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。     

全新世亚洲季风演变

亚洲季风是气候系统的重要组成部分,包括东亚季风和印度季风。全新世以来季风变化历史和机制对预测未来季风变化至关重要,是季风数值模拟重要的边界条件。全新世季风变化主要受太阳辐照强度的控制,在太阳辐照变化总趋势的基础上还存在千年—百年尺度的气候突变,与北大西洋冷事件对应。8.2ka和4.2ka存在比较典型的两个弱季风事件,前者特征是高纬寒冷,后者特征是中低纬干旱。近千年以来的中世纪暖期和小冰期发生在人类活动对气候有明显影响之前,对二者变化机制的理解可以加深目前地球气候变化中是自然因素还是人类活动占主导的认识。全新世季风在整体上受太阳辐照强度变化的控制,千年至百年尺度上的气候突变与太阳活动、北大西洋气候振荡、赤道太平洋地区的SST变化等众多因素有关。季风变化尤其是快速气候变化时期的季风研究是季风气候预测的重点也是难点。全新世东亚夏季风与印度季风的变化在整体趋势上是一致的,千年—百年尺度的变化上存在相位差。而东亚冬季风(EAWM)和东亚夏季风(EASM)之间的相位关系还不明确,需要进一步研究。     

轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟:历史与展望

轨道尺度亚洲气候演化是古气候热点问题之一,其变化过程和机理对理解当前全球变暖下亚洲气候变化具有重要参考意义。最近几十年,基于黄土、石笋、湖泊等载体的轨道尺度亚洲气候重建研究获得显著进展,气候演化历史的基本框架已被构建,不同区域和指标记录之间的差异暗示了气候演化机理的复杂性。数值模拟作为研究气候动力学的重要工具之一,在轨道尺度亚洲气候变化中也得到广泛应用和快速发展。基于此,本文尝试对最近十数年轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟研究做一简单总结和梳理。目前的数值模拟尚未对地质记录给出的各种变化特征、区域差异等现象,尤其是东亚夏季风的黄土和石笋差异、季风和干旱气候的耦合关系等,给出合理解释。因此,在未来工作中亟须涵盖多轨道旋回的高分辨率瞬变试验,结合良好定年的重建记录,以期对轨道尺度亚洲气候变化机理获得更深入完整的认识。     

Review of the Global Monsoon and Monsoon Marginal Zones

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

全球季风和季风边缘研究

全球卫星探测和观测资料的积累,使以南海季风、亚洲季风为代表的季风研究兴起了一波研究热潮。区域季风认识的深入,推动了全球季风认识的发展,全球季风概念在20世纪末被提出来,并在21世纪初成为热点研究方向。季风边缘是与全球季风密切相关的概念,东亚夏季风北边缘的近期演变与全球季风过去几十年的减弱有关。全球季风的演变表现为分布全球的大气活动中心和季风槽的活动,[JP2]这些成员组成了一个完整的全球季风系统。按照上述季风研究的发展脉络,系统地总结全球季风和季风边缘研究的进展,并提出未来季风研究的方向会把全球大气活动中心与全球气候槽,包括全球季风槽联系起来,即从季风系统着手研究全球季风的年代际和世纪尺度变率。     

临夏盆地晚新生代沉积物元素特征与古气候变迁

青藏高原东北临夏盆地发育较完整的晚新生代地层,特别13～4.34 Ma段以稳定低能细粒湖相沉积为主、发育的不同尺度和各种形式沉积韵律旋回记录着古气候变化信息。本文通过对临夏盆地稳定细粒湖相沉积物元素地球化学特征及其变化序列研究,结合其它气候指标,揭示13～4.4 Ma时段气候演化经历了四个阶段:13～12 Ma期间气候湿润、12~7.8Ma期间气候以湿润为主夹短暂干旱事件、7.8～6.2 Ma期间气候以干旱为主、6.2～4.4 Ma期间气候进一步干旱加剧,并认为7. 8 Ma左右的气候转型可能与冬季风加强有关,而6.2 Ma以来的有规律的高频气候波动可能与现代季风形成有关。     

