第四纪研究

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石端平, 肖文申, 王汝建, 章陶亮

2021, 41(03): 621-631.

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更新世以来,北极冰盖的发育对北冰洋环流和沉积环境产生了重大影响,进而深刻地影响了全球气候演变。文章通过定量分析西北冰洋位于阿尔法脊的ARC4-BN10岩芯(240 cm,约330 ka,MIS9～1)和马卡洛夫海盆的ARC5-ICE6岩芯(426 cm,约500 ka,MIS13～1)中冰筏碎屑的含量及其岩矿组成,揭示MIS13以来北极冰盖及西北冰洋表层洋流的演化历史;现代环境中二者分别受波弗特环流和穿极流影响;冰筏碎屑的岩矿组成表明北美大陆和欧亚大陆的冰盖发育不平衡。在研究时期内,北美劳伦冰盖在冰期一直较发育,通过波弗特环流向加拿大海盆排泄北美沉积物;而在MIS6和MIS4,欧亚冰盖最为发育,此时穿极流影响范围扩大,将西伯利亚沉积物带入加拿大海盆; MIS7期以来IRD含量显著增加的现象与北冰洋整体变冷、季节性海冰向永久海冰转化的过程一致。两根岩芯均记录到MIS5d和5a的两次劳伦冰盖排泄事件,表明波弗特环流的影响范围扩大到马卡洛夫海盆; MIS5b主要接收穿极流和西伯利亚物源的输入,其岩矿组成差异显示了冰阶-间冰阶搬运冰盖发育和洋流模式的差别。而在MIS3劳伦冰盖的排泄事件并未显著影响到马卡洛夫海盆。

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西北冰洋加拿大海盆MIS 8期以来的物源变化及其指示的北极冰盖和洋流的演化

涂艳, 肖文申, 王汝建, 徐仁辉

2021, 41(03): 632-645.

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基于对中国第七次北极考察在西北冰洋获得的ARC7-LIC岩芯上部1 m(加拿大海盆近阿尔法脊一侧)自MIS 8期(约300 ka)以来的粘土矿物和全样Sr-Nd-Pb同位素的分析,判断北冰洋中心沉积物源的变化及其所反映的冰盖和表层洋流的演化。结果显示:在MIS8、MIS5.4、MIS5.1、MIS3期中期冰筏事件以及末次冰消期,北美劳伦冰盖生长规模较大,研究区域的沉积被北美物源主导;相对地,MIS6、MIS4期的沉积由西伯利亚物源-穿极流模式主导,反映了欧亚大陆冰盖的大规模发育。同时,研究区域在MIS7、MIS5期的间冰期/间冰阶的沉积也与MIS3、MIS1期的沉积有所区别。MIS7、MIS5期的间冰期/间冰阶表现为西伯利亚物源以及穿极流控制下的沉积,而MIS3期和全新世则表现为北美物源以及波弗特环流作用下的沉积特征,这一差异说明中-晚第四纪间冰阶段北冰洋表层洋流的位置在晚更新世前后发生了变迁。

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西北冰洋冰筏碎屑指示的MIS 5以来冰盖和洋流的演化历史

章陶亮, 王汝建, Leonid Polyak, 肖文申

2021, 41(03): 646-661.

