中纬度亚洲现代间冰期气候变化的“西风模式”讨论

中纬度亚洲地区存在主要受季风环流影响的东南部湿润地区(简称季风区)和主要受西风环流控制的内陆干旱区(包括青藏高原北部高寒干旱区,简称西风区)。根据对近年来新发表的气候变化记录证据梳理总结,发现西风区在中—晚全新世气候湿润,与亚洲季风在早—中全新世强盛的格局显著不同。过去千年的西风区中世纪暖期干旱,而小冰期相对湿润,与此相对,万象洞石笋氧同位素记录则显示季风降水在中世纪暖期时整体处于高值,在小冰期处于低值段。在近百年,尤其是近50a,西北干旱区湿度增加,而季风影响范围内的西北东部和华北等地变得更干。不仅如此,在分属西风和季风影响区的青藏高原北部和南部,年代际—百年尺度上降水变化也表现出反相位关系。据此我们提出,亚洲中部西风带控制区在现代间冰期从数千年到年代际的各个时间尺度上均存在不同于季风区的湿度(降水)变化模式,称之为现代间冰期气候变化的西风模式。     

末次冰盛期和中全新世气候模拟分析进展

回顾了课题组近年来有关末次冰盛期和中全新世气候模拟分析的研究进展,包括中国气候、东亚和全球季风以及相关的主要大气环流系统等变化。多模式试验数据的分析表明,末次冰盛期中国降温和年均有效降水变化与重建记录定性一致,但模拟幅度偏弱;中国冻土区扩张、永冻土区活动层变薄,中国西部冰川物质平衡线高度降低;东亚季风变化在不同模式间差异较大,中国季风区范围和季风降水减小,北半球陆地季风区南移、全球季风区缩小和降水强度减弱共同引起全球季风降水减少;全球降水和潜在蒸散发共同减小使得全球干湿变化总体很小;北半球西风带在高层北移、低层南移,热带宽度变化依赖于指标的选取,厄尔尼诺—南方涛动气候影响、热带太平洋沃克环流均减弱并东移。在中全新世,多模式模拟的中国年和冬季偏冷仍然与大部分重建记录显示的偏暖不同;东亚冬季风增强,东亚夏季降水变化存在空间不一致性;中国和全球尺度的季风区范围和季风降水均增加;东北多年冻土退化、青藏高原多年冻土向低海拔扩张,北半球永冻土区减小、季节性冻土扩张、冻土区北退、永冻土区活动层变厚;全球干旱区面积总体变化很小;夏季东亚西风急流显著减弱并北移,厄尔尼诺—南方涛动减弱,热带太平洋沃克环流...     

黄土高原记录的MIS 6.5期东亚夏季风信号及其古气候意义

深海氧同位素(MIS)6.5期是古气候演化的一个特殊时期。其太阳辐射强度显著高于全新世, 但当时冰量较大, 全球气候整体处于冰期环境; 此现象支持全球气候变化主要受控于全球冰量。然而, 来自中国石笋氧同位素异常偏负, 指示东亚季风区湿润程度已达间冰期水平, 支持东亚夏季风直接受太阳辐射所驱动。为理解以上冲突, 本研究选取黄土高原沉积序列为研究对象, 考察东亚夏季风是否可能在MIS 6.5期发生扩展, 理解东亚季风区对太阳辐射的响应关系。研究结果发现:MIS 6.5期黄土高原水分条件与MIS 3期类似, 显著低于典型间冰期气候。MIS 6.5期与典型间冰期之间降水量的差别, 由季风边界区向核心区呈现逐渐降低的趋势。东亚夏季风演化与太阳辐射变化并不完全一致。黄土高原西北部沉积序列记录的东亚夏季风演化包含有强烈的岁差周期和100ka周期, 可能受全球冰量和低纬地区太阳辐射的共同影响。     

