区域气候模式对末次盛冰期东亚季风气候的模拟研究

末次盛冰期(LGM)是距今最近的一个与现代环境反差最大的气候时期. 利用包含较为详细陆面过程的区域气候模式, 通过分别加入现代植被和根据花粉化石资料转化的东亚地区LGM古植被, 模拟了LGM东亚季风气候并研究了植被变化对LGM东亚季风的影响. 由区域气候模拟得到的较为精细的气候演变图像表明: LGM东亚大陆全年降温是导致东亚冬季风强盛、夏季风萎缩的重要原因; 夏季西太平洋副热带高压的西伸、加强, 是造成中国东部LGM夏季降水减少的重要原因. LGM青藏高原及中亚地区的降水及有效降水均有所增加, 高原有效降水的增加主要由降水增加所造成, 地表蒸散对其贡献较小. LGM青藏高原的积雪也有所增加, 有利于高原地区的冰川、冻土发育, 使得该时期的多年冻土区可向南扩展到30°N以南. 在LGM模拟中加入恢复的古植被会放大由外强迫造成的气候影响, 对于模拟的降温、降水变化、地表热平衡量的变化、积雪及其他气候参量的变化都有进一步的强化作用, 使模拟结果与有关地质资料更为接近.     

末次冰盛期中国西部冰川物质平衡线高度的模拟研究

文章使用9个气候模式的数值试验数据,研究了末次冰盛期中国西部冰川物质平衡线高度(ELA),以期加深理解冰期青藏高原地表环境以及ELA变化成因.相对于工业化革命前期这一参考时段,末次冰盛期青藏高原夏季普遍降温4～8℃,年降水量平均减少25%.在降温和降水减少的共同作用下,中国西部ELA降低,不同区域之间降幅存在差异.在青藏高原地区,其南缘和西北部下降1100m,中部腹地下降650～800m,东部下降550～800m且由西南向东北逐渐变小.中国境内天山上的ELA下降不超过650m,祁连山和阿尔泰山上的下降值在500～600m.另外,水平分辨率高的气候模式能模拟出青藏高原中部ELA下降不超过500m的低值,这与古冰川遗迹记录一致;末次冰盛期青藏高原冰川物质积累区主要发生在边缘山地,其面积扩张至现代的2～5倍,但仍未覆盖到高原中部.     

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素季节变化与水汽输送

青藏高原东部玉树降水中稳定同位素的季节变化特征与青藏高原南部的西南季风区和北部的内陆地区有显著不同, 降水中δ¹⁸O波动幅度大季节变化特征不明显. 降水中稳定同位素变化的差异反映了水汽来源变化的差异. 通过降水中稳定同位素的空间对比以及结合NCAR/NCEP再分析数据研究了形成该地区降水的水汽来源变化与降水中稳定同位素之间的关系. 研究发现青藏高原东部降水的水汽来源受夏季西南季风直接带来的水汽以及北部内陆与局地蒸发水汽的共同影响; 水汽来源以西南季风为主, 但西南季风的输送强度较青藏高原南部地区偏弱, 而北方的大陆水汽输送与局地水汽增强. 其结果导致夏季玉树降水中δ¹⁸O波动幅度增加, 而季节变化特征减弱.     

青藏高原东部冰川平衡线高度的模拟及预测

冰川变化数值模拟及预测是全球变化的前沿领域,冰川平衡线高度(ELA)作为对气候状态的直接响应,其变化直接体现冰川的扩张和消融.本文基于能量物质平衡方程,由气象观测为输入数据,模拟了青藏高原东部冰川ELA的空间分布,模拟结果显示自1970年以来,高原东部冰川ELA以2~8m/a的速率升高,高原边缘,特别是在祁连山和藏东南,部分冰川的ELA已经达到或超过了冰川顶部,意味着该地冰川处在消亡边缘.为预测ELA的变化趋势,以唐古拉山小冬克玛底冰川和祁连山七一冰川为例,采用IPCC给出的低、中、高三种碳排放路径下21世纪的气候变化情景,发现在采取大力减排措施的RCP2.6情景下,两冰川ELA都在2040年左右达到最大值且接近冰川顶部,冰川积累区大幅度缩小.在RCP4.5中排放路径下,两冰川ELA将在2045年左右超过冰川顶部,冰川积累区消失,冰川将强烈消融直至消亡.在RCP8.5高排放路径下,两冰川ELA将在2035年左右超过冰川顶部,冰川积累区消失,冰川将急剧消融直至消亡.从物质能量平衡角度证明在当前全球变暖背景下,不论在何种情景下,高原东部山地冰川将加剧退缩乃至消亡.     