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通过西北冰洋楚科奇边缘地区4个柱状沉积物组成的岩芯断面,分析MIS5以来粗颗粒(>250μm)冰筏碎屑(IRD)的岩矿组成,确定西北冰洋不同时期IRD的来源和搬运模式,进而重建MIS5以来欧亚冰盖和北美冰盖的消长以及北冰洋海盆中表层洋流的演化历史。研究结果显示MIS5.5和MIS5.1期间,波弗特环流的影响范围大于MIS1期,而在MIS5.4～5.2期间,波弗特环流的影响范围小于现代; MIS4期间,岩芯中发现了大量来源于欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖的冰川浊积物,冰盖可能扩张到了楚科奇边缘地区南部;在同一时期,在楚科奇边缘地区南部的岩芯中IRD几乎全部为铁锰结核,可能受到了欧亚冰盖或东西伯利亚海冰盖的影响,但铁锰结核与欧亚冰盖的关系仍需进一步研究; MIS3期间,波弗特环流的影响范围和强度略弱于现代;在末次冰盛期,研究区受到以劳伦冰盖为主要来源的冰川浊积物输入;在末次冰消期,研究区发生了一次来源于北美劳伦冰盖的冰融水排泄事件;在MIS1期,西北冰洋主要受到波弗特环流的控制,将来源于加拿大北极富含碎屑碳酸岩的IRD带入北冰洋海盆。

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南极罗斯海扇区晚更新世以来冰筏碎屑记录反映的冰川动力学史

李永斌, 王汝建, 武力, 肖文申

2021, 41(03): 662-677.

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中更新世气候转型以来,南极冰盖对全球气候的影响作用逐渐放大。西南极冰盖以海洋冰盖为主体,稳定性差,冰架前缘沉积模式复杂,对于冰期-间冰期气候旋回变化十分敏感。因此,文章通过对中国第31次南极考察在罗斯海扇区北维多利亚地岸外钻取长度达412 cm的ANT31-R22岩芯(173.152°E,67.215°S;水深2906 m)的浮游有孔虫Nps-δ~(18)O、冰筏碎屑含量及其岩矿组成分析等研究,重建了罗斯海扇区22.8～534.0 ka B. P.期间的冰筏碎屑沉积物源和周边冰架的演化历史。R22岩芯的岩矿组合显示:MIS13期晚期至MIS7期,横贯山脉-维多利亚地的Ferrar组基性火成岩是罗斯海扇区的主要物源; MIS7期之后横贯山脉-维多利亚地物源输入明显下降,花岗岩和变质岩的输入有所增加,推测马利伯德地花岗岩-变质岩物源区输入增加,西南极冰盖对于罗斯海扇区的影响逐渐增强。同时,综合对比多个太平洋扇区岩芯/站位的冰筏碎屑指标显示:自晚更新世以来,罗斯海扇区至阿蒙森海扇区的深海冰筏碎屑沉积集中出现在冰盛期-冰消期阶段,是气候回升过程中西南极高纬地区冰架消融的重要标志,而中高纬地区的冰筏碎屑沉积更可能是冰盛期的标志。

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末次冰消期南大洋深部流通性增强的罗斯海沉积记录

崔超, 唐正, M.Rebesco, L.De Santis, 李朝新, 王湘芹, 孙书文, 刘焱光

2021, 41(03): 678-690.

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南大洋因其面积广阔等优势,能够存储更多的热量和二氧化碳(CO_2),因此在全球碳循环及气候变化中的地位十分重要。罗斯海作为南大洋第二大边缘海,是研究古海洋演化的理想海域。本研究采用罗斯海陆坡和海盆区的3根插管沉积物岩芯——BC008(水深1063 m,长27 cm,年龄6.0～14.8 ka B. P.)、BC010(水深2055 m,长44 cm,年龄0～15.5 ka B. P.)和BC006(水深2120 m,长54 cm,年龄0～22.3 ka B. P.),通过分析其生物硅含量及浮游有孔虫碳同位素比值(Nps-δ~(13)C)的变化发现,生物硅含量在末次冰消期较高,在约16 ka B. P.达到极大值,这指示了冰消期罗斯海海域深层水上涌增强并在约16 ka B. P.最为剧烈。与此同时,Nps-δ~(13)C的负偏,指示了南大洋上涌的水团将溶解的硅酸盐传递至海洋表层的同时,也将碳同位素等化学信号传递至表层海水。深层水上涌在末次冰消期显著增强的趋势,与大气CO_2浓度在冰消期之后的急剧上升十分吻合,这进一步验证了冰消期南大洋深层水上涌的假说及其对大气CO_2浓度上升的贡献。此外,本研究进一步讨论了引起末次冰消期南大洋深层水上涌的可能触发机制,主要可能因南北两极热量分布不均,导致南半球西风带位置和强度以及大西洋经向翻转流强度发生变化,进而驱动南大洋深层水上涌。

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过去2000年北极地区气候变化特征及其对AMO的响应

祁威, 丁明虎, 杜志恒, 杨佼, 赵守栋, 效存德

2021, 41(03): 691-701.

