科学通报2004年第49卷总目次

专题: 中东亚干旱区全新世环境变化1(1) 阿拉善高原中全新世干旱事件的湖泊记录研究 陈发虎等10(1) 青海湖沉积岩芯记录的青藏高原东北部过去 800 年以来 的降水变化 张家武等15(1) 石羊河流域现代孢粉传播研究 朱 艳等22(1) 1000 年以来巴丹吉林沙漠地下水补给与气候变化的包气 带地球化学记录 马金珠等27(1) 蒙古北部 Gun Nuur 湖记录的全新世气候突发事件 汪卫国等点评203(3) 后基因组时代的病毒研究 吴家睿715(8) 新元古代超大陆构型中华南的位…     

青藏高原干旱区湖泊正构烷烃氢同位素记录降水同位素

湖泊和海洋沉积物中正构烷烃氢同位素作为有潜力的古水文和古气候指标已经得到广泛应用,但是在干旱区由于蒸发强烈而严重影响正构烷烃氢同位素比值,因此其能否记录降水同位素变化受到质疑.本研究在青藏高原干旱区采集了21个湖泊表层沉积物(其中20个湖泊年平均降水量400 mm),发现其正构烷烃氢同位素(δD_(wax))与年均降水平均氢同位素(δD_(ann))呈现较强相关(r~2=0.84,P0.001),其与夏季降水平均氢同位素(δD_(sum))相关性更好(r~2=0.91,P0.001),说明降水是控制湖泊沉积物中正构烷烃氢同位素(δD_(wax))变化的主要因素,在干旱地区正构烷烃氢同位素(δD_(wax))仍然可以反映降水氢同位素(δD_p)信息.本研究中湖泊表层沉积物正构烷烃和降水之间的氢同位素表观分馏平均值(ε_(wax-p))为-113‰,较湿润地区偏正,可能是由于干旱区蒸发强烈引起.因此沉积正构烷烃氢同位素(δD_(wax))可以作为夏季降水平均氢同位素(δDp)的替代指标,记录夏季风强度和古水文变化.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

柴达木盆地苏干湖年纹层岩芯摇蚊记录的过去1000年干旱区湿度变化及其意义

利用柴达木盆地苏干湖具有年纹层的沉积岩芯, 以摇蚊亚化石分析恢复了研究区近千年来10年分辨率的湿度演变历史. 研究表明, 苏干湖岩芯中的摇蚊亚化石主要由高咸水属种Psectrocladius barbimanus-type和Orthocladius/Cricotopus与低咸水属种Procladius和Psectrocladius sordidellus-type组成, 依据其相对丰度的变化, 结合摇蚊-盐度转换函数重建的盐度波动, 区域过去1000年湿度变化可划分为3个阶段: 990~1550 AD为气候整体干旱期、1550~1840 AD为气候整体湿润期、1840~2000 AD为全球变暖下的气候再次干旱期. 高分辨率的记录还发现, 在年代际到百年尺度上, 存在1200~1230 AD干旱背景下的湿润阶段和1590~1700 AD湿润小冰期内部的干旱阶段; 就气候变率而言, 湿润小冰期时段摇蚊种群组合及重建的盐度变化幅度增大, 频率加快, 指示出小冰期气候的不稳定性特征. 该记录得到西风环流影响区的其他古湿度资料支持. 苏干湖高分辨率摇蚊记录的湿润小冰期气候与中国东部季风区降水变化存在明显的差异, 表明中国内陆干旱区和东部季风区湿度变化即使在近1000年来也存在相位差.     

巴丹吉林沙漠诺尔图湖泊水化学特征与补给来源

选取巴丹吉林沙漠最大、最深的湖泊诺尔图作为研究对象,通过分析湖水和地下水八大离子、总溶解固体含量、稳定同位素18O和2H组成,地下水放射性同位素氚浓度,研究了诺尔图水平和垂直方向上湖水理化参数及同位素特征.结果表明,诺尔图湖水理化性质年际和季节变化明显大于附近地下水的变化,水平和垂直方向上湖水混合较均匀,不同深度湖水的水化学型一致,均为Na-Cl-CO3-(SO4).诺尔图湖水、地下水同位素沿着低于全球大气降水线斜率的当地蒸发线展布,较低的斜率表明研究区强烈的蒸发环境特征.湖水同位素大多位于蒸发线的右上角,地下水同位素大多位于蒸发线的左下角,结合湖水及地下水水位变化趋势,表征湖泊的主要补给来源为地下水.诺尔图钙华泉水(地下水)的年龄约为75~80 a,说明湖泊水初始补给源可能为次现代~1952年之间补给的混合或年代更老,有待进一步研究.     