亚洲干旱/半干旱区降水与大洋暖池气候的相关特征研究

利用ERA-40再分析资料分析了亚洲干旱/半干旱区降水与大洋暖池气候的相关特征.结果表明:亚洲干旱/半干旱区剔除季节变化的水汽、降水与三个大洋暖池(WPWP、EIOWP和EP)区在南北纬10°之间区域水汽、海温都有非常显著的正相关关系.其中,干旱/半干旱区降水与东印度洋暖池海温的相关性最好,与西太平洋暖池海温的相关性次之,与ElNino1+2区的相关性较弱;ElNino区越靠近中太平洋,亚洲干旱区与ElNino区水汽的相关性就越强.亚洲干旱/半干旱区夏季的降水与EIOWP1、WPWP1/2和EP三个大洋暖池四季的海温都有较好的相关性,亚洲干旱/半干旱区的降水对EIOWP1的海温变化响应最快(降水变化延后海温变化1-3月),对WPWP1/2区海温变化的响应最慢(延迟4个月).就季节尺度而言,在ElNino年冬季和LaNina年的夏季,亚洲干旱/半干旱区的降水都比常年偏多.近年来由于西风减弱和印度季风的增强,使得更多的印度季风区和东亚季风区水汽被输送到亚洲干旱/半干旱区,是干旱区上空水汽增加,降水增多的原因之一.     

亚洲中部干旱区在20世纪两次暖期的表现

利用亚洲中部干旱区1901-2002年近100 a气温及北半球海平面气压、冬季西伯利亚高压强度指数、西风指数资料,分析了20世纪全球变暖的两个较明显时期在该干旱区的响应特征,以及大气环流变化和太阳活动对干旱区气温异常的影响.结果表明:亚洲中部干旱区对20世纪全球发生的两次暖期的响应特征是有显著差异的.对1920-1940年代全球发生的第一次暖期,亚洲中部干旱区整体并没有响应,仅在其东部的季风影响边缘区有响应;而对1970年代以后发生的第二次暖期,亚洲中部干旱区整体都作出了响应.冰岛低压的异常加深、同时北大西洋亚速尔高压的显著增强,西伯利亚高压强度指数的异常减弱,以及西风指数的异常增强是导致亚洲中部干旱区气温偏高的可能原因,可以初步解释研究区整体对20世纪全球两次暖期响应不同的原因.太阳活动作为外部影响因子之一,对干旱区气温的影响是阶段性的,且在百年时间尺度上,二者并没有显著的相关性.     

论全球变暖背景下中国西北地区降水增加问题

随着全球变暖,全球的降水形式、分布格局都在发生着变化,其中干旱区的降水变化尤为引人瞩目.西北地区干旱少雨,在全球变暖背景下,降水量和大气中的含水量均呈现出增加趋势.通过研究认为这种"暖湿"是一种干旱区湿润程度的改善,并不会改变其干旱少雨的基本气候特征.西北地区降水的形式和性质都和我国东部地区有着根本的差别,降水增加主要是极端和短时对流降水的增加.另外,降水增加主要发生在西北干旱区的内陆河流域,该流域内的干旱地区的农业生态问题并非富水就能解决;西北地区的河西走廊等干旱和极端干旱地区水资源的主要来源是山区降水和冰雪资源;科学理性地认识西北地区降水增加,是正确处理西北地区水资源合理调配和使用、科学开展生态文明建设的前提.     

最后两个冰期旋回季风-沙漠系统不稳定性的高分辨率黄土记录

黄土高原西北部黄土沉积的粒度变化同时受控于沙漠进退和冬季风强度波动,因此,此区粒度可视为季风-沙漠系统变迁的替代性指标。本研究以2cm为间隔,对李家塬和新庄源S2以上部分做了粒度分析。结果表明,倒数第二次冰期中的冰阶时段与末次冰期类似,存在着频繁的千年尺度的气候波动;而末次间冰期这类变化并不明显。     