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北极地区对全球变暖十分敏感,分析北极地区过去2000年历史气候对揭示全球气候变化极其重要,也是国际过去全球变化计划(Past Global Changes,简称PAGES)的重要目标。然而,过去2000年北极不同区域的气候随时间变化是否存在一致性仍有待检验。文章基于北极地区及其3个子扇区(北大西洋扇区、阿拉斯加扇区和西伯利亚扇区)的温度序列,对过去2000年北极的气候变化进行了趋势分析与频谱特征分析,初步探讨了大西洋多年代涛动(Atlantic Multi-decadal Oscillation,简称AMO)作为驱动因子对北极地区温度的影响。结果表明,公元1～1800年间北极地区存在着普遍的降温过程(-0.47℃/ka),但温度变化区域差异显著,其中北大西洋扇区与北极地区整体温度间呈现显著的相关性(0.82)。北大西洋扇区温度呈现"平稳-下降-陡升"的趋势,阿拉斯加扇区温度呈现"下降-缓升-下降-陡升"的趋势,西伯利亚扇区温度呈现"平稳波动-陡升"的趋势。在过去200年间北极地区及其3个子扇区气候均出现了快速变暖。频谱分析表明,北极地区温度存在着准14年、准26年、准62年、准75年和准186年周期,其中北极地区温度的LFV谱在准62年与准75年周期和AMO周期大致吻合。综合交叉谱与小波分析的结果,公元1100年后,AMO以准74年的周期影响北极的气候变化,其中,北大西洋扇区受影响最为明显。阿拉斯加扇区与西伯利亚扇区虽然存在着显著的年代际周期特征,但可能与AMO的关联并不显著,这些区域气候变化的影响机理需要进一步深入研究。

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基于机器学习方法重建的过去1000年北半球环状模(NAM)指数

杨佼, 效存德, 丁明虎

2021, 41(03): 702-713.

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受限于观测资料的短缺,关于北半球主要大气环流模态(Northern Annular Mode,简称NAM)的演变规律和机理还很不明确。运用树轮、冰芯、沉积物等代用指标重建时间序列更长的NAM指数有助于加深对其演变规律和驱动机制的认识。本文通过评估多种机器学习模型在古气候重建中的适用性,基于PAGES 2k的气候代用指标重建了过去1000年高分辨率(1年)的NAM指数。研究结果表明相比普通线性回归模型和随机森林等模型,Cat Boost、极端随机树和主成分回归模型可以有效地避免过拟合,模型具有更高的稳定性和可靠性,其中Cat Boost模型的重建结果与器测时段内NAM指数的相关系数最高(R=0.93,p<0.01),能够更好地拟合NAM指数的量级和峰谷变化。分析过去1000年NAM指数的变化特征,发现NAM具有显著的百年际周期(167.5年)和多年代际周期(32.3年)波动,1950～2000年NAM由负位相转向正位相的速率在过去1000年中前所未有。进一步探究NAM与温度和海冰的关系发现,1850年之前,暖期对应NAM增强,冷期对应NAM减弱;而在1850年之后NAM的多年代际变化与巴伦支-喀拉海海冰范围的变化趋于一致,1950年之后NAM向正位相快速转变可能是温度和北极海冰异常共同影响的结果。

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15世纪中叶火山喷发对青藏高原和北极水热组合的影响

刘威, 史锋, 肖国桥, 薛惠鸿, 段安民, 效存德, 郭正堂

2021, 41(03): 714-725.