基于CMIP5多模式结果评估人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响

基于CMIP5多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果,评估了温室气体、气溶胶、土地利用及所有人类活动对全球典型干旱半干旱区气候变化的影响.结果表明,所有人类活动和温室气体强迫会引起全球陆地显著增温,特别是由温室气体强迫引起的北半球中高纬地区近60年的增温幅度几乎是历史变化的2~3倍,气溶胶的降温效应则对近60年来的全球变暖具有明显的抑制作用,土地利用在大多数干旱半干旱区具有微弱的降温作用.所有人类活动和温室气体强迫会使大多数陆地及干旱半干旱区的降水增加,而气溶胶和土地利用的影响则存在明显的区域差异和不确定性.近60年,中国北方干旱半干旱区的气温和降水变化受人类活动的影响最为显著.基于集合经验模态分解(EEMD)的结果,大多数地区气温和降水的年代际和多年代际变化特征均是所有人类活动综合作用"同步叠加"在自然变化之上的一种结果;其中,气溶胶在大多数地区显著促进温度的多年代际变化,土地利用在澳大利亚地区则起到明显的抑制作用;对降水的多年代际变化而言,气溶胶的贡献相对比较突出,而温室气体和土地利用对全球降水的多年代尺度特征有明显的促进作用.     

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0对中国多年降水和气温模拟能力分析

区域环境集成模拟系统RIEMS2.0(regional integrated environment modeling system version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上开发的区域气候模式. 为了检验RIEMS2.0对长期气候及其变化的模拟能力, 比较1980～2007年共28 a降水和气温观测资料和模拟结果 (连续积分时间1979年1月1日至2007年12月31日), 并对比不同积云参数化方案对模拟结果的影响, 为模式的调试和应用提供依据. 全年降水和气温模拟结果表明RIEMS2.0能模拟出多年平均气候态降水和气温分布, 但是模拟的中心雨带偏强偏北、气温偏低; 模式能揭示不同子区域降水和气温的年变化和年际变化; 模拟的夏季气温偏差小于冬季, 除了冬季江淮和江南区外模式高估了其他子区域降水; 模式对半干旱区降水和气温模拟偏差较大; 模式能很好地模拟降水和气温距平分布; 不同积云参数化方案模拟的降水和气温分布基本一致, 但强度和分布有差别. 因此, RIEMS2.0对多年平均气候态及气候变化表现出较强的模拟能力, 并具有较好的稳定性.     

中国21世纪气候变化的RegCM4多模拟集合预估

基于一套RegCM4区域气候模式动力降尺度试验结果,进行了中国及不同分区在21世纪不同时期, RCP(典型浓度路径)4.5和8.5两种排放路径下的气候变化集合预估.试验中RegCM4在5个不同的CMIP5(耦合模式比较计划第五阶段)全球气候模式分别驱动下运行,水平分辨率为25 km×25 km.分析表明:未来中国范围内平均地面气温将普遍升高,其中冬季(12～2月)的青藏高原和夏季(6～8月)的西北干旱区升温幅度最大;相应的气温极端气候事件指数TXx(日最高气温最大值)和TNn(日最低气温最小值)升高.中国大部分地区冬季降水将增加,西北干旱区增加幅度最大,仅在云贵高原部分地区出现一定减少,模拟间一致性在中国北方较好;夏季降水在中国西部大部分地区、东北北部和黄淮增加,其他地区变化较小或略微减少;集合预估的日最大降水量(RX1day)在全国将普遍增加;连续无降水日数(CDD)在中国北方以一致缩短为主,南方则有所延长.相对于当代参照时段(1986～2005年), 21世纪中期RCP4.5和8.5下全国年平均气温分别上升1.6和2.2°C,降水分别增加4%和5%.各要素变化均随时间推移而增大, 21世纪末期两种排放情景下全国年平均气温分别上升2.4和4.6°C,降水分别增加5%和12%.     