南海北部ODP1146站粒度揭示的近20 Ma以来东亚季风演化

运用粒级-标准偏差和粒度端元模拟算法两种方法, 对南海北部ODP1146站陆源沉积物粒度数据进行了分析和对比, 探讨了东亚季风近20 Ma以来的演化历史. 选用粒级-标准偏差法提取出的两个敏感粒度组分含量的比值即10~19 μm/1.3~2.4 μm用来指示东亚冬季风相对夏季风强度的变化. 粒度端元模拟法得出的粗端元组分EM1(风尘)堆积速率用来指示东亚冬季风强度及相应的风尘源区——亚洲内陆干旱地区的干旱程度的变化, 而EM1/(EM2+EM3)比值可以指示冬季风相对夏季风强度的变化. 组合指标变化显示出东亚冬季风强度和冬季风相对夏季风的强度在8 Ma BP左右显著加强, 而3 Ma BP左右冬夏季风可能同时增强, 结果可以与黄土、北太平洋风尘沉积、南海微体古生物记录等很好对比. 青藏高原的阶段性隆升可能促进了东亚季风的这两次加强.     

青藏高原表层土壤湿度遥感反演及其空间分布和多年变化趋势分析

青藏高原地区高精度的长时间序列的土壤水分数据对亚洲季风和全球大气循环研究有着极大的影响,但目前青藏高原地区地面站点稀少,已严重影响青藏高原气候变化研究．本文基于双通道土壤水分反演算法和AMSR-E卫星数据反演青藏高原地区2003—2010年表层土壤水分,并分析青藏高原地区土壤水分空间分布的季节性变化及多年变化趋势的空间分布．与地面站点土壤水分比较,新算法反演的土壤水分产品精度在地面站点区域,优于AMSR-E官方产品．通过对青藏高原年平均土壤水分空间分布和月平均土壤水分空间分布的季节性变化进行分析,结果表明二者与青藏高原降雨分布和水汽输送路径一致．基于此产品对青藏地区的多年土壤水分变化趋势空间分布进行了分析,通过与同一时期青藏高原气象站点的降水量数据的变化趋势比较,发现土壤水分变化趋势和降水量的变化趋势在空间分布上比较吻合．     

末次冰盛期以来东亚季风变化历史——中国北方的地质记录

全球变暖对中国北方气候的影响已经引发了学术界的广泛关注,地质增温期东亚季风变迁历史可为理解未来气候变化提供重要参考.文章主要基于中国北方夏季风边缘带的湖泊、黄土等记录的古植被信息,探讨了末次冰盛期至全新世全球增温过程中东亚季风的变化历史.地质记录显示,末次冰盛期东亚冬季风增强,夏季风减弱,中国北方气候干冷,大部分地区呈现荒漠草原或干草原景观,贺兰山以东沙地的东南边界和现代沙地边界接近或略向东南方向小幅扩张.在由冷转暖的末次冰消期,东亚冬季风逐渐减弱,夏季风逐渐增强,但在快速变冷的Heinrich 1(H1)和Younger Dryas(YD)事件期间,中国北方气候变干.全新世冬季风减弱,夏季风显著增强,季风雨带向西北推进至少300km,中国中东部干旱区范围大幅度缩小,北方喜暖喜湿植物显著增加.从夏季风边缘带的记录看,中全新世夏季风最为强盛.显然,古增温有利于东亚夏季风的增强,从而极大改善中国北方的生态环境.如果全球变暖持续下去,中国北方将变得湿润.与轨道尺度记录相比,高分辨率的古植被记录较为缺乏,全新世气候突变事件以及百年-十年尺度气候旋回尚需深入研究,应作为今后研究的重点.     

青藏高原色林错流域区冰川消融对湖泊水量变化的影响

青藏高原大部分湖泊近年来持续扩张,湖泊水位和水量明显增加.冰川消融是流域水量平衡和水循环的重要影响因素,直接导致湖泊水量变化.由于缺乏大范围的冰川质量平衡观测结果,青藏高原冰川消融对湖泊水量变化的影响仍存在较大争议.本文选择青藏高原内流区的色林错流域区(水系编号5Z2)作为研究对象,利用SRTM DEM和TanDEM-X双站InSAR数据,精确估算该流域三个主要冰川区(普若岗日、格拉丹东和西念青唐古拉)2000—2012年的冰川质量平衡,依次为:-0.020±0.030、-0.128±0.049、-0.143±0.032m·w.e.·a~(-1).并据此采用面积加权法准确推估出5Z2流域的冰川质量变化为:-0.166±0.021Gt·a~(-1).综合ICESat和Cryosat-2卫星测高数据,计算该流域2003—2012年湖泊水量变化速率(3.006±0.202Gt·a~(-1)),并定量评估冰川质量变化对5Z2流域湖泊水量增加的贡献为:5.52%±1.07%,因此在青藏高原色林错流域区,冰川消融不是导致21世纪初期湖泊水位上升的主要因素.     