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国际耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)多模式集合平均与过去2000年全球变化网络(Past Global Changes 2k Network,简称PAGES2k)代用记录重建的15世纪中叶全球温度年代际变化特征非常一致,规避了模式和气候代用记录由于各自的不确定性而导致两者的不匹配现象,为揭示自然因素主导气候变化的机理提供了完美时间窗口。而火山喷发作为15世纪中叶气候变化最主要的外强迫,其对区域气候变化在年代际尺度的影响仍不清楚。本文利用通用地球系统模式过去千年集合模拟(Community Earth System Model-Last Millennium Ensemble,简称CESM-LME),分析了15世纪中叶连续火山喷发对北半球"两极"(青藏高原和北极)温度、降水和水热组合年代际变化的影响。结果表明,15世纪中叶连续的火山喷发对青藏高原和北极夏季气候年代际变化的直接强迫作用,导致青藏高原和北极地区的温度和降水发生年代际尺度的下降和减少、水热组合趋于同向变化,而火山活动的间接作用可能通过影响气候系统内部变率北极涛动(Arctic Oscillation,简称AO)和大西洋经圈翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation,简称AMOC)来调控冬季温度和降水的变化。

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格陵兰NEEM冰芯1711～1969年火山事件重建

杜志恒, Soon Do Hur, 效存德, 杨佼, 林佳梅, Yeongcheol Han, 张通, 李传金, 任贾文, 王士猛, Seong Joon Jun, Sang Bum Hong, Khanghyun Lee

2021, 41(03): 726-738.

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冰芯作为良好的地质载体,为第四纪气候和环境研究提供了详实的信息。本研究利用连续流动装置对格陵兰冰盖西北部获取的一支90 m浅冰芯(命名为NEEM2009S1:77.45°N,51.06°W;海拔高度2450 m)融化处理,对氧和氢同位素比率(δ~(18)O和δD,2 cm分辨率)和硫酸根离子浓度(SO_4~(2-),10～12 cm分辨率)进行了测试。基于δ~(18)O和关键的强火山事件对该冰芯进行了定年,结果为1711～1969年(不确定性为±1年);通过非海盐硫酸根离子浓度(nss SO_4~(2-))重建了该冰芯过去1711～1969年期间火山事件的历史。SO_4~(2-)浓度和通量很好地揭示了不同强度大小的火山事件。评估了强火山事件(VEI≥5)其产生的气候制冷效应;同时,由于该冰芯距离冰岛较近,本研究重点讨论了该冰芯对冰岛火山事件的记录历史,数据结果对了解冰岛历史时期火山信息具有重要的意义;此外,低纬度东亚与阿拉斯加地区的火山也容易传输至格陵兰冰盖。重建结果对于更好的理解火山事件对区域、全球环境与气候的影响具有重要的参考价值。

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过去60年来南极冰盖近地面气温时空变化研究

张雪影, 王叶堂, 宁文涛, 张悟颖, 董旭

2021, 41(03): 739-751.

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如何将十分有限的器测资料和再分析资料有机联系起来,充分借助它们各自的优势,分析南极冰盖气温时空变化具有重要意义。以CFSR(the Climate Forecast System Reanalysis)、ERA5(the European Centre for MediumRange Weather Forecasts Fifth-generation Reanalysis)和MERRA-2(the Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications,version 2)再分析资料分别作为背景场,利用南极冰盖具有超过50年连续观测的站点气温观测资料,分别重建了1960～2019年冰盖近地面月气温时空数据集,借助于未参与重建的70个站点观测资料进行了验证分析。在此基础上,利用精度最高的重建数据集探讨了冰盖过去60年来气温时空变化特征。精度验证结果表明:基于ERA5重建的月气温数据集精度最高,相关系数为0.70,均方根误差为0.49℃。1960～2019年,南极半岛和西南极冰盖呈现显著增温趋势,而且显著变暖延伸到60°～180°E的东南极内陆大部分区域。全球变暖停滞事件在南极半岛和西南极冰盖发生,且增温减缓程度更明显:1999～2019年间年和春季平均气温均呈明显降低趋势。1960～1998年,整个东南极冰盖气温没有显著变化,但是1999～2019年东南极冰盖内陆较大区域呈现了显著变暖趋势。这些结果有助于增进对不同时间尺度南极冰盖气温变化区域差异性的理解。

