第四纪研究(第四纪研究期刊)
本期封面说明：新生代古气候模拟——显示了挪威地球系统模式模拟的新生代各时段亚洲和太平洋的地表气温。地球气候在新生代阶段性大幅度变冷，并在第四纪出现多次冰期-间冰期旋回，模拟的年平均０℃等温线很好地刻画了这种变化特征。
照片提供者：张仲石，张子健，徐天澳
《第四纪研究》前身为《中国第四纪研究》，为不定期出版物，于1989年更名为《第四纪研究》，并改为季刊；1999年改为双月刊，2004年扩版为大16开本。
半个世纪以来，在历届主编和编委会的指导下，《第四纪研究》伴随着第四纪科学研究的发展一起成长，记载了第四纪科学事业发展的光辉历程。刊物的学术方向明确，刊登的文章着重于科学性、创新性、学术性以及前瞻性，尤其注重文章的学术性和创新性。其特色鲜明，质量不断提高，已成为展示第四纪科学研究的窗口，交流第四纪研究成果的平台，弘扬与传播科学精神与第四纪科学知识的阵地，为第四纪科学的普及和理论的提高做出了重大贡献。
期刊目录
精彩看点
01
满 凯等：新生代南极冰盖演化的模拟研究——气候场不确定性的影响
精彩看点：
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。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。
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02
沙莹莹等：兴都库什山及伊朗高原抬升对南亚季风-中亚干旱气候演化影响的模拟研究
精彩看点：
新生代以来青藏高原大地形及其周围边缘地形的构造抬升对亚洲气候演化有着深远而复杂的影响。目前的气候代用指标表明南亚季风的开始可以追溯到始新世, 随后在早中新世和晚中新世经历了显著的加强过程。同时, 构造地质证据表明兴都库什山脉和伊朗高原的隆升可能开始于10~12 Ma。兴都库什山脉和伊朗高原作为南亚季风和中亚干旱区之间的天然地理屏障, 其对南亚季风和中亚干旱区气候演化和分异是否有一定的影响, 目前尚未可知。本研究利用高分辨率的大气环流模式系统性评估了兴都库什山脉和伊朗高原对南亚和中亚气候的影响。结果表明, 兴都库什和伊朗高原对南亚季风的加强和中亚干旱区降水的抑制均有贡献。相较而言, 兴都库什山脉对南亚季风的加强和向北扩张起主导作用。本研究的数值模拟试验表明, 地质记录揭示的南亚季风在晚中新世的加强可能与兴都库什山脉和伊朗高原在该阶段的抬升密切相关。
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03
苏宝煌等：青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究
精彩看点：
本研究利用大气环流模式, 基于青藏高原及周边区域的8个地形抬升情景, 并考虑地球轨道参数(强弱岁差和高低地轴倾角)组合, 开展了24组敏感性数值试验, 集中研究了地形抬升对轨道尺度欧亚内陆干旱和季风降水的调制作用。结果分析表明, 整体而言, 青藏高原区域地形的阶段性逐步抬升调制的欧亚大陆降水对岁差和地轴倾角的响应具有类似的分布特征, 但响应强度略有差异。此外, 不同地形抬升情景下, 降水对轨道强迫的响应呈现出区域差异。试验结果揭示青藏高原是东亚夏季季风的轨道尺度变率的潜在影响因子, 这可为地质记录揭示的季风在轨道时间尺度上变率强化现象提供机制上的解释。
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04
张彧瑞等：始新世大洋环流模拟的模式依赖性
精彩看点：
随着模式的复杂化和多元化发展, 国际上不仅组织了现代气候模拟的模式比较计划, 也开展了古气候模拟的比较计划。在模式比较计划中, 如何有效处理模式间的差异和剔除模式依赖性已成为重要问题。本项研究基于国际深时多模式比较计划(DeepMIP)中的始新世大洋环流模拟结果, 选取pCO2倍增试验、模式参数化、古地理边界条件这3个案例, 深入分析模式依赖性如何影响古气候模拟结果和模式之间差异性, 归纳和总结古气候模拟研究中模式依赖性产生的可能原因。结果显示, 部分模式的关键变量对驱动因子响应过于敏感、模式参数化方案过于简单、模式中对古地理边界条件表达的欠准确性均可导致模式依赖性的产生以及模式之间显著差异。这表明在分析数值模式结果时, 需要参考多模式结果, 并特别关注模拟结果变化的各个环节, 从而减少模式依赖性的干扰, 增加模拟结果的准确性, 以便于更加准确认识气候环境演变过程。
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05
韩子轩等：上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化的模拟对比研究