末次间冰期以来我国东部沙区的古季风变迁

根据130ka BP以来东部沙区的地质记录,将本区古季风划分为末次间冰期(130～70kaBP)夏季风为主时期、末次冰期(70～10kaBP)冬季风为主时期和冰后期(10kaBP至今)夏季风为主的不稳定时期3个演化时期,以及末次间冰期(120ka BP和100～95kaBP)冬季风增强期、末次冰期(59～21kaBP)夏季风增强期、冰后期早全新世(10～7.5kaBP)夏季风增强期、中全新世(7.5～4kaBP)夏季风鼎盛期和晚全新世(4kaBP至今)夏季风衰弱期等若干阶段。冬、夏季风的转换以突变为主。夏季风北界位置从末次间冰期的马鬃山-乌兰巴托退至末次冰期的黄土高原砂黄土带北界附近,复又进到全新世最佳期的山丹-雅布赖山一带,最后退到现代阴山北麓-呼伦贝尔一线,反映东亚季风环流的夏季风呈现波动减弱的趋势。影响季风变迁的因素复杂,特别是全新世期间的短周期波动应加强研究。     

中国黄土高原红粘土序列的磁性地层与气候变化

对西峰和西安红粘土剖面作了磁性地层研究,表明黄土高原风成堆积和东亚古季风的发育至少自6.SMaBP前开始,青藏高原在此时也许达到了有意义的高度;初步重建了磁化率变化反映的晚第三纪东亚夏季风气候的时间序列,6.5～2.5Ma红粘土磁化率值的逐步升高可能与青藏高原的隆升过程密切相关.黄土高原的风尘堆积速率在距今3.2Ma以后显著增大,反映了冰量对东亚冬季风和风尘堆积的影响.中国黄土高原风成红粘土序列记录的晚第三纪东亚古季风变迁可视为青藏高原隆升、太阳辐射与全球尤其是北半球冰量变化等多种因素相互作用的结果.     

青藏高原东部全新世冬夏季风变化的高分辨率泥炭记录

在建立了全新世泥炭沉积物高分辨率冬夏季风代用指标时间序列的基础上, 发现青藏高原若尔盖地区全新世冬夏季风的变化具有此消彼长和同时消长两种基本的模式, 冬季风与夏季风在不同时间尺度上两种模式又相互嵌套. 由冬夏季风指标叠加效应合成的气候状况却有与全球同步的规律性, 表现出千年-百年尺度的不稳定性, 6.2 ka的季风突然减弱事件要比8.0 ka的事件更显著, 反映了亚洲季风的区域特点或它本身就是全球气候的一个窗口.     

近40年青藏高原湖泊面积变化遥感分析

以MSS、TM和ETM遥感影像作为主要信息源,综合利用RS、GIS技术,提取青藏高原1970s、1990s、2000s及2010s 4个时段的湖泊面积信息,分别从区域位置、面积规模、海拔高度3方面分析其近40年来的变化趋势及变化特征,同时结合1972-2011年间青藏高原气候变化情况,初步探讨了影响青藏高原湖泊面积变化的主要原因.研究结果表明:(1)青藏高原面积大于10 km²的湖泊有417个,这些湖泊大多是面积为10~100 km²的小型湖泊,空间上集中分布在高原西部地区,海拔上集中在4500~5000 m范围内;(2)近40年青藏高原湖泊面积的变化趋势及差异性特征在整体上表现为湖泊呈加速扩张的趋势,其中2000s-2010s时段是湖泊扩张最显著的时期;在区域位置上,北部地区的湖泊变化最为剧烈;在面积规模上,小型湖泊扩张最为显著;在海拔高度上,低海拔地区湖泊扩张剧烈;(3)近40年青藏高原气候暖湿化程度明显,气候变化对湖泊面积变化影响显著;在气象要素中,降水量的变化是青藏高原湖泊面积变化的主要驱动因子.     