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基于木质素示踪北极东西伯利亚陆架沉积有机碳的来源、输运与埋藏

叶君, 胡利民, 石学法, 姚鹏, 夏逸, 白亚之, 张钰莹

2021, 41(03): 752-765.

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在全球变暖和北极快速变化的背景下,北极陆架陆源有机碳的供应显著增加;受海冰和流域背景条件等因素的制约,前人对北极陆架沉积有机碳的研究主要集中在河口或近岸陆架区。文章基于2016年和2018年中俄北极联合科考航次获得的表层沉积物样品资料,系统分析了东西伯利亚海和楚科奇海表层沉积物的比表面积(SSA)、粒度、有机碳(TOC)含量及其稳定同位素(δ~(13)C)和木质素等相关参数,研究了近海河口-陆架不同沉积环境有机碳的来源、输运和埋藏降解情况。研究发现东西伯利亚海东部和楚科奇海的沉积有机质总体以海源为主,东西伯利亚海西部陆架区以陆源输入为主(约60%);不同区域有机碳的沉积格局具有明显的空间异质性特征。相比之下,本研究中木质素降解参数(Ad/Al) s和(Ad/Al) v受植被组成、降解和浸出/吸附作用等因素综合影响,并未呈现明显的区域差异。受水动力分选、海冰、有机质降解和洋流等因素影响,有机碳的载荷(TOC/SSA)在输运过程中也呈不断下降的趋势。而3,5-Bd/V则呈现近岸低、远岸高的趋势,这说明在输运过程中土壤源有机质的降解程度不断变大;这类陆源有机碳向海输运过程中的"损失"将对于认识和评估变暖背景下北极近海冻土碳的释放与归宿及其气候环境效应具有重要意义。

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基于同位素示踪降水在两极海冰质量平衡中的贡献

田立军, Stephen Ackley, 吴海斌

2021, 41(03): 766-779.

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极地海冰在全球气候系统中扮演着重要角色。在全球变暖背景下,两极海冰范围呈现相反的变化趋势,即北极海冰显著减少,南极海冰则略有增加,然而目前对两极海冰不对称变化的驱动机制还存在争议。已有研究集中在海冰变化与温度的相互作用上,而对降水在海冰生消过程中所起作用则知之甚少。两极海冰的这种不对称变化可能与降水在海冰生消中起到的不同作用有关:降水在北极主要起到促进海冰消融的作用,而在南极主要起到促使海冰加积生长的作用。降水在两极海冰质量平衡中的贡献可以通过同位素示踪加以厘定,本文详细对比了同位素判别法、线性混合模型和贝叶斯混合模型等研究方法的不同特点及应用上的优劣。利用氧同位素(δ~(18)O)和氘盈余(d-excess)建立的海冰同位素混合模型,可量化融池在北极海冰质量平衡中的贡献和雪冰在南极海冰质量平衡中的贡献。罗斯海是南极海冰增大最明显的区域,且各种起源的海冰类型齐全(冰针冰、雪冰、附加冰和小板冰),通过三氧同位素(~(17)O-excess)作为新的示踪同位素,可进一步量化罗斯海海冰质量平衡中四组分的贡献比,探究罗斯海海冰异常变化的生长机制。

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北极大气中典型持久性有机污染物对海冰变化的响应

胡成格, 刘鸿伟, 谢周清

2021, 41(03): 780-791.