云南鹤庆古湖晚更新世的孢粉记录及其古气候学意义

本文通过鹤庆古湖沉积物的孢粉记录对该区晚更新世的古植被和古气候进行了恢复。该区末次间冰期和末次冰期内部气候波动性特点与深海氧同位素记录有着较好的可比性,反映在全球变化的背景上,气候的不稳定性同样在本区有明显的响应。而且不同季风区气候资料对比也表明,本区冷湿和暖干的气候组合具有明显的区域特征,末次冰期该区夏季锋面降水增多,而间冰期则与之相反。造成这种区域环境效应的原因,与西南季风区大气环流的复杂性、云贵高原的地貌部位以及由青藏高原地表反照率引起的热力学和动力学过程有关。     

东亚干旱半干旱区水汽来源研究进展

气候增暖背景下,东亚干旱半干旱区降水发生了显著变化,水汽输送变化对该区域降水异常具有重要作用。回顾和梳理了近年来关于东亚干旱半干旱区的水汽来源的研究,重点关注外部水汽输送来源、季节差异以及局地蒸散发变化,讨论并展望了未来研究方向。现有研究表明,来自孟加拉湾—印度洋、南海、西太平洋和欧亚大陆陆地蒸散发的水汽分别通过南亚季风、南海季风、副热带季风和中纬度西风带传输至东亚干旱半干旱区,夏季以来自南海和西太平洋的水汽占主导,冬季基本取决于西风所携带的水汽含量。1979年以来,东亚干旱半干旱区年降水再循环率均呈现增加趋势,季节尺度夏季的再循环率高于冬季。未来主导东亚干旱半干旱区水汽输送特别是夏季水汽输送进而影响降水的源地以及路径需要进一步验证,量化外部输入水汽和内部蒸散发水汽相对贡献的研究或将成为未来研究热点,全球变暖背景下降水水汽来源变化仍需进行更为深入的研究探讨。     

中国黄土记录的季风快速变化

中国黄土高分辨率代用指标研究表明东亚季风气候存有亚轨道尺度的快速波动,与北半球高纬气候和大西洋经向环流变化关系密切。本文回顾前人在黄土高原地区多个典型剖面的研究结果,分末次冰期、最后两个冰期旋回及极端冰期（L₉和L₁₅）3个时段,阐述了粒度、元素比值、风化指数等代用指标揭示的冬、夏季风快速变化特征,并与冰芯、石笋和深海记录进行对比,探讨了季风突变事件的区域一致性和遥相关动力过程。结果表明,黄土高原西北部高分辨率黄土剖面代用指标对季风快速变化敏感,而东南缘黄土记录的突变事件不太清晰,这种差异受控于沉积速率和风化成壤的空间变化;在冰期-间冰期不同气候背景下,黄土粒度和元素比值的变化幅度和周期表现出较大差异,冰期幅度大、频率快,间冰期幅度小、频率慢,表明冰量大小对季风快速变化有调制作用;在两个极端寒冷期（氧同位素阶段22~24和38）,黄土粒度同样表现出快速变化特征,但与北大西洋浮冰碎屑记录似乎难以对应,可能与海陆记录的分辨率差异和年代标尺不确定性有关。综上所述,季风快速变化特征在沉积速率相对较高、成壤相对较弱的黄土剖面比较清晰,在冰期-间冰期不同下垫面条件下季风快速变化的特征和机理可能不同。未来的季风快速变化研究,一方面在时间尺度上拓展高分辨率敏感代用指标研究,揭示季风快速变化的起源和演化特征;另一方面加强地质记录和数值模拟结果的对比研究,获得季风快速变化动力机理的全面认识。

     

河西内陆河流域出山径流对气候转型的响应

对甘肃河西内陆河流域出山径流变化过程与趋势的研究表明,从20世纪80年代中后期开始,受西风环流降水的影响,祁连山区中、西部的黑河、疏勒河流域的气候环境发出了由增温变干转为变湿的讯号,具体表现为随着山区气温升高,降水量增加,出山径流相应增大.采用区域气候模式预测和水文统计模式的计算,亦同样证实出山径流有显著的增加趋势.但受季风影响的祁连山东部的石羊河流域则尚未出现这种转变,从20世纪50年代起,出山径流量持续下降,表明其气候环境仍向增温变干的方向发展.     

