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。     

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.     

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。

     

全新世东亚夏季风演化的多尺度周期变化及其可能机制探讨

在全球变暖背景下,东亚夏季风发生极端变化所带来的大区域洪涝或干旱灾害的频率会增加,认识东亚夏季风的变化规律具有重要意义。本文利用已经发表的全新世东亚夏季风变化资料,使用集合经验模态分解（EEMD）、小波分析、频谱分析等手段,探讨全新世东亚夏季风多尺度演变周期及可能的驱动机制,取得以下认识：1）全新世东亚夏季风存在不同时间尺度的波动周期,即千年时间尺度上存在约2000年和4000年的周期波动;百年时间尺度上存在约200年、400年及约700年的周期波动;年代际时间尺度上,晚全新世出现约66年的显著周期。2）东亚夏季风在不同时间尺度上演变的主导驱动因子存在差异,即在约2000年波动周期上主要受控于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）大尺度变化的调控;百年时间尺度上与太阳活动密切相关,主要表现在约200年和700年的周期波动上;年代际时间尺度上,晚全新世东亚夏季风变化主要受控于大西洋多年代际震荡（AMO）调控。本研究可为进一步深入理解东亚夏季风变化的动力机制提供基础。

     

洛川黄土记录的最近2500ka东亚冬夏季风变化周期

对厚约１４０ｍ的陕西洛川坡头村黄土剖面进行间距３～１０ｃｍ的系统采样,测量了全部样品的磁化率和粒度,选择〉３０μｍ颗粒百分含量和磁化率分别作东亚冬,夏季风强度变化的替代性指标,以新建立的时间标尺为基础,分析了最近２５００ｋａ以来东亚季风变化的周期特征。结果表明,第四纪东亚冬,夏季风变化时间序列包括含有１００ｋａ,４１ｋａ和２３ｋａ地球运动轨道要素变化的周期,同时包含有约８０ｋａ,５６ｋａ和３０ｋａ     

轨道尺度东亚夏季风的动力反演

为了探求太阳辐射和高纬地区温度对东亚夏季风的驱动机理,用动力反演的方法建立了东亚夏季风的动力方程,为东亚夏季风的驱动机制研究提供了一种新的方法。在轨道尺度上得到如下结论: 东亚夏季风是由南极温度和太阳辐射量共同驱动的复杂非线性动力系统; 太阳辐射是驱动东亚夏季风的最重要驱动力,驱动贡献至少达到67.57%,南极温度次之,其驱动贡献达到21.58%,格陵兰温度对东亚夏季风的驱动不起作用; 太阳辐射量的增加,会驱使东亚夏季风增强; 南极温度存在一个阈值,在阈值两侧,对东亚夏季风具有不同的驱动机制; 东亚夏季风对太阳辐射驱动的响应,还部分地依赖于季风强度的背景值。     

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。     

过去2000年亚洲夏季风降水百年尺度变化及其区域差异的模拟分析

利用通用地球系统模式(CESM, 1.0.3版本)进行的多个过去2000年瞬变积分试验模拟结果, 初步探讨了亚洲夏季风及其子系统(东亚夏季风、印度夏季风和西北太平洋夏季风)降水百年尺度时空变化特征与成因。研究表明: 1)亚洲季风区及其子区降水与温度的时间变化均基本同位相。亚洲夏季风降水存在准100年、准150年和准200年周期, 东亚夏季风降水存在准200年和准100年周期, 印度和西北太平洋夏季风降水均存在准100年的显著周期; 太阳辐射是影响各区域夏季风降水百年际周期的主要因素, 东亚和亚洲夏季风降水百年际周期还与火山活动有关。2)亚洲夏季风降水标准化 EOF 第一模态的空间分布型为 100°E以东由北向南呈"正-负-正-负"的条带状分布和在 100°E以西的印度季风区呈西南-东北向的"正-负-正"分布, 该分布型主要受太阳辐射的影响; EOF第二模态呈现阿拉伯海东部、印度半岛南端和华北平原及其以东同纬地区与其他地方反相的分布型态, 该分布型主要受温室气体和气候系统内部变率的共同影响; 分析表明多因子间的非线性相互作用会放大对气候系统内部变率的影响。3)亚洲夏季风3个子系统降水百年尺度第一模态空间分布与亚洲夏季风降水第一模态中对应区域的分布型态相似; 东亚夏季风降水主模态主要受太阳辐射和温室气体的共同影响, 印度夏季风降水主模态与太阳辐射有关, 西北太平洋夏季风降水主模态受除火山活动外的多因子共同影响。     