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亚非夏季风降水对当地农业、水资源管理、粮食安全以及生态系统等均有广泛影响, 其对全球变暖的响应特征是一个重要的科学问题。本研究基于上新世模式比较计划(PlioMIP2)的15个上新世暖期模式模拟数据和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的31个高排放情景SSP5-8.5模式模拟数据, 对比分析了上新世暖期和未来增暖背景下亚非夏季风降水变化特征的差异及其成因机制。结果表明: 在这两类气候增暖背景下, 亚非夏季风降水都呈增加的趋势, 然而对应于全球平均1℃升温, 季风降水在上新世暖期的强度增幅(0.24 mm/day/℃)明显大于其在未来增暖情景的强度增幅(0.17 mm/day/℃), 前者降水异常值约为后者的1.4倍。本研究表明, 气候增暖背景下低纬与中高纬度之间的经向温度梯度变化对亚非夏季风具有显著影响, 准确衡量暖期南-北半球间经向温度梯度的变化对预估区域季风和水循环变化至关重要。
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06
江南萱等：末次间冰期南半球西风急流变化的模拟研究
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研究末次间冰期气候变化有助于加深理解变暖情景下气候的变化规律及其对轨道参数变化的响应特征。本研究利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果, 分析了南半球副热带西风急流(200 hPa)与副极地西风急流(850 hPa)在末次间冰期的变化特征及机制。多模式集合平均结果表明, 末次间冰期夏季南半球副热带西风急流相较于工业革命前位置偏北(+2.5°), 强度偏弱(-5.3%); 南半球副极地西风急流也存在类似的变化特征(+1.1°/-7.4%)。在冬季, 末次间冰期南半球副热带西风急流相较于工业革命前南移增强(-0.8°/+5.6%), 而南半球副极地西风急流北移增强(+0.8°/+4.2%), 并且不同洋盆上空的急流具有不同的变化特征。副热带急流与副极地西风急流位置与强度的变化分别与对流层中高层与低层的斜压稳定性的变化相联系。此外, 热带非绝热加热与中纬度Rossby波传播的共同作用造成了南印度洋西侧与东侧、高层与低层西风急流反向变化的结果, 这种反向变化得到了降水重建的支持。
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07
李 焕等：末次间冰期早期植被对气候反馈作用的模拟研究
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末次间冰期早期是研究未来气候变化可参考的典型暖期。目前, 基于气候模式模拟的末次间冰期早期温度低于气候记录重建的结果。这一现状的一个潜在原因在于, 这些气候模拟研究中采用的植被数据为工业革命前水平, 忽略了植被动态对气候的反馈作用。本研究利用iLOVECLIM气候模式耦合植被模块VECODE和LPJ-GUESS开展末次间冰期早期(125 ka B.P.)植被动态对气候反馈作用的模拟分析。模拟结果显示, 相比基于工业革命前植被条件模拟得到的温度水平, 耦合动态植被模拟的全球气候更温暖, 但仍略低于记录重建的温度。在大陆/亚大陆尺度, 高纬和北非地区模拟的125 ka B.P. 植被覆盖度明显高于工业革命前水平, 增温幅度也显著高于其他地区; 此外, 末次间冰期早期北非植被覆盖对区域气温的正反馈通过增强的大气环流使低纬地区输送到高纬地区热量增加, 从而表现出对全球气温的正反馈作用。
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08
徐天澳等：末次间冰期贰狈厂翱对全球海平面上升响应的模拟研究
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末次间冰期的全球年平均地表气温比现今高0~2℃, 这一增温幅度与未来预估的增温幅度相当。因此, 末次间冰期气候往往被认为是未来气候的一个类比。本研究利用挪威地球系统模式(NorESM1-F)开展末次间冰期模拟, 并进一步讨论全球平均海平面上升5 m和10 m时末次间冰期的ENSO海温变率。模拟结果表明: 模拟的末次间冰期热带太平洋年平均海表面温度较工业革命前普遍偏低, 这与地质记录重建基本一致。与工业革命前相比, 模拟的末次间冰期El Ni?o事件强度偏弱, 极端El Ni?o事件偏少; 而La Ni?a事件强度偏强, 极端La Ni?a事件偏多; 随着全球平均海平面的上升, 海表温度异常出现变化, 表现为小于0.5℃的海温异常出现的频率减少, 而大于0.5℃的海温异常出现频率增加, 表明全球平均海平面的上升会使海温的异常更加明显, 但全球平均海平面的上升对模拟的末次间冰期ENSO事件的频次及平均强度影响并不显著。
