现象的关键,不仅使极区的气候发生显著变化,而且对全球气候产生非常显著的影响,导致很多极端天气气候现象的发生。北极科学的重要使命之一是揭示这些正反馈过程背后的机理。北极放大有关的重大科学问题主要与气—冰—海相互作用有关,海冰是北极放大中最活跃的因素,要明确海冰结构的变化,充分考虑融池、侧向融化、积雪和海冰漂移等因素,将海冰热力学特性的改变定量表达出来。海洋是北极变化获取能量的关键因素,是太阳能的转换器和储存器,要认识海洋热通量背后的能量分配问题,即能量储存与释放的联系机理,认识淡水和跃层结构变化对海气耦合的影响。全面认识北极气候系统的变化是研究北极放大的最终目的,要揭示气—冰—海相互作用过程、北极海洋与大气之间反馈的机理、北极变化过程中的气旋和阻塞过程、北极云雾对北极变化的影响。在对北极海冰、海洋和气候深入研究的基础上,重点研究极地涡旋罗斯贝波的核心作用,以及罗斯贝波变异的物理过程,深入研究北极变化对我国气候影响的主要渠道、关键过程和机理。     

Advances and Challenges in the Study on the Tropical Rainfall Changes Under Global Warming*

Since tropical rainfall is important in the global energy and hydrologic cycle, the tropical rainfall changes under global warming have attracted extensive attention around the world in recent decades. The advances in the observational studies and model projection for the tropical rainfall changes under global warming were reviewed here. The frontiers in the mechanism of regional tropical rainfall changes and the approaches of rainfall change research are summarized. The large intermodel spread in the multi-model projections, the sources of uncertainty and the methods to reduce the uncertainty were also introduced. Finally, the challenges about the tropical rainfall changes were discussed.     

Reading the Past,Informing the Future: Progress and Prospective of the Recent Ocean Drilling Researches on Climate and Ocean Change

Aiming at the current climate status, i.e., drastic rise of atmospheric greenhouse gases and the apparent trend of global warming, the International Ocean Discovery Program (IODP), launched in 2013, proposed four scientific challenges, including the response of global climate to CO₂ rise, the feedback of ice-sheet and sea-level to global warming, the dynamics of the mid- and low-latitude hydro-cycle, and the mechanism of the marine carbon-chemical buffering system. By August 2017, eight IODP expeditions of climate-related themes were implemented, focusing on the Neogene evolution of the monsoon system over Asia-Pacific-Indian and the West Pacific Warm Pool, with specific interests in the variabilities and mechanisms of the Asian Monsoon system on orbital-to millennial-scales, as well as the connections between Asian Monsoon and the uplift/weathering of the Tibetan Plateau on tectonic time scale. The planned IODP expeditions in the forthcoming two years will explore the Southern high-latitude climate histories of West Antarctic ice in the Cenozoic, and Southern Ocean currents and carbon cycle in the Cretaceous-Paleogene. In sum, during the current phase of IODP (2013-2023), our knowledge about the marine climate system would be greatly advanced via deciphering the past changes in tropical processes of Asian Monsoon and West Pacific Warm Pool, as well as in high-latitude factors of the West Antarctic ice. A better scientific background of natural variability would be provided, accordingly, for predicting the future tendency in climate change. In this context, China’s strategic directions include the global monsoon concept, the tropical forcing hypothesis, and in particular the climate effect of the Sunda Shelf.     

On global forces of nature driving the Earth’s climate. Are humans involved?

The authors identify and describe the following global forces of nature driving the Earth’s climate: (1) solar radiation as a dominant external energy supplier to the Earth, (2) outgassing as a major supplier of gases to the World Ocean and the atmosphere, and, possibly, (3) microbial activities generating and consuming atmospheric gases at the interface of lithosphere and atmosphere. The writers provide quantitative estimates of the scope and extent of their corresponding effects on the Earth’s climate. Quantitative comparison of the scope and extent of the forces of nature and anthropogenic influences on the Earth’s climate is especially important at the time of broad-scale public debates on current global warming. The writers show that the human-induced climatic changes are negligible.     

草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化的响应研究进展

草地土壤碳库碳储量及其变化与调控机制是草地碳循环研究的核心.草地生态系统正经受着越来越严重的人为与自然因素干扰,如土地利用变化、大气氮沉降增加、施肥及大气CO2浓度与温度升高.因此,加强人为干扰和全球变化背景下草地土壤有机碳库的响应研究有重要意义.总结了放牧、草地开垦及外来氮素输入等3种主要的人类活动对土壤有机碳总量和活性碳组分的影响及其对全球变化的响应与适应,在此基础上指出了目前草地生态系统土壤有机碳库研究的薄弱环节及今后的重点研究领域.     

全新世北半球典型冷事件的模拟研究

全新世冷事件期间的气候格局及其成因是过去气候变化研究的热点问题.利用基于通用气候系统模式开展的TraCE-21ka气候模拟试验资料,在定义和提取典型冷事件的基础上,分析了全强迫试验模拟的全新世北半球多次冷事件的规模及冷事件发生时温度与降水的空间特征,并结合全强迫试验中使用的4个外强迫序列(淡水注入、轨道强迫、大气温室气体、大陆冰盖)及其对应的单因子敏感性试验,初步探讨了部分典型冷事件的成因.结果表明: TraCE-21ka模拟的冷事件年份与重建/集成序列的冷事件年份对应较好,模式较好地模拟出了全新世北半球的冷事件;全新世期间,北半球共发生了 10 次典型冷事件( 9. 7 ka B. P.、 8. 3 ka B. P.、 7. 3 ka B. P.、6. 2 ka B. P.、 5. 2 ka B. P.、 4. 2 ka B. P.、 3. 4 ka B. P.、 2. 1 ka B. P.、 1. 0 ka B. P.和 0. 2 ka B. P.);每次冷事件发生时,北半球大范围降温和变干,温度变化呈现明显的纬度地带性差异,中高纬地区降温最显著,低纬10°N附近降水减少最显著;在 8. 3 ka B. P.、 7. 3 ka B. P.、 6. 2 ka B. P.、 5. 2 ka B. P.、 4. 2 ka B. P.、 3. 4 ka B. P.、 2. 1 ka B. P.和1. 0 ka B. P.共8次冷事件中,北半球温度和降水的空间变化较为相似,北大西洋经圈翻转流( Atlantic Meridional Overturning Circulation,简称 AMOC)变弱导致了冷事件,格陵兰岛南部的北大西洋海域降温和变干尤为显著;9. 7 ka B. P.和3. 4 ka B. P.的冷事件可能与轨道强迫有关,淡水注入造成了8. 3 ka B. P.和7. 3 ka B. P.的冷事件, 0. 2 ka B. P.冷事件可能与大气温室气体波动有关.地球系统内部变率对于冷事件的发生可能也有一定影响.