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近年来,北极变暖速度几乎是全球平均速度的两倍,海冰加速消融被认为会使沉积的持久性有机污染物(POPs)重新释放进入大气。本文利用近30年的大气POPs浓度数据和北极海冰数据,比较了有机氯农药(OCPs)和多氯联苯(PCBs)在北极Alert、Zeppelin、Storh?fei和Pallas这4个站点的变率,结合互相关分析,探讨POPs对海冰变化的响应。结果发现,在周围多为浮冰区的Zeppelin站点,OCPs(特别是HCB和α-HCH)在2009年后与海冰变化显著负相关,而在其他站点显著性较低或无显著相关性。PCBs在Storh?fei和Pallas站点,超前海冰变化可能与长距离输送和土壤的二次释放有关,而在Zeppelin站点出现了和DDTs类似的滞后海冰变化的现象。本研究表明,不同类型的POPs对海冰变化的时空响应不同,海冰消融不一定导致大气POPs浓度增大。

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雪冰中铁的研究进展

刘科, 侯书贵, 庞洪喜, 吴霜叶, 张王滨, 邹翔, 于金海

2021, 41(03): 792-803.

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铁是地壳中丰度较高的元素之一,然而在全球海洋中却存在大面积缺铁的"高营养盐,低叶绿素"(HNLC)海域,因此海洋中铁是一种相对缺乏的元素。铁可以通过影响浮游植物对碳的固定,降低大气CO_2的浓度,进而影响到全球气候变化。因此在近几十年来,铁循环是目前地球科学领域的研究热点。冰冻圈作为全球铁循环的重要组成部分之一,其中冰川、冰盖、积雪、冰山与海冰等是其主体,其不仅可以记录大气沉降铁,同时又能向海洋中输送铁,是全球铁循环的重要环节。本文对极地和青藏高原雪冰中铁的历史变化规律及气候意义进行了综述,总结了雪冰中大气沉降铁的现状及存在的问题,归纳了雪冰中铁的实验室分析方法。针对该领域目前研究上的空白和热点,对雪冰中铁的未来发展发向和需要重点关注的部分进行了展望。

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极地雪冰中痕量元素的研究进展

邹翔, 侯书贵, 庞洪喜, 刘科, 张王滨, 于金海

2021, 41(03): 804-812.

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极地由于其独特的地理位置和自然条件,发育了地球上最广泛且最集中的冰川,在全球气候和环境变化中发挥了举足轻重的作用。极地常年的低温环境使雪冰能完整保存过去大气沉降的痕量元素记录,可用于追踪排放源和重建过去人类和自然排放活动的历史。极地雪冰中痕量元素的研究最早可以追溯至20世纪60年代末,早期表层雪研究显示极地雪冰中痕量元素记录基本反映大气化学成分变化,而异常高的典型地壳元素值主要来源于火山喷发和海盐喷溅贡献。极地雪坑和浅雪芯中痕量元素记录显示自工业革命以来,加强的人类排放活动(例如化石燃料燃烧、有色金属冶炼和矿物开采活动)是极地雪冰中重金属元素富集的主要原因,其中南极地区雪冰中富集的痕量元素主要来源于南美洲国家,而北极地区雪冰中富集的痕量元素主要来源于北美和欧洲国家;另外,亚洲新兴经济体也是20世纪下半叶以来重要的排放源。极地深冰芯同样记录了工业革命以前南欧的人类排放活动对格陵兰冰盖大气沉降的痕量元素影响。此外,深冰芯痕量元素记录也呈现了冰期-间冰期尺度大气沉降痕量元素的变化特征。因而极地雪冰中痕量元素研究为重建过去人类和自然排放活动的历史提供了宝贵数据。然而,先前极地雪冰中痕量元素的研究大都以常规测试方法和常规元素研究为主,下一步工作应聚焦雪冰中新同位素记录和元素研究,以及探索新方法(例如激光-剥蚀-电感耦合等离子体质谱)以获取冰芯中更高分辨率且连续的痕量元素记录。

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北冰洋海冰重建方法研究进展

张海龙, 肖晓彤

2021, 41(03): 813-823.