南极新生代海陆格局变迁对全球气候变化的影响

南极大陆记录了新生代以来地质演化中多次重大地质事件,包括大陆生长、裂解和离散、全球冷却和大陆尺度南极冰盖的发展等。尽管非常重要,但至今关于南极大陆新生代地质演化仍有诸多争论。文章主要针对塔斯曼通道和德雷克海峡贯通过程,系统总结并分析了南极洲、南美洲和澳大利亚的构造、岩浆和沉积演化历史。始新世晚期至渐新世早期开始发育的南极环极洋流（ACC）受德雷克海峡和塔斯曼通道扩张程度的控制。综合分析和对比研究表明,~34 Ma全球气候从"暖室"到"冷室"的转变与ACC开始的时间一致,表明构造通道的打开控制了ACC的发育,进而对全球气候产生了重要影响。最后,简要总结了南极作为一个完整的地球系统,其新生代地质演化如何控制海陆格局的变迁,并提出未来研究需要解决的关键问题。      

南极冰盖研究最新进展

南极冰盖是地球系统的重要组成部分,在全球气候系统中扮演着重要角色.通过对南极冰盖的研究将有助于了解其在全球气候系统中的作用,并为探讨全球气候过去、现在以及未来的演化提供支撑.总结分析了近年来南极冰盖研究的一些重要进展,并在此基础上对南极冰盖研究领域的一些主要结果、观测事实以及未来变化展开讨论,重点介绍南极物质平衡、冰芯研究、冰下水系统、冰盖数值模拟方面最近的进展,评述未来可能的研究方向和应该关注的问题.     

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。     

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。     

湖北清江和尚洞石笋古环境研究的回顾和展望

从1997年开始对湖北清江和尚洞开展了系统的现代过程监测和地质记录的综合研究,以了解气候和生物信息的传输、转化和记录过程,并由此重建长江中游末次冰期以来的气候和生态环境。通过对和尚洞的大气、植被、土壤、围岩、滴水和沉积碳酸盐开展年代学、水文学、地球化学、地球物理学、地球生物学等多学科的调查,已经积累了许多现代过程的基础资料,为进一步进行石笋记录的研究奠定了很好的基础。同时,研究发现该洞穴石笋具有年代准确、环境和生态信息丰富、分辨率高、记录时间长等众多优点,是重建过去气候和生态变化历史的优质载体。下一步研究应该充分利用这些特点,力争在季风的年际和年代际变化以及不同气候态下环境与生物的相互作用两个方向取得进展。     

黑龙江五大连池火山口湖沉积物有机残体粒度记录的早全新世千百年尺度夏季风降水演化

目前已在我国大量地质记录中发现全新世早期的千百年尺度气候事件,但较高纬度地区相应的记录仍较少。因此,有必要在我国较高纬度地区进行千百年尺度气候事件的重建。本文对五大连池火山口湖沉积物进行研究,以精确的14C年代框架为基础,对沉积物(未去除有机残体)粒度数据进行粒级-标准偏差分析,提取了83μm敏感粒级,发现该粒级主要成分为有机残体,其粒度和含量可作为夏季风降水代用指标,进而利用该组分重建了我国东北地区早全新世夏季风降水演化历史。结果表明,我国东北地区早全新世季风降水频繁波动,存在~8.6 ka,9.2 ka,10.2 ka和11.6 ka四次千百年尺度显著弱夏季风事件。在年代误差范围内,四次弱夏季风事件与我国季风区其他气候记录、北大西洋冰筏沉积及太阳活动记录在时间上均有较好的一致性,指示早全新世千百年尺度干旱事件在我国季风区普遍存在,且与北大西洋浮冰事件及太阳活动密切相关。但五大连池火山口湖有机残体粒度记录的四次千百年尺度弱夏季风事件持续时间明显短于其他气候记录中的相应事件,初步推测为北大西洋浮冰事件通过影响热带季风进而影响较高纬度地区,季风信号从低纬传输至高纬变弱,致使事件持续时间明显缩短。     