干旱区绿洲地下水水位时空变异性对土地覆被变化的响应

应用遥感、地理信息系统和地统计学方法, 分析三工河流域绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水位时空变异性的影响. 通过半变异函数模型、克里格插值拟合三工河流域1978, 1987和1998年地下水位时空变异性特征, 结合遥感解译生成的1978, 1987和1998年三期土地利用/土地覆被类型分类图, 叠加分析不同地下水埋深等值线区域土地利用/土地覆被类型转移关系. 结果表明1978~1998年20年间无论是平水期还是丰水期, 整个绿洲地下水补给量变幅并不显著, 而地下水位和土地利用/土地覆被均发生了显著的时空变化, 并且两者之间具有密切的相关性. 流域地下水水位整体具有中等的空间相关性(33.4%), 空间自相关距离为17.78 km. 地下水位急剧变化的区域均是土地资源开发加剧的区域, 主要表现为耕地、林地、建设及工矿用地土地资源的开发. 研究反映出干旱区绿洲土地利用/土地覆被变化对地下水资源时空变异性产生了深远的影响, 这对于合理利用浅层地下水资源, 维护绿洲的稳定性具有直接的现实意义.     

中国气候干湿变化及气候带边界演变:以集成土壤湿度为指标

依据观测气象资料驱动的陆面模式模拟土壤湿度,比较评估了25个全球耦合气候模式的模拟土壤湿度,选择其均值和趋势与陆面模式模拟均呈正相关的11个数据集.采用多模式权重平均法集成了中国区域两种气候情景1900～2099年的土壤湿度.以集成土壤湿度为指标,分析中国区域199年气候干湿变化的时空特征,区划干湿气候带,分析干湿区边界的演变特征.结果表明总体上典型干旱区土壤湿度呈增加趋势,湿润区变化不显著,干湿过渡带土壤湿度变化最剧烈,呈显著干旱化趋势.干湿气候带边界线演变表明半干旱区扩张,半湿润区收缩是两种情景下我国干湿气候带演变的典型特征.其中20世纪30°N以北的半干旱区面积与1970～1999年平均半干旱区面积比较扩大了11.5%,即使考虑湿润区向半湿润区的转变,与1970～1999年平均面积相比,半湿润区面积缩小也达9.8%.21世纪A1B情景下干湿区界线的变化保持了同样的趋势,但强度明显大于20世纪.因此未来干旱化扩张影响下的区域生态环境变化和人类适应问题需要深入关注.     

中国东海北部晚全新世表层海水温度变化

采用长链烯酮不饱和度法(U k'37)构建了中国东海北部涡漩泥质区距今3600年以来海水表层温度(SST)高分辨率变化曲线, 结合对季风波动敏感的粒度组分变化曲线, 探讨了东海北部古海洋环境变化. 距今3600年来的环境演化可以划分为5个阶段: Ⅰ期降温阶段, 距今850年以来, 冬季风较强, 存在“小冰期”, 温度最大降幅2℃; Ⅱ期波动升温阶段, 距今1900~850年, 平均升温幅度0.8℃, 存在隋唐温暖期, 响应的时间在距今850~1350年间, 距今1400年的降温事件比较明显; Ⅲ期降温阶段, 距今2550~1900年, 处于南极冰芯记录曲线上一个缓慢降温到快速升温的完整周期, 降温幅度达0.9℃; Ⅳ期相对平稳略有升温阶段, 距今3200~2550年, 处于南极冰芯记录气温波动升温期, 升温幅度仅有0.3℃; Ⅴ期相对平稳略有降温阶段, 距今3600~3200年, 对应南极冰芯记录的波动降温阶段. 5个周期性阶段与南极冰芯记录的气候周期比较吻合, 全球降温一般比较缓慢, 陆架海SST基本上能够同步调整.     