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近几十年来,伴随着全球变暖和大气中CO_2的增加,北极海冰的范围和厚度都显著衰减。数值模拟预测在未来20～50年,北冰洋中心海盆在夏季将可能成为无冰区。研究北冰洋海冰历史演变的沉积记录可以更清楚地了解现代海冰减少的控制机制并对预测未来变化趋势提供依据。文章回顾了北冰洋古海冰的重建方法,主要包括指标重建和数值模拟。用于重建古海冰的传统指标有IRD(Ice-Rafted Debris,冰筏碎屑)、微体生物化石以及地球化学指标等,北冰洋IRD和微体生物化石的记录表明北冰洋的海冰出现于大约47.5 Ma,永久性海冰出现于大约14 Ma,是北冰洋古海冰研究的重要发现。但是传统指标是间接指示海冰的变化且不能量化海冰,限制了北冰洋海冰历史演变的研究。近十几年来,海冰的直接指标IP_(25)(Ice Proxy with 25 carbon atoms)的发展,是北极海冰历史演变研究从定性到定量的里程碑,通过与海冰数值模拟结合,首次验证了氧同位素6期北冰洋在陆架边缘存在冰间湖(Polynya)。近年来,最新的气候模式结果显示中全新世北极海冰变化可以影响中低纬度及北半球气候。未来研究中,北冰洋多指标沉积记录与数值模拟研究结合,可以使我们更清楚地了解海冰变化的控制机制及其对全球气候变化的驱动。

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古气候演化特征、驱动与反馈及对现代气候变化研究的启示意义

任国玉, 姜大膀, 燕青

2021, 41(03): 824-841.

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古气候与现代气候变化研究如何有效结合,特别是古气候研究如何为理解现代气候变化过程提供背景条件、边界约束和理论框架,值得深入探讨。文章以现代、历史时期、全新世、晚第四纪和新生代为时间基线,回顾阐述了过去气候演变特征、成因机制及其对现代气候变化研究的启示意义,探讨了过去与现代气候变化融合研究中存在的不确定性。过去气候演化过程的研究,加深了人们对地球气候系统运行机制的理解。研究表明,各个时期中,地球气候经历了不同相位、幅度和速率的变化,气候系统各分量之间发生了复杂的相互作用,以地表温度为代表的地球表面热力环境演化是各不同阶段气候变化的基本表现形式。全球温度变化不仅受到太阳输出辐射、地球轨道参数和地球构造运动等的影响,而且与地球表层水圈中的海洋、冰冻圈中的大陆冰盖、生物圈中的海洋浮游生物和陆地植被,以及大气圈中的温室气体、粉尘气溶胶、水汽和云等活跃组分之间,存在着多尺度复杂反馈作用。在同一时间尺度上,气候系统分量的互馈通路可能是同向的、可比的,各分量之间的对应关系或具有一致性,研究结论对于预估未来气候变化有借鉴意义;但在不同时间尺度上,气候系统各分量之间的相互联系机制可能难有一致性和可比性,古今互鉴,就需要慎重。

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末次冰盛期以来中国千年尺度气候的动力降尺度模拟——3个特征时期气候对比

况雪源, 韩跃超, 王志远

2021, 41(03): 842-855.