黄土高原见证季风和荒漠的由来

在世界地图上,华夏大地上的季风和荒漠可谓与众不同:第一,南北两半球的亚热带均以干旱环境为主(包括北非的撒哈拉沙漠、南非的纳米布沙漠、澳大利亚沙漠等),而同纬度的我国江南地区则为降水充沛的湿润季风区;第二,我国西北大漠与中亚干旱区连为一体,分布的纬度比其他干旱区要高得多;第三,虽然地球赤道两侧均为季风区,但其他季风主要影响南北回归线之间的低纬地区,只有东亚季风长驱直入,不仅影响低纬地区,而且可影响到4 0°N以北.我国几代科学家的研究发现,就在不久前的地质历史时期,华夏的季风和荒漠并非如此:当时江南处于干旱气候的控制之下,季风只影响我国最南部地区,在环境格局上完全与世界"接轨".今天特殊的东亚气候,源于后来一系列复杂的经历;而黄土高原正是其中渊源的一位可靠见证者.华夏季风与荒漠不仅与华夏山水的其他成员(如青藏高原、长江、黄河、黄土高原、秦岭等)有着明确的"亲缘"关系,而且依然相互作用,影响着我们今天的生存环境.     

青藏高原东部若尔盖盆地全新世泥炭地发育和植被变化

泥炭沉积物和泥炭地演化过程可以提供植被和气候变化历史的丰富信息.为了重建青藏高原东部全新世泥炭地发育、植被和气候变化,我们对若尔盖盆地一支泥炭岩芯进行了高分辨率的孢粉、烧失量和碳沉积速率分析.研究结果显示,当地泥炭发育起始于距今10.3ka,在早、中全新世繁盛,之后开始退化.若尔盖盆地全新世植被以高山草甸为主,周边山地针叶林在10.5~4.6ka曾数次扩张,之后迅速退缩.泥炭性质、孢粉组合主成分分析等揭示了研究区10~5.5ka气候温暖湿润,晚全新世气候相对冷干.其中,10.2~10、9.7~9.5、8.7~8.5、7.7~7.4、6.4~6、5.5~5.2、4.8~4.5、4~3.6、3.1~2.7、1.4~1.2和0.8~0.6ka时段,若尔盖地区发生了多次快速的泥炭地退化、针叶林扩张和气候变冷等事件.青藏高原东部地区全新世植被与气候的长期变化受控于太阳辐射及其主导的温度与亚洲夏季风强度的变化,而百年尺度的快速变化事件可能受到了季风减弱事件和北半球高纬度地区温度异常的调制作用.     

高亚洲冰川的近期退缩及其对西北水资源的影响

近几十年来, 高亚洲冰川在气候变暖的影响下随着冰川物质平衡的持续亏损而不断退缩. 过去10 a是20世纪高亚洲冰川退缩最强烈的时期. 高亚洲冰川退缩的空间特征是: 青藏高原内陆地区退缩幅度最小; 从青藏高原内陆向边缘地区退缩幅度逐渐增大; 在最边缘的藏东南和喀喇昆仑, 冰川退缩幅度最大. 高亚洲冰川退缩对中国西北干旱地区水资源产生重大影响. 利用冰川变化的长度、面积、体积间的比例关系估算的结果和用经验公式估算的结果都说明, 从20世纪90年代开始的冰川退缩导致冰储量减小, 致使西北地区冰川径流量增加5.5%以上. 在冰川融水补给量大的塔里木河, 冰川径流增加量更大.     

上新世以来构造隆升对亚洲夏季风气候变化的影响

大量地质证据表明,上新世以来(最近5 MaB.P.)青藏高原北部及非洲东部和南部地区出现过显著的构造隆升,而与此同时亚洲季风也经历了显著变化,这两者之间是否存在着因果联系一直是地学界所关心和争论的一个重要科学问题.本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)的公用大气模式(CAM 3.1)就上新世以来青藏高原北部及东-南非高原的构造隆升对亚洲夏季风气候变化的影响进行了数值试验研究.结果表明,上新世以来亚洲夏季风的增强与两地构造隆升密切相关,但两者隆升对于亚洲季风子系统的作用是有区别的.青藏高原北部隆升主要造成东亚北部夏季风的增强及季风降水的增多,但对南亚夏季风的作用较小;东-南非高原的隆升明显增强南亚夏季风,但对东亚北部夏季风的影响有限.     