最近130ka来黄土物质化学风化的空间观察

选取黄土高原48个末次间冰期以来沉积剖面中的248个黄土、古土壤和弱发育土壤层的代表性样品,对它们的酸不溶物进行了主量元素的分析。结果表明,在已有的几个不受粒度影响的化学风化指标中,（CaO+MgO+Na2O）/TiO2比值对气候条件变化具有相对较高的敏感性,且受沉积速率的影响较小。在源区风化状况相对稳定的前提下,它是一个反映夏季风变化较为有效的指标。根据该指标在黄土高原上的空间等值线图,发现其从北到南间冰期的变幅大于冰期,这可能表明间冰期时夏季风降水在黄土高原的变化梯度要大于冰期。     

末次盛冰期西太平洋海温差异对亚洲夏季风影响的数值模拟

文章利用Zhao等的模拟结果,进一步研究了在末次盛冰期(LGM)情景下汪品先和CLIMAP两种重建海洋表面温度(SST)资料差异对亚洲夏季风的影响。模拟结果表明:在LGM情景下西太平洋海域SST资料的不同对模拟的亚洲夏季风有着十分重要的作用。夏季,与CLGM方案相比,在WLGM方案中,当热带西太平洋SST较暖时,印度地区的大气热量出现显著增加,大气热量的这种变化,使得南非高压、南印度洋经向Hadley环流加强,伴随着索马里越赤道气流加强,也导致了印度季风区纬向季风环流的加强,从而造成了印度夏季风增强、降水增多;与较暖的热带西太平洋相对应,澳大利亚高压和120°E附近越赤道气流减弱,东亚季风区20°N以南经向季风环流加强、20°N以北经向季风环流减弱,指示着一个强的南海夏季风和较弱东亚副热带大陆夏季风。     

东亚夏季风北部边缘区近260年以来的极端干旱事件

基于高分辨率的树轮年表数据集, 分析了近260年东亚夏季风北部边缘区发生的极端干旱事件, 并利用统计算法分析了极端干旱事件的强度及影响范围。结果显示, 区域在1890~1894年、1898~1905年、1926~1932年及1991~1997年发生极端干旱事件, 其中1890~1894年的极端干旱事件在部分年表中表现显著, 1898~1905年的极端干旱事件在大部分年表中均有所记录, 1926~1932年的极端干旱事件几乎在所有年表中均有记录, 是近260年来发生的强度最强、波及范围最广的干旱事件, 1991~1997年的极端干旱事件影响范围不大, 但在其影响区域强度较高。     

越南岸外晚第四纪上升流与东亚夏季风变迁

通过对南海西部越南岸外17954-3柱状样中浮游和底栖有孔虫的定量分析,结合碳酸钙、有机碳和稳定同位素数据,获得南海西部上升流区近20万年来的古海洋学记录,进而讨论了晚第四纪东亚夏季风的变迁。结果表明,在间冰期,尤其是末次间冰期,越南岸外出现表层海水古温度低、温跃层浅、生产力高,同时底层海水富营养的现象,说明上升流的存在,且该上升流有从氧同位素5期（MIS5期）向1期逐渐减弱的趋势。结合南海现代海流及生产力分布的研究,推断该上升流由东亚夏季风驱动,其强弱的变化说明,东亚夏季风在近20万年来有间冰期增强、冰期减弱,且从MIS5期向MIS1期递减的特征。     