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。     

西北地区大气水汽的区域分布特征及其变化

对西北地区大气水汽的区域分布及变化特征进行了分析.结果表明:受不同气候系统影响的西北地区可划分为西风带、高原区与东亚季风等3个气候影响区,水汽沿西北、西方与西南3条路径输送到西北地区;东亚季风区是西北大气可降水量和水汽通量的最丰富区,西风带区是次之,高原区最少.平均状况下,高原区的边坡、东亚季风区、天山及祁连山等西北地区降水最大和次大中心维持水汽的辐合状态.西风带区在1978年以前净水汽通量呈“亏损”状态,之后维持“盈余”;高原区净水汽通量一直为“亏损”状态;东亚季风区90年代以前净水汽通呈“盈余”状况,其后基本维持平衡,且数值远大于其它区.西风带区降水和大气水汽在变化过程中均有突变发生,时间分别为1990年和1985年,其它两区没有突变现象发生.     

On Monsoon Precipitation Changes During the Medieval Warm Period and the Little Ice Age in Southeastern China

Periodic progresses have been made on monsoon precipitation changes during the past millennium in eastern China. However, trends of precipitation records reconstructed in the southern part of the region are inconsistent, especially for the relative humidity and dryness between the Medieval Warm Period and the Little Ice Age. In the present study, 17 published monsoon precipitation records, reconstructed from lake sediments, peat sediments, coastal muddy sediments and historical documents, for the past millennium from southeastern China were collected and compared. The results show that trends of various records are inconsistent. The inconsistencies could be partly attributed to age uncertainties and interpretation of the proxies; and the regional differences in precipitation changes might be another causation. To further explore the spatiotemporal patterns and driving mechanisms of monsoon precipitation during the past millennium in southeastern China, more records with accurate chronology and reliable proxies should be reconstructed.     

中国黄土高原西缘甘肃万象洞MIS 5石笋δ18 O记录与南方地区石笋记录的对比研究

位于青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞石笋WXSM51和WXSM52提供了MIS 5(118~79kaB.P.)高分辨率的δ18 O记录。研究表明, 万象洞石笋δ18 O值与夏季风强度呈负相关关系, 与我国西南部的贵州董歌洞石笋δ18 O记录有良好的对应关系, 并与高纬度的格陵兰NGRIP冰芯δ18 O记录和65°N太阳辐射强度有很好的一致性, 说明万象洞石笋δ18 O记录了118~79kaB.P.期间亚洲季风强度的变化, 同时也说明东亚季风强度的变化和全球气候变化同步, 而且主要受控于北半球太阳辐射强度的变化。同时它与地中海碳酸盐记录有很好的相似性, 和巴西石笋δ18 O记录在千年尺度上表现出相反的变化趋势, 说明东亚季风区、地中海地区以及巴西季风区之间存在密切的联系, 指示了南北半球气候在千年尺度上存在"跷跷板"(seesaw)现象。万象洞石笋δ18 O记录的MIS 5b与MIS 5a突发性转换, 与NGRIP冰芯δ18 O记录相似, 而与神农架记录存在差异, 说明万象洞地区对亚洲季风强度的响应更为敏感。     

西北干旱区近50年气候变化特征与趋势

20世纪后期全球增暖趋势越来越明显，受全球增暖的影响，西北地区的气候也将受到不同程度的影响。选取了西北干旱区1951-2000年的21个代表站点气温、降水量资料，采用趋势系数法对西北干旱区近50年气温和降水变化进行分析，找出各分区的变化趋势。结果表明：近50年西北干旱区气温呈上升趋势（0．22℃／10a），1986年后气温明显升高；柴达木盆地和新疆北部升温较大；各季都有增温趋势，贡献最大的是秋冬两季。降水变化有增加的趋势（3．2mm／10a），年降水量贡献最大的是夏季；各区降水都有增加，其中新疆北部降水增加最多。西北干旱区近50年气温升高趋势是南北高，中间低；降水量增加趋势从东南向西北呈现递增的格局。     