全球变化下青藏高原湖泊在地表水循环中的作用

青藏高原是地球上最重要的高海拔地区之一,对全球变化具有敏感响应.青藏高原作为"亚洲水塔",其地表水资源及其变化对高原本身及周边地区的经济社会发展具有重要的影响.然而,在气候变暖的情况下,构成高原地表水资源的各个组分,如冰川、湖泊、河流、降水等水体的相变及其转化却鲜为人知.湖泊是青藏高原地表水体相变和水循环的关键环节.湖泊面积、水位和水量对西风和印度季风的降水变化非常敏感,但湖泊面积和水量变化在不同区域和时段的响应也不尽相同.湖泊水温对气候变暖具有明显响应,湖泊水温和水下温跃层深度的变化能够对水—气的热量交换具有明显影响,从而影响了区域蒸发和降水等水循环过程.由于湖泊水量增加,高原中部色林错地区湖泊盐度自1970s以来普遍下降.根据60多个湖泊实地监测建立的遥感反演模型研究发现,2000—2019年湖泊透明度普遍升高.对不同补给类型的大湖水量平衡监测发现,影响湖泊变化的气象和水文要素具有较大差异.在目前的暖湿气候条件下,青藏高原的湖泊将会持续扩张.为了深入认识湖泊变化在青藏高原区域水循环和气候变化中的作用,需要全面了解湖泊水量赋存及连续的时间序列变化,需要深入了解湖泊理化参数变化及对湖泊大气之间热量交换的影响,需要更多来自大湖流域的综合连续观测数据.     

未来土地利用变化影响中国区域气候的数值模拟

土地利用/土地覆盖变化(LUCC)是人类影响气候的重要强迫之一.相对于历史时期LUCC对区域气候的影响研究,未来LUCC到底对气候有多大影响不得而知.基于CMIP5推荐的土地覆盖数据,采用区域气候模式Reg CM4,通过当代和反映未来(2050年)土地覆盖状况分布情况下各15年(2036~2050)的数值积分试验,探讨了未来LUCC对中国区域气候的影响.未来中国地区主要是以草地转换成森林为主要特征,LUCC引起温度和降水的变化幅度和范围具有季节性差异,其中夏、秋季区域响应最显著,主要包括中国东北、华北和河套地区,青藏高原东部以及华南等地.进一步分析表明,LUCC对大气环流也具有明显的影响,在未来LUCC影响下,印度半岛经孟加拉湾到南海及华南沿岸一带受到一致的异常西南风控制,热带印度西南季风和南海西南季风均偏强,来自南海和印度洋的异常水汽辐合使得中国南方降水偏多.     

中国当代土地利用对区域气候影响的数值模拟

使用RegCM3区域气候模式，嵌套欧洲数值预报中心(ECMWF)ERA40再分析资料，分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下各15年时间长度（1987-2001）的积分试验，以研究我国土地利用状况对气候的影响。通过两个试验结果的对比，研究了我国土地利用状况对气候的影响。分析主要集中于气温、降水等的变化上，并对结果进行了统计显著性检验。结果表明，当代土地利用/植被覆盖变化加强了中国地区冬、夏季的季风环流，同时改变了地表能量平衡状况，从而对各气候要素产生重要影响。冬季，植被改变引起长江以南降水减少、气温降低，长江以北降水增加。夏季，植被改变显著影响了南方地区的气候，使得这里降水增多，黄淮、江淮气温降低，华南气温上升；同时引起中国北方降水减少，气温在西北部分植被退化地区升高。植被变化对日最低、最高气温的影响更大。总体来说，土地利用引起了年平均降水在南方增加、北方减少，年平均气温在南方显著降低。     

黄土高原黄土粒度组成的古气候意义

对黄土高原西北 东南方向一条断面上 3个末次间冰期以来的黄土沉积剖面进行了间隔 5cm的粒度测量 ,分粒级研究了各颗粒组分的古气候意义 .结果表明 ,黄土高原黄土粒度组成中不同粒级组分的古气候意义不同 ,并且各粒级组分界线随着研究地区的不同而发生变化 .同时发现 ,黄土粒度分布中可以分离出具有全球的和区域的古气候意义的颗粒组分 .其中较粗颗粒含量变化与东亚冬季风强度变化正相关 ,它具有全球的古气候意义 ;较细和细颗粒含量变化与东亚冬季风强度变化反相关 ,这些颗粒含量可能与粗颗粒的沉降量变化和风化成壤作用强度变化相关 ;粗颗粒组分含量变化具有区域的古气候意义 .