山西宁武公海湖泊岩芯的环境磁学特征及中世纪暖期湿润气候探讨

对山西宁武公海GH09B1孔2.8m长岩芯进行的磁化率、非磁滞剩磁、等温(饱和)剩磁、J-T 曲线、磁滞回线和XRD 等测试结果表明, GH09B1 孔岩芯磁性矿物以磁铁矿为主, 磁性矿物含量高的岩芯段, 磁性颗粒也较细, 形成于湖盆流域土壤发育较强、降水量较多的时期, 而磁性矿物含量低的时期则相反. 公海湖泊沉积物环境磁学参数变化主要受控于湖盆流域土壤发育程度, 进而指示亚洲夏季风强弱, 尤其是χ与S_-300 参数清晰地记录了近1200 年来宁武公海地区夏季风的变化历史, 发现中世纪暖期(910~1220 AD)显著湿润, 夏季风强盛, 这一结果得到同岩芯孢粉记录的支持. 3~6 年分辨率的环境磁学参数记录还显示, 中世纪暖期内部存在980~1050 AD 的次级干旱阶段. 公海沉积物磁学参数记录的近千年夏季风变化与历史文献记载、万象洞石笋氧同位素和气候模拟结果一致, 共同指示了中世纪暖期季风强盛的湿润气候环境且内部存在百年尺度的气候干湿波动. 环境磁学参数可作为高分辨率湖泊沉积记录的季风气候变化的有效参数.     

近0.5 ka来中国北方干旱半干旱地区的降水变化分析

从IGBP集成研究的思想出发, 采用冰芯、树轮、历史文献和湖泊沉积等多种气候代用资料, 重建了近0.5 ka来中国干旱区西部和东部, 以及整个干旱区分辨率为10年的降水变化序列. 在此基础上与1470年以来半干旱区西部和东部代用降水序列进行了比较. 结果表明, 近0.5 ka来各区域降水曲线均存在5次气候干旱期, 每个干旱期持续50年左右, 同时降水表现出区域差异性. 近0.5 ka来干旱区东部与半干旱区西部、半干旱区东部的降水呈现出基本一致的变化趋势, 而干旱区西部的降水变化比较独特, 呈现出显著的局地性降水特征. 最大熵谱和奇异谱分析结果表明每个区域降水序列, 包括干旱区西部、东部, 整个干旱区、半干旱区西部和东部, 以及中国北方区域降水序列, 均存在百年尺度约120年左右的周期.     

全球变暖2℃情景下中国平均气候和极端气候事件变化预估

使用一个区域气候模式(RegCM3)在IPCC SRES A1B温室气体排放情景下对东亚地区进行的高分辨率数值模拟试验数据,就备受关注的相对于工业化革命前期全球变暖2℃阈值情景下中国平均气候和极端气候事件变化进行了预估研究.结果表明,届时中国年平均温度普遍上升而且幅度要高于同期全球平均值约0.6℃,增温总体上由南向北加强并在青藏高原地区有所放大,各季节变暖幅度相似但空间分布有一定差别;年平均降水相对于1986～2005年平均增加5.2%,季节降水增加4.2%～8.5%,除冬季降水在北方增加而在南方减少之外,年和其他季节平均降水主要表现为在中国西部和东南部增加而在两区域之间减少.极端暖性温度事件普遍增加,而极端冷性温度事件减少;中国区域年平均的连续5天最大降水量、降水强度、极端降水贡献率和大雨日数分别增加5.1mm,0.28mmd-1,6.6%和0.4d,而持续干期减少0.5d,其中大雨日数和持续干期变化存在较大的空间变率.     

雷州半岛中晚全新世造礁珊瑚Sr/Ca比值的

通过分析两个取自雷州半岛南部的全新世珊瑚的高分辨率Sr/Ca比值, 重建了这两个历史时期(公元489~500年和公元前539~530年)月平均分辨率的表层海水温度记录. 结果显示, 公元前539~530年时段表层海水温度(SST)与现代基本相同, 代表相对温暖的气候; 而公元489~500年时段10年平均的冬、夏季SST与现代器测记录相比分别低2.9和1℃, 年均温度低2℃左右, 代表相对寒冷的气候. 这些珊瑚记录的气候特征与中国其他地区根据物候及历史记录获得的气候记录相吻合.     

雷州半岛中晚全新世造礁珊瑚Sr/Ca比值的表层海水温度记录

通过分析两个取自雷州半岛南部的全新世珊瑚的高分辨率Sr/Ca比值,重建了这两个历史时期(公元489～500年和公元前539～530年)月平均分辨率的表层海水温度记录.结果显示,公元前539～530年时段表层海水温度(SST)与现代基本相同,代表相对温暖的气候;而公元489～500年时段10年平均的冬、夏季SST与现代器测记录相比分别低2.9和l℃,年均温度低2℃左右,代表相对寒冷的气候.这些珊瑚记录的气候特征与中国其他地区根据物候及历史记录获得的气候记录相吻合.     