云南中甸纳帕海57000年来湖泊气候记录及与海洋记录的对比

纳帕海位于滇西北横断山脉腹地,该地区除受西南季风影响外,还受西太平洋副高、西风带南支急流和高原季风多种天气环流系统的影响,是研究西南季风演化以及进行海陆气候对比的理想区域.本文通过沉积环境的判别恢复了纳帕海的湖面波动,同时通过与总碳、有机碳同位素等替代性指标的对比,建立了湖面波动和区域气候之间的关系,重建了纳帕海57 000年来的气候演化.和安达曼海、阿拉伯海海洋记录的对比指出了海陆在气候演化方面的异同点.     

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。     

东亚东倾地形格局的形成与季风系统演化历史寻踪——综合大洋钻探计划683号航次建议书简介

围绕IODP 683号建议书,介绍东亚东倾地形格局与季风系统演化历史的相关研究。新生代全球宏观环境格局发生了一系列重大变化,表现为岩石圈活动强烈,板块漂移导致海陆格局和地貌格局的变化,并引发洋流和大气环流的改组,最终导致全球气候的重大变化。新生代岩石圈运动和气候变化表现最为典型的地区是亚洲,其中最具标志性和全球意义的地质事件是喜马拉雅山和青藏高原的隆升及亚洲季风系统的形成与演化。青藏高原隆升最直接的结果是亚洲地区现代地貌格局的形成,大江大河的发育,并在很大程度上影响了亚洲季风系统的形成与演化。综合大洋钻探计划683号航次建议书,计划在长江中下游盆地和东海陆架盆地实施钻探,以获得长江历史演化和东亚季风演化的地质记录,并为研究青藏高原的演化提供新的证据。     

渭河盆地末次冰盛期以来沉积环境变化研究

研究过去气候快速变化能为当前极端气候分析和未来环境预测提供自然背景理解。亚洲季风在北半球乃至全球的第四纪气候变化中扮演着重要角色,其演化是全球气候变化背景下的典型区域响应。然而,不同地质载体及不同指标所记录的亚洲冬、夏季风变化存在着较大差异,产生差异的原因及受到的动力机制是值得深入研究的科学问题。渭河盆地位于黄土高原和古三门湖沉积交叠的区域,是研究第四纪亚洲季风演化的理想场所。在盆地西南部西安市户县和长安县获取了两个黄土沉积钻孔,户县ZZC孔长4 m,长安县XFC孔长3 m,两孔的年代均超过25 ka。通过两钻孔的粒度和元素地球化学等代用指标研究,对比分析不同指标对气候变化的敏感度差异,反演了末次冰盛期(LGM)以来的区域沉积环境变化,并尝试探讨该时期发生的气候突变事件及反映的季风强度变化。结果表明,两钻孔的平均粒径从LGM到中全新世逐渐变细,中全新世之后少许变粗,空间上表现出一致性,总体反映了末次冰盛期以来的冬季风强度演化;Ca/Ti反映了与季风降水相关的淋溶强度,从LGM到全新世暖期夏季风逐渐减弱,并记录了若干次气候快速变化。粒度和元素比值变化表明,渭河盆地沉积良好地记录了末次冰盛期至全新世的大幅冷干-暖湿波动及若干次持续时间较短的快速水文变化事件,主要是受到太阳辐射和冰量等因素调控的影响。由于渭河盆地有上千米的新生代沉积,未来开展高分辨率研究有望揭示不同时间尺度季风变化特征及其与区域和全球变化的联系。     

