黄土高原古气候变化定量重建的新进展

中国黄土- 红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造- 千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,黄土高原古气候变化研究逐步从定性描述拓展到定量重建,本文旨在回顾基于中国黄土定量重建古温度和古降雨变化取得的重要进展。首先,梳理了古气候要素定量重建的指标和方法,古温度重建指标包括植硅体、碳酸盐耦合同位素、微生物脂类代用指标等;古降水变化敏感指标包括磁化率、白云石/方解石含量、生物微钙体Sr/Ca比值、有机碳同位素以及10Be等。然后,汇总了典型黄土剖面定量重建的古气候变化序列,分别从构造、轨道及千年时间尺度上探讨了古温度和古降雨的变化特征。结果表明,基于生标重建的不同时间跨度的土壤古温度变化序列,在冰期—间冰期尺度上的波动特征基本一致,但在冰盛期—冰消期时段出现了增温超前现象,说明陆地植被对土壤温度变化有重要调制作用。然而,不同指标重建的降水变化幅度差异较大,主导周期也存在差异,说明定量重建降水变化仍有较大挑战。最后,简要总结了黄土高原古气候定量重建存在的问题,明确了区分温度和降水季节性变化的重要性,指出加强地质记录与模拟结果的对比同化,将有助深化对多尺度季风变化动力学的理解。     

基于NLCCA的中国夏季降水与东亚夏季风关系的探讨

运用一种基于人工神经网络的非线性典型相关分析方法(NLCCA),对中国夏季降水与东亚夏季风之间的非线性关系进行了分析。结果表明,夏季降水对东亚夏季风的响应具有一定的非线性,当夏季风较强与较弱时,对应的中国夏季降水异常分布呈现明显的不对称性。夏季降水与夏季风之间的关系可分离为线性响应和非线性响应,其中非线性响应部分占总方差贡献的52.1%,说明我国夏季降水异常分布与东亚夏季风相互之间的关系既有线性特征也有非线性特征,非线性响应略显重要。     

全球稳定增温1.5℃下北非夏季风降水的响应及其机理

利用第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模式模拟结果,研究了21世纪末全球稳定增温1.5 ℃下北非夏季风降水的变化及机理。结果表明,全球稳定增温1.5 ℃较1985—2014年北非夏季风降水将增加0.26 mm/d,区域降水敏感度为4.8 ％/℃,且季风区北部降水增幅大于南部。基于水汽收支诊断发现热力项对季风区总降水增加作用明显,动力项对降水空间变化起重要作用。进一步分析当地水汽条件及相应环流场发现:在热力上,相对于1985—2014年,稳定增温1.5 ℃加强了北非地区表面温度及低层水汽输送,有利于当地维持更高的大气可降水量。在动力上,稳定增温1.5 ℃下显著的撒哈拉沙漠增温加大了海陆温度梯度,增强了对流层低层季风环流,同时非洲东风急流北移,使得季风区北部低层气流辐合加强,而高层热带东风急流减弱会导致季风区高层辐散运动减弱。总的来说,热力项增加了整个季风区降水,而动力项增强了季风区北部降水,减弱南部降水,主导了降水变化的空间格局。     

清代云南雨季早晚序列的重建与夏季风变迁

根据以档案为主的历史文献资料逐年进行考订,复原了云南1711~1911年间的雨季早晚序列,并利用多种资料进行了检验。分析表明,云南雨季开始期年际和年代际的波动都较剧烈,还存在年代际尺度以上的长时间尺度波动。雨季开始期从18世纪初逐步转向偏早,19世纪又转向偏迟,到20世纪又偏早,这在一定程度上反映了夏季风的长期变迁。云南雨季开始期存在明显的准3年和11.3年周期,准3年周期可能和El Nino事件的准3年周期有关,11.3年周期明显和太阳活动的11年周期有关。同时发现,El Nino事件对云南雨季的开始期有重要的影响,在El Nino年云南雨季开始期主要为偏迟或正常,但这种影响存在明显减弱的时期,可能意味着ENSO事件对亚洲夏季风的影响存在某种震荡。     

东亚夏季风推进过程的气候特征及其年代际变化

利用1951~2001年NECP的逐日再分析资料及中国东部366站1957~2000年逐日降水资料,提出东亚夏季风推进过程的定量指标,分析东亚夏季风推进过程的年代际变化。结果表明：标准降水指数为1.5的等值线较好反映了中国东部夏季雨带的南北移动,以及雨带推进过程中呈现的阶段性与突变性特征。东亚夏季风的推进过程具有显著年代际变化,与夏季风前沿位置有关的指标在20世纪60年代中期前后发生显著变化,与夏季风推进强度有关的指标则在70年代末出现突变。60年代中期前,南海夏季风的建立时间较迟,但北推较快,夏季风前沿到达华北地区时间较早,在华北地区维持时间长,夏季风的北界位置偏北,华北雨季、淮河梅雨明显。70年代末以后南海夏季风的建立时间较早,夏季风前沿附近南风强度明显偏弱,降水主要集中在长江流域及其以南地区,华北雨季不明显。     

