安徽宣城黄土堆积的磁性地层学与古环境意义

利用磁性地层学方法对安徽宣城剖面的研究表明,B/M界限位于剖面中网纹红土的中下部,结合光释光测年可以外推出长江中下游地区的典型风成沉积开始形成于0.85Ma前后。这一年龄对应于一次全球性的气候转型事件,在海洋沉积与我国北方的黄土-古土壤序列中均记录了这一气候转型事件。同时,0.85Ma对应于中更新世的两大地质事件,一是全球冰量的增加,二是青藏高原的快速隆升,长江中下游地区风成堆积的开始,可能是上述两个因素共同作用的结果。      

Paleoclimate Modelling at the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences

Paleoclimate modelling is one of the core topics in the Past Global Changes project under the International Geosphere-Biosphere Programme and has received much attention worldwide in recent decades. Here we summarize the research on the Paleoclimate modeling, including the Holocene, Last Glacial Maximum, and pre-Quaternary climate intervals or events performed at the Institute of Atmospheric Physics under the Chinese Academy of Sciences (IAP/CAS) for over one decade. As an attempt to review these academic activities, we emphasize that vegetation and ocean feedbacks can amplify East Asian climate response to the Earth’s orbital parameters and atmospheric CO2 concentration at the mid-Holocene. At the Last Glacial Maximum, additional cooling in interior China is caused by the feedback effects of East Asian vegetation and the ice sheet over the Tibetan Plateau, and the regional climate model RegCM2 generally reduces data-model discrepancies in East Asia. The simulated mid-Pliocene climate is characterized by warmer and drier conditions as well as significantly weakened summer and winter monsoon systems in interior China. On a tectonic timescale, both the Tibetan Plateau uplift and the Paratethys Sea retreat play important roles in the formation of East Asian monsoon-dominant environmental pattern during the Cenozoic.     

1901~1950年5~9月北半球CRU数据与树轮资料的对比

气候变化的研究依赖于可靠的气候数据。英国东英吉利大学气候研究中心推出的一套依据观测资料插值所得的月平均气候数据集（CRU）,是目前使用较为广泛、质量较高的气候数据集。气候观测数据大多始于1950年,已有的研究也表明CRU数据在1950年后更具参考价值,但该数据集在1950年之前的可靠性不清楚。由于1950年之前缺乏器测数据,本研究使用树轮资料,对比每十年树轮重建温度（降水）与树轮附近CRU格点上的温度（降水）的距平和趋势的同号率,来评价CRU温度（降水）数据在不同地区的数据质量（可靠性）,由此发现从1930年代开始,CRU温度数据在欧洲和中西伯利亚可信度较高;从1940年代开始,CRU温度数据在美国东部可信度较高;从1940年代开始,CRU降水数据在美国东部与西西伯利亚可信度较高。研究发现,气象站密度对CRU数据质量有很大影响;在气象站密度小的地区,CRU温度或降水数据与树轮序列的差异更为显著,气候数据质量偏低;而数据可信度较高的年代和地区,气象站密度往往较大。

     

Impact of topography and land-sea distribution on East Asian paleoenvironmental patterns

Much geological research has illustrated the transition of paleoenvironmental patterns during the Cenozoic from a planetary-wind-dominant type to a monsoon-dominant type, indicating the initiation of the East Asian monsoon and inland-type aridity. However, there is a dispute about the causes and mechanisms of the transition, especially about the impact of the Himalayan/Tibetan Plateau uplift and the Paratethys Sea retreat. Thirty numerical sensitivity experiments under different land-sea distributions and Himalayan/Tibetan Plateau topography conditions are performed here to simulate the evolution of climate belts with emphasis on changes in the rain band, and these are compared with the changes in the paleoenvironmental patterns during the Cenozoic recovered by geological records. The consistency between simulations and the geological evidence indicates that both the Tibetan Plateau uplift and the Paratethys Sea retreat play important roles in the formation of the monsoon-dominant environmental pattern. Furthermore, the simulations show the monsoon-dominant environmental pattern comes into being when the Himalayan/Tibetan Plateau reaches 1000–2000 m high and the Paratethys Sea retreats to the Turan Plate.     

利用大气CO2浓度倍增试验探讨暖干与暖湿

自工业革命以来,大气CO2浓度持续升高;现代观测和未来预估都显示中国气候有变干的趋势。然而,地质重建记录显示,温暖时期往往伴随着湿润的气候条件,与现代观测和未来预估存在明显差别。地质记录反映的是平衡态下的气候,而现代观测或未来预估反映非平衡态下的气候变率。这一古气候与现代气候研究的差别,可能和气候态有关,但目前仍缺少深入研究和合理解释。文章利用挪威地球系统模式NorESM1-F,开展大气CO2浓度倍增的瞬变试验和平衡态试验,并用Sc-PDSI（Self calibrating-Palmer Drought Severity Index）指示非平衡态条件下和平衡态条件下中国的干湿变化。模拟结果表明：随着大气CO2浓度的升高,无论在非平衡态还是平衡态条件下,中国的年均降水量增加;但温度升高的同时潜在蒸散发加剧,使得我国气候整体变干。上述古气候"暖湿"与现代气候"暖干"之间的矛盾,源于二者对干湿定义的差别。古气候记录显示的暖湿,主要反映环境湿度（降水量、土壤湿度、植被量）在温暖的条件下增加;而现代观测显示的暖干,揭示的是中国的气象干旱→降水减去蒸发→在温暖的条件下加剧。     