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本研究基于古花粉反演的自然植被变化,结合冰芯重建的温室气体资料,利用全球耦合气候模式CCSM3全变量强迫瞬变试验(TraCE-21 ka)模拟的月平均资料作为侧边界,嵌套高分辨率区域气候模式Reg CM4.1进行了末次冰盛期以来千年尺度气候的动力降尺度模拟,再现了中国区域气候高精度时空分布。通过对末次冰盛期、全新世中期及现代这3个特征时期模拟结果的对比得知,自末次冰盛期以来中国气温和降水变化有显著区域和季节差异,其中东部地区变化大于西部地区,夏秋季变化高于冬春季。与现代相比,末次冰盛期气候寒冷干燥,尤其是华南地区;全新世中期呈现出冬春偏冷、夏秋偏热的季节非一致性变化,意味着该时期气温的年振幅增大,其降水量呈北多南少分布,表明东亚夏季风较强,雨带偏北。此外,东北及青藏地区降水峰值强度、华北和华南降水峰值位置以及江淮流域降水强度在不同时期的差异表明了古季风降水模拟的复杂性和难度。

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亚洲季风区降水中稳定同位素气候意义研究进展

田立德, 蔡忠银, 邵莉莉, 王荻, 刘峰

2021, 41(03): 856-863.

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文章回顾了过去30多年围绕亚洲季风区,特别是青藏高原降水与冰芯同位素现代过程研究,对季风区稳定同位素气候意义的认识过程。降水及不同介质氧稳定同位素研究从最早聚焦于降水同位素与当地气候因子之间的关系,即"温度效应"与"降水量效应",发展到大尺度大气环流过程对降水同位素时空变化的影响,进而否定了局地气候因子的控制作用。近些年重要的研究进展之一是明确了与赤道海洋温度变化相关的ENSO对整个亚洲季风区同位素年际年代际波动的影响过程与机制,发现了大尺度大气环流在不同时间尺度稳定同位素记录中的显著信号。这些认识对于亚洲季风区冰芯、石笋、树轮同位素气候意义的解释都具有重要意义。但在不同时间尺度上,影响降水同位素的主导控制因素不同,导致对于解释长时间尺度同位素记录仍存在挑战,有待于从机制和结合同位素分馏的大气环流模型模拟研究中取得新的突破。

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981～1040年开封牡丹观赏记录及其对北宋气候冷暖变化的指示

刘浩龙, 葛全胜, 周宇, 戴君虎, 郝志新, 闫军辉

2021, 41(03): 864-876.

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丰富的历史文献是我国过去全球变化研究的优势条件,然在"中世纪暖期"前期,中国东部地区此类别资料中客观而具有高置信度的物候信息仍有深入挖掘的余地。为弥补这一缺憾,根据5种历史文献记载的河南开封、洛阳地区981～1040年的38条赏花日期记录,重建了这60年间开封牡丹盛花期的变化,并将其与其他文献证据、温度重建序列所反映的气候冷暖变化特征进行了对比,检验了资料的准确性。结果显示:1)开封981～1040年的气候可能略暖于现今,牡丹盛花期的均值4月21日比现今早1.0天; 2)当时开封牡丹盛花期的变幅(4月11～30日)基本上未超过现代; 3)牡丹盛花期呈现出0.4天/10年的微弱提前趋势,说明当时气候虽然总体上偏暖,但增温趋势不明显; 4)牡丹盛花期的年代际变化可划分为平均比现今晚1.6天的981～994年、早2.8天的995～1016年、晚2.9天的1017～1030年和早6.0天的1031～1040年这4个阶段,说明当时总体上略比现今温暖的气候并不是持续温暖的; 5)序列与夏秋税征收日期、水稻种植范围、柑橘分布北界、植物二次开花与再实、冬雷等其他文献证据所指示的期内各阶段气候状况比较吻合,也与中国东部及邻近地区的其他温度重建序列在冷暖变化过程上异同互现。该结果有助于更为准确地诊断中国东部"中世纪暖期"的阶段性气候变化特征,为下一步集成重建中国东部地区在"中世纪暖期"时段更长、结果不确定性更小的温度序列以及定量分析当时气候变化与社会经济兴衰之间的关系提供重要依据。

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