基于植被信息遥感反演的东亚飞蝗监测研究

植被是东亚飞蝗发生和成灾的重要指示因子。运用遥感技术对植被生长进行监测,对东亚飞蝗的预测和防治具有重要意义。以河北省黄骅市为研究区,利用实地获取的植被冠层孔隙度数据反算的LAI数据以及Landsat-5 TM影像提取的各种VI数据,进行了LAI(LAI-2000改进型算法的反算结果)与TM影像上反演的VI之间的相关分析。结果表明,RDVI最适合反映研究区植被生长状况。分析RDVI与飞蝗发生面积的关系,发现两者呈负线性相关,即随着RDVI减小,飞蝗的发生面积呈线性增大。     

东亚季风气候对Heinrich2事件的响应:来自石笋的高分辨率记录

据湖北省神农架天鹅洞一支石笋11个230Th年龄和254个δ18O数据,建立了28.5～22.0kaB.P.同位素分辨率平均约30a的东亚季风气候变化序列。该石笋δ18O曲线与南京葫芦洞石笋记录在重叠时段基本一致,说明本区石笋δ18O反映了区域性东亚季风经向环流特征。在24.3kaB.P.左右,石笋δ18O明显正偏,持续时间近1ka,指示一次显著的弱夏季风事件,与北大西洋倒数第二次冰漂碎屑事件(Heinrich2)同步发生,可视为东亚季风气候对H2事件的响应。高分辨率的δ18O序列揭示了H2事件的内部结构特征:(1)事件发生的突变性,石笋δ18O记录指示事件发生时在100a内δ18O从-8.59‰迅速正偏为-6.75‰,振幅达1.84‰;(2)事件结束的渐变性,δ18O正偏到-6.75‰后便以阶梯状缓慢负偏到-8.86‰至事件结束,持续时间近900a。这一过程与末次盛冰期东亚季风气候H1事件表现的季风强弱转换方式基本一致,说明末次盛冰期东亚季风气候H型事件具有共同的内部结构特征。研究表明,末次盛冰期东亚季风气候H事件的突变可能受北大西洋驱动并经青藏高原冰川变化放大。     

基于卫星高度计资料分析南海热含量的年际变化特征

本文从海面高度异常与海洋热含量变化的线性关系出发,利用1992～2004年多颗卫星融合海面高度资料,对南海海域的热含量异常进行了计算.这一计算结果与基于气候态温盐资料计算的热含量季节变化具有很好的一致性.本文得到的结果还显示南海热含量异常具有明显的长周期变化,表现为:1992～1998年基本保持比较稳定的年际变化特征,1998年之后,热含量出现明显的跃变,这一跃变一直维持到2001年,在2002年开始出现热含量的递减趋势.对此时间序列进行谐波分析可以看出,南海热含量异常除了具有显著的年变化周期外,还存在明显的0.5、1.5、2.4、4年和6年的变化周期.进一步分析还发现,南海12月份热含量异常可以作为南海夏季风爆发的一种预报指标.     

东亚2005年和2006年冬季风异常及其与准定常行星波活动的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料系统地分析了2005年与2006年冬季欧亚大陆的气温和东亚冬季风的差别及其与北半球准定常波活动的关系。分析结果表明:2005年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏低,东亚冬季风偏强;而2006年冬季欧亚大陆中、高纬度地区气温偏高,出现暖冬,东亚冬季风偏弱。分析结果还表明,这两年冬季东亚冬季风的差别不仅是由于西伯利亚高压和阿留申低压的变异所造成,而且是由于北极涛动(北半球环状模)的变化所造成。并且,作者还从这两年冬季北半球准定常行星波活动的差异,在动力理论上进一步讨论了这两年冬季北半球气候和东亚冬季风差异的机理。结果表明:2005年冬季北半球行星波活动为低指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播加强,而往低纬度对流层上层传播减弱,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐合加强,而在副热带地区对流层中、上层辐散加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流减弱,而副热带急流加强,这有利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风增强;相反,2006年冬季北半球行星波活动为高指数,准定常行星波在高纬度往平流层传播减弱,而往低纬度对流层上层传播加强,造成了行星波E-P通量在高纬度地区对流层中、上层辐散加强,而在副热带地区对流层中、上层辐合加强,引起了北半球高纬度地区极锋急流加强,而副热带急流减弱,这不利于西伯利亚高压的发展,从而引起了东亚冬季风减弱。     

El Niño对东亚气候年际异常影响的数值模拟

根据1949~1998年期间8次显著El Niño事件合成的24个月年际海温异常(SSTAs)和气候平均的海温(SST),利用CCM3分别进行了3个包含10次积分的集合试验,即控制试验(CTRL),热带太平洋海洋全球大气试验(TOGA)以及整个太平洋海洋全球大气试验(TOGA-NP),通过对比分析这3个试验之间的集合模拟结果,揭示了在El Niño不同演变阶段东亚气候年际异常响应结构以及北太平洋年际SSTAs在此过程中的调制作用.结果表明:El Niño发展阶段夏季,东亚地区大气环流异常呈显著的负PJ波列,副热带高压减弱、偏东,东亚夏季风增强,东北和江淮流域降水偏多,华北和长江流域及其以南地区降水偏少;El Niño成熟阶段冬季,东亚大槽加强,东亚北部冬季风加强,西太平洋副热带地区低层有显著的反气旋式异常风场,华南地区降水显著增多;El Niño衰亡阶段夏季东亚气候年际异常型与其发展阶段夏季几乎相反.同时,北太平洋年际SSTAs对El Niño影响东亚气候年际异常有一定的调制作用,使模拟的我国降水异常分布更符合观测.