新生代南极冰盖演化的模拟研究——气候场不确定性的影响

观测显示, 南极冰盖在始新世到渐新世交界时期(34 Ma)开始形成, 之后随着全球气候的逐渐变冷而扩张并趋于稳定。以此为约束, 可以检验气候模式和冰盖模式在模拟中晚新生代气候和冰盖演化的有效性。本研究采用冰盖模式ISSM4.18, 分别使用两个气候模式CESM1.2.2和NorESM-L模拟得到的新生代气候场为强迫场, 对南极冰盖的演化进行了模拟, 对比了两种气候场得到的南极冰盖演化的差异。其中, CESM1.2.2模拟采用的CO₂浓度是以重建的全球平均温度为约束反推得到的, 而NorESM-L模拟则是采用由地质记录中的CO₂代用资料重建得到的浓度。结果显示, CESM1.2.2模拟的气候场在30 Ma时可以在东南极形成冰盖, 在20 Ma和10 Ma该冰盖持续存在, 但始终都没有形成显著的西南极冰盖。而NorESM-L模拟的气候场在10 Ma之前都不能形成冰盖, 但在10 Ma时可以形成包括西南极冰盖在内的大冰盖。总的来说, 使用CESM1.2.2模拟的气候场给出的南极冰盖演化相对更为合理, 也在一定程度上说明了新生代全球平均温度重建的合理性。

     

温盐环流反转及其对新生代气候的影响

温盐环流是由海水温度、盐度差异驱动的全球洋流循环系统。在气候系统中,它对全球热量输送起到了十分重要的作用。在亚轨道尺度(千年时间尺度)上,温盐环流的改变导致了一系列快速的气候变化,因此备受关注。在构造时间尺度(百万年时间尺度)上,古海洋记录和数值模拟揭示出,温盐环流的反转对新生代气候也产生了非常显著的影响。在新生代,温盐环流由“南大洋深层水主控型”向“北大西洋深层水主控型”反转。这一反转改变了全球的热量输送,使得南半球强烈变冷,并有可能导致南极东部永久冰盖的形成。在这一反转事件中,热带海道的作用更加重要。     

上新世热带海道变化影响东亚气候的模拟研究

上新世早—中期是巴拿马海道关闭及印度尼西亚海道收缩的关键时期。目前,针对这两个海道关闭的气候效应已有不少研究,但多数研究关注巴拿马海道、洋流变化及其与北半球高纬冰盖发育的联系,缺乏两大热带海道关闭/收缩对东亚气候影响及机理的研究。我们基于挪威地球系统模型(NorESM-L)探讨了印尼海道收缩及巴拿马海道的浅关闭对东亚气候的影响。结果表明,热带海道的关闭/收缩加强了北太平洋的经向梯度,进一步导致夏季近地表气温在东亚北部降低,东亚南部升高;降水在长江流域至中国东海一线显著增加,但在东亚南部至西南部显著减少。冬季,近地表气温在东亚大陆地区升高,降水减少。上述变化主要由印尼海道的收缩导致,除冬季温度外,巴拿马海道浅关闭对东亚气候的影响较弱。此外,结合定性的记录-模拟对比,我们进一步揭示出热带海道的关闭/收缩可在一定程度上影响东亚气候在中上新世的转型,但不是主要驱动力。     

根据地质记录恢复渐新世和中新世不同时期环境空间特征及其意义

已有工作对地质环境指标空间分布特征的研究揭示出,我国的环境在新生代期间经历了从近于东西向的带状格局向与现今相似的非带状格局的转变,代表了东亚地区重大的环境变化,但对这一转变的时间、空间变化的详细过程还缺少深入的认识。越来越多的证据显示,渐新世/中新世之交和中新世可能是这一环境变化最为关键的时期,因而有必要对渐新世和中新世内部不同时期的环境格局进行更详细的研究。近十年来,大量新的研究工作积累了更多的资料和证据,为进一步研究上述问题提供了新的可能。文章根据已有文献资料,对有明确环境意义和较可靠年代控制的地质记录进行了重新整理和分类,对渐新世和中新世不同时期的环境格局进行了详细的考察。研究显示,以内陆干旱为基本特征的非带状环境格局至少出现于中新世早期,与我国北方风尘堆积出现的时代具有一致性。     

始新世—渐新世气候转变研究进展

始新世—渐新世（E—O）气候转变（34 Ma前后）是新生代气候演化过程中最显著的变冷事件之一,标志着地球气候由“温室”进入“冰室”。这一转变伴随着地球环境的一系列重大变化,对于研究新生代气候变冷的驱动机制、区域气候对全球重大气候事件的响应方式、重大气候事件对生态环境及生物演替的影响等具有重要意义。近年来地质记录和气候模拟在E—O转变研究上取得了一系列重要进展：①不同纬度区的地质记录揭示出这一转变伴随着全球性的显著降温,指示其触发因素是全球性的;②气候模拟研究揭示出大气CO2浓度降低及与之联系的全球碳循环变化是导致这一转变的主因,否定了传统认为的环南极流形成导致E—O气候变冷的假说;③深海沉积记录揭示出这一转变过程持续400～500 ka,表现为全球降温和南极冰盖形成先后两阶段变化;④海—陆气候记录的对比初步揭示出陆地区域的干旱化可能主要与全球降温（对应于E—O转变的第一阶段）相关。当前对E—O气候转变的研究还存在地质记录分辨率不够高、模拟结果与地质记录不完全吻合、陆地记录相对较少等方面的不足。更精确的大气CO2浓度和温度的重建、更多高分辨率海—陆气候记录的研究以及古气候数值模拟的改进有望进一步揭示出E—O转变过程中气候系统各要素的变化特征和相互关系,为更深入认识这一转变的驱动机制提供依据。