黄土高原六盘山天池记录的中晚全新世高分辨率气候变化及其意义

位于我国东南部典型季风区与西北内陆干旱区之间过渡区的黄土高原中西部缺乏中晚全新世以来的高分辨率气候记录. 通过对黄土高原发现的六盘山天池湖泊沉积物进行孢粉、磁化率、沉积物色度指标分析, 结合陆源植物残体的高精度AMS 测年控制, 获得了中晚全新世 6200 年来的高分辨率气候变化记录. 初步的结果表明, 该区域和季风区石笋为代表的大的气候框架记录比较一致, 但在气候事件上提供了更为翔实丰富的信息.     

古里雅冰芯中的新仙女木期事件记录

新仙女木期(Younger Dryas)的命名来源于欧洲斯堪的纳维亚埋藏在地下的CtopertalaDryas植物的叶子和果实.这种植物是当地新仙女木期(简称YD)气候变冷的指示物.欧洲早在一个世纪以前就认识到YD的存在.后来北大西洋沿岸地区的许多孢粉资料证实,西欧及北美许多地方在11～10ka B.P.~(14)C年代时气候发生突变.由于当时缺乏该区以外YD事件的资料,因此YD事件被认为是局部性事件,并认为其原因很可能是晚冰期全球性增温使北极的浮冰和冰融水注入北大西洋深层水(NADW)形成的,造成北大西洋地区温度迅速下降,气候变冷.近20年来南欧、北美东部、南阿尔卑斯山、太平洋和南极、北极格陵兰地区的孢粉、冰碛物、冰芯等都指示出Younger Dryas时期的气候剧变.在中国青藏高原湖区和内蒙古孔赉诺尔湖以及陕西沙漠/黄土过渡带高分辨率湖沼泥炭记录中也均发现在11～10ka B.P.期间气候有明显的突变.这引起了学者们对YD的浓厚的兴趣,并认为这个事件可能是一个全球性气候事件.本文以1992年中美联合在青藏高原古里雅冰帽钻取的长达308m的高分辨率冰芯为对象,以该冰芯155～162m之间对应于晚冰期向全新世过渡段的δ ~(18)O测试结果为依据,研究了记录在古里雅冰芯中的YD气候事件.因其测年的高分辨率,它是中国唯一可与格陵兰冰芯晚     

塔里木沙漠公路沿线地下水位的时空变化及其影响因素分析

在沙漠公路沿线设置了地下水监测断面,获得了定位实测的地下水位数据,实测资料结合水文资料、地下水地表水相互转化理论以及地下水动力学原理,分析了地下水位的时空变化规律.认为地下水位埋深空间分布主要受沙丘高度和地形变化影响.地下水位随时间变化的主要影响因素可分为4类,就影响水位变化的幅度而言,防护林工程抽水>垂直排泄作用>河流流量变化>渗流补给作用;而就影响范围而言则渗流补给作用影响范围最大,防护林工程抽水影响范围最小.地下水位的年际变化呈自然波动状态.     

巴丹吉林沙漠腹地降水事件后的沙山蒸发观测

巴丹吉林沙漠腹地高大沙山和湖泊的形成机理一直是学术界研究的热点,其中关于高大沙山上大气降水能否入渗补给地下水一直存在较大争议.本文基于沙漠腹地的2年降水观测和沙漠边缘的长时间尺度降水资料,结合概率分布模型和日降水极值重现期分析,对沙漠地区的降水等级进行了划分,并利用沙漠腹地的自动气象站和涡度相关系统的观测数据,对不同等级降水事件后的沙山蒸发进行分析.结果显示,沙漠地区的降水事件可分为3类,即5 mm以下的常规降水事件CP(占总降水的90%以上)、20 mm左右的普通年份最大日降水OAM和数十年一遇的极端强降水事件EP.CP和OAM事件后,降水分别约需1~3 d和3~4周可被蒸发出地表,EP事件后水分则需较长的时间方可蒸发出地表.三类降水事件的累积蒸发与累积降水表明,高大沙山上的大气降水对地下水没有显著补给作用.本研究对深入探讨巴丹吉林沙漠腹地湖泊群的形成机理有重要价值.