中国北方季风边缘区过去530年降水的时空变化及其驱动机制研究

中国北方季风边缘区位置的移动影响着整个西北地区的旱涝变化和生态建设的发展。树轮和历史文献记录可以为该地区过去几百年气候环境变化和季风变化提供重要的信息。本文选取了8条树轮序列结合31条中国历史文献记录和实测降水量资料, 重建了中国北方地区近530年的年降水量演化特征, 对比分析了不同特征时期400mm等降水量线空间位置的差异及其可能的驱动机制。结果表明, 在年际尺度上, 降水量最丰年400mm等降水量线位置都比近30年平均位置偏北, 而干旱事件时期400mm等降水量线位置比近30年平均位置更偏南, 且干旱时期的波动要比湿润年份的波动幅度更大; 在年代际尺度上, 最湿润10年和最干旱10年400mm等降水量线位置同样比最近30年偏北和偏南, 但是其空间位置的变化没有年际尺度显著。研究区降水量空间位移变化主要是受北大西洋涛动(NAO)和厄尔尼诺南方涛动(ENSO)的影响。     

长江中游石笋年层厚度作为东亚夏季风强度代用指标的研究

利用Olympus偏光显微镜,直接在光学薄片上对长江中游和尚洞HS4石笋进行微层计数,并测量微层厚度。微层计数结果与其对应的UTh定年结果相吻合,证明该支石笋微层为年层;统计分析说明,该石笋的年层厚度变化响应近百年来东亚夏季风强度变化,两者呈负相关,说明长江中游石笋生长受东亚夏季风制约。因而,长江中游石笋年层厚度可以作为高分辨率的东亚夏季风强度代用指标。     

LGM时期气候背景下中国区域植被变化对东亚夏季降水影响的模拟

利用CCM3/NCAR全球气候模式在21kaB.P.(2.1万年前)的末次盛冰期(LGM)气候背景下,对中国区域植被变化对夏季(6～7月)东亚季风降水的影响进行了模拟,结果表明： 在LGM时期气候背景下,植被退化会使得中国东南部夏季降水减少,其中东南沿海减少超过20mm,而在 100°E 以东的中国北方大部分地区降水增加,其中心值大于50mm,从而导致降水南少北多的现象,植被的这种影响可以从物理上得到解释。在LGM气候背景下,植被退化在暖季起着增温的作用,即通过影响地表热状况使夏季大陆增温,增强了夏季东亚大陆与其周边海域的热力差异,从而使夏季东亚地区的西南风增强,35°～45°N的北方地区对流层低层的空气辐合和对流层上升运动加强,伴随着在 30°N 以南的中国南方地区出现异常下沉运动; 同时,西南季风的加强也导致夏季在 30°～40°N 之间的华北地区低层水汽输送加大。在这些因子的共同作用下,中国北方夏季降水增多,而东南部降水减少。这些结果说明使用LGM时期中国区域不同的重建植被资料可以对东亚季风气候模拟产生一定的不确定性。因此,重建可信度高的东亚植被对于降低对气候模拟的不确定性是十分重要的。     

末次间冰期以来青藏高原东部季风演化的黄土沉积记录

对青藏高原东部甘孜地区末次间冰期以来黄土地层的磁化率、粒度、CaCO3含量和有机碳含量等气候代用指标的综合分析表明,末次间冰期以来青藏高原东部冬、夏季风分别经历了5次和6次较为强大的时期;其演化阶段基本可与深海氧同位素曲线(SPECMAP)对比。与同期印度洋季风强度变化存在极高的一致性(特别是在氧同位素阶段3)。我们认为,全球冰量变化可能不是控制青藏高原季风演化的决定因素,而其它因素如太阳辐射变化及高原下垫面状况对高原季风演化可能具有更为重要的意义。