贵州荔波1200年来石笋高分辨率的古气候环境记录

通过笔者对荔波龙泉洞L2石笋进行高精度的ICP-MS-230Th测年和碳、氧同位素分析, 建立了荔波地区1200 a BP 来高分辨率的古气候变化的时间序列。研究结果表明, 荔波地区1200 a BP以来石笋记录的季风气候经历了1200~1100 a BP(暖)、1100~940 a BP (冷)、940~840 a BP(暖)、840~700 a BP(冷)、700~450 a BP(暖)、450~300 a BP(冷)、300~200 a BP(暖)以及200~70 a BP(冷)等8个阶段百年尺度的干湿、冷暖波动, 并在这些百年尺度的波动上又叠加了一系列数十年尺度的气候变化。石笋记录揭示了1200 a以来东亚季风气候的不稳定性, 呈百年尺度(Gleissberg)的周期性变化。这些气候变化事件, 与冰芯记录极为相似, 反映低纬度地区百年尺度石笋记录的季风气候变化与高纬度及北极地区的气候变化具有极好的相关性, 反映百年尺度石笋记录的季风降水主要受太阳辐射驱动、控制, 而东亚季风的降水事件(或干旱事件)与太阳的辐射强度密切相关。石笋记录的百年尺度季风降水事件对于认识现代气候系统变化以及对未来十年—百年尺度的气候预测和演化的驱动机制, 具有重要的科学意义。     

早期大陆与板块构造启动——前沿热点介绍与展望

板块构造的启动时间和机制,一直是国内外地球科学界关注的焦点,有不少热点文章对此进行了讨论。它涉及的不仅是早期地球的构造机制问题,更关系到整个地球的演化历史、变化过程和演化规律,以及地球的未来。本文对国内外的研究状况、研究重点进行了简单述评,强调地球的"热状态和热演化"是构造机制演化的关键控制因素,提出大陆形成和岩石圈的演化与板块构造起源关联密切,是理解早期板块构造启动的重要研究内容。华北克拉通是代表性的古老大陆,本文对它的研究状况给出了介绍和评述。文章最后展望了"早期大陆与板块构造启动"这一重要科学问题的研究方向,并对相应的研究方法提出了评论和建议性意见。     

新生代增温情景下自然火历史的研究

自然火是地球系统的重要组成部分,与气候、植被关系紧密。全球增温情景下,自然火的演化规律和控制因素已经成为学术界的研究热点,通过整理分析自然火实际监测记录、模型模拟结果以及古记录反映的自然火历史,发现还存在一些亟待解决的问题:全球不同增温情景下自然火增多还是减少?其控制因素如何改变?本文选取距今最近的地质历史时期新生代中的典型增温期"中中新世气候适宜期"和"全新世大暖期",对其自然火研究进行分析总结,归纳得出温度是增温情景下自然火的重要控制因素,但是不同地区自然火控制因素有所不同,雨热条件的季节分配、植被类型的演替、雷电和火山活动等因素也对自然火有重要影响。季风区气候变幅大、植被类型丰富,其自然火演化及控制因素具有复杂性,是自然火研究的重要区域,建议在今后研究中,在东亚季风区选择涵盖未来百年可能增温幅度的理想沉积记录,对其记录的自然火历史、增温幅度、植被演替进行系统研究,进而探讨未来增温情景下自然火的演化规律和控制因素。     

如何实现区域岩体结构精细化分析？综述与设想

地球演化、地下水系统、岩体工程和地质灾害涉及不同尺度的岩体结构，由于地下岩体结构数据匮乏，实现区域岩体结构精细化分析是科学难题.本文基于岩体结构跨尺度调查研究进展，归纳岩体结构精细化分析存在的问题，提出应用地球系统科学理论解决问题的设想和技术方案.岩体结构与演化历程、温压环境(PTt)密切相关，需要从系统科学角度探究不同尺度结构面的协同演化机理和跨尺度岩体结构精细分析理论；将地球系统科学与岩体结构现代探测、测试和模拟技术相结合，提出了区域岩体结构跨尺度研究的技术方案、分析理论和实现算法，以期突破区域岩体结构精细化分析的瓶颈问题.