湖北永兴洞降水对2015年厄尔尼诺的响应

通过对湖北永兴洞为期3年（2013年6月至2016年7月）的地表降水δ¹⁸O观测,发现该地点降水δ¹⁸O在2015夏季显著偏正。利用HYSPLIT后向轨迹方法对永兴洞降水水汽来源进行分析,结果表明在厄尔尼诺事件的影响下2015年夏季来自远源印度洋的水汽显著减少,而近源太平洋水汽相对增多,即降水δ¹⁸O因"环流效应"而偏正。本研究提供的观测证据表明永兴洞石笋δ¹⁸O记录在重建ENSO主导下的亚洲季风大气环流方面具有重要潜力。

     

MIS 5c向MIS 5b转换期亚洲夏季风的演变特征——万象洞石笋记录

根据亚洲季风边缘区武都万象洞一根长360mm石笋(WX0541A)的6个 230Th年代和828个 δ18O数据, 建立了104107~91858a B.P. 期间高分辨率和高精度亚洲夏季风变迁的时间序列。通过与中国东部季风腹地湖北三宝洞和现代西风控制区新疆科桑洞的石笋 δ18O记录对比发现, 三者的变化模式在研究时段内具有相似性。其中, 3个洞穴石笋同位素在MIS 5c中期相当于Greenland D/O 23暖阶段的偏负阶段, 从南到北显示出逐渐偏负的趋势, 是季风降水大陆效应的真实反映; 而在96495~92562a B.P. 之间的同位素偏重阶段, 万象洞和科桑洞石笋同位素组成相近并偏正于三宝洞石笋的 δ18O值, 偏离了亚洲夏季风的内陆入侵规律, 可能与MIS 5b太阳辐射降低时期万象洞和科桑洞地区可变的季节性降水或加入的西风降水有关。     

Climate variability in central China over the last 1270 years revealed by high-resolution stalagmite records

Oxygen and carbon isotopic variations in the upper section of a stalagmite (SF-1) from Buddha Cave (33°40′N 109°05′E) dated by ²³⁰Th/²³⁴U ²¹⁰Pb and lamination counting to a time resolution as fine as 1–3 years have recorded climate changes in central China for the last 1270 years. The changes include those corresponding to the Medieval Warm Period Little Ice Age and 20th-century warming lending support to the global extent of these events. The isotopic records also show cycles of 33, 22, 11, 9.6, and 7.2 years. The 33-year cycle could well represent the ∼35-year periodicity of climate fluctuations previously recognized in China and Europe. Cycles of 22, 11, and 9.6 years have often been associated with the Sunspot or lunar-orbit variations. The 7.2-year cycle was recently identified also in tree-ring records from an area close to Buddha Cave. These cycles suggest that external forcing (e.g. solar irradiance) may affect the summer monsoon over eastern China. The general consistency between the climate characteristics inferred from the stable isotope records of SF-1 and those from other proxy records underscores the value of stalagmites as recorders of paleoclimate.     

近40年中国平均气候与极值气候变化的概述

随着中国气象局对近50年来逐日气象观测资料的释放,人们从不同的角度对中国平均气候和极端气候的分布特征有了更多的了解.从目前研究的结果来看,这些认识需要有一个集成,即需要有一个总体的归纳和解释.通过中国近40年来的温度极值和降水极值事件的分析认识到全球增暖和区域环流异常决定着气候极值事件的分布格局.与全球增暖相联系的是:我国微量降水在空间上表现为一致的减少趋势,我国北方寒潮事件显著减少,冷夜和冷日的减少与暖夜和暖日的增多并存,以及极端强降水有增多的趋势.与东亚季风气流和西风带气流异常对应的我国有效降水在区域分布上发生了显著变化,东部季风区中的"北涝南旱"从1970年代末转型为"南涝北旱",与华南的偏干一起形成了东部季风区降水从华南、长江到华北的"-、 、-"异常分布型,但华南在1991年出现了转湿的突变;东北和西北先后从1983年和1987年前后转为暖湿气候.极端温度和极端降水趋势的空间分布与平均温度和平均降水趋势的空间分布一致.