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09
熊 力等：末次间冰期全球地表温度变化及物理机制的模拟研究
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本研究基于第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的末次间冰期模拟试验(lig127k)与工业革命前参照试验(piControl)数据, 利用气候反馈响应分析方法, 揭示了地球轨道参数改变引起的全球地表温度变化及其关键过程和机制。5个模式的分析结果表明: 1)与piControl相比, lig127k试验中地球轨道参数的改变主要影响了大气层顶入射太阳辐射的季节性差异, 其中北半球冬季大气层顶入射太阳辐射明显减少, 全球平均为-19.60 W/m2, 而夏季则显著增加, 为20.42 W/m2, 全年平均变化较小, 仅为-0.06 W/m2; 2)lig127k的地表温度也表现为冬季(夏季)显著的降低(升高), 其中北半球冬季全球平均降温-0.61 K, 夏季增温0.67 K; 3)从物理过程分解来看, 北半球冬季(夏季)的降温(增温)均主要来自大气层顶入射太阳辐射的贡献, 其次来自水汽的正反馈贡献, 而云辐射效应则抵消了大部分降温(增温); 4)与工业革命前时期相比, 在末次间冰期, 海陆热力对比在北半球显著加强, 而在南半球显著减弱, 其中起正贡献的主要过程为陆地/海洋热输送和云辐射效应, 而太阳辐射强迫效应和地表湍流热通量则是主要的负贡献项。
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10
解小宁等：末次冰盛期东亚沙尘循环的季节扩张: 基于CESM-CAM4-BAM模拟试验
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中国黄土、高纬冰芯及北太平洋海洋沉积等众多地质记录显示, 末次冰盛期(LGM)沙尘沉降通量远大于工业革命前时期(PI), 表明该时期东亚沙尘循环显著加剧。然而, 仅根据这些较粗分辨率的有限点状地质记录, 很难全面认识LGM时期东亚沙尘循环的时空变化特征。本研究利用耦合沙尘循环过程的海气耦合模式CESM-CAM4-BAM, 分析LGM时期东亚沙尘循环的时空变化, 特别是季节变化。研究结果表明, 相对于PI, LGM时期黄土高原和北太平洋地区夏季沙尘沉降通量具有最大的增长率, 其绝对数值甚至超过PI时期的春季沙尘沉降通量, 揭示LGM时期东亚沙尘循环从春季向夏季进行扩张。通过对大尺度大气环流的分析表明, 该现象是我国北方地区受到西北风控制的季节延长, 以及北太平洋西风急流南移引起的夏季西风加强共同作用的结果。该结果预示着, 冰期时段夏季沙尘暴可能持续肆虐, 沙尘气溶胶的辐射反馈效应将对亚洲夏季风甚至北半球气候带来更加重要的影响。
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11
赵子荟等：末次冰盛期黑潮变化的数值模拟
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黑潮是北太平洋西部边界流, 能够携带西太平洋暖池热量向北输送, 影响中国海的水文循环及全球气候。本研究利用高分辨率区域海洋模式(ROMS), 模拟了现代及末次冰盛期(LGM)黑潮流量和流轴的三维结构。气候态分析再现了现代黑潮的流量, 在PCM-1阵列、PN测线和吐噶喇海峡的流量分别是23.8 Sv、28.0 Sv和28.2 Sv, 与观测结果接近。LGM模拟中以上3个断面流量分别为34.5 Sv、34.4 Sv和34.9 Sv, 流量明显增加。垂直结构显示末次冰盛期(LGM)时期黑潮主轴仍位于冲绳海槽内, 深度范围也比现代大。LGM时期黑潮进入冲绳海槽前受到海槛阻挡, 部分黑潮流向发生偏转, 使得琉球海流加强。LGM时期黑潮加强主要受副热带环流圈信风加强和风应力旋度减小造成的Sverdrup输送加强控制。黑潮上游北赤道流加强, 导致向北输送流量增加。研究结果可以帮助认识黑潮在全球水循环的重要作用。
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12
高 杨等：NAO在末次冰盛期和全新世对AMOC影响的对比研究
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大西洋经向翻转环流(AMOC)的年代际变率对气候变化起着重要的调制作用。在现代气候背景下, 北大西洋涛动(NAO)加强能使AMOC增强, 但这种关系在更长时间尺度上是否成立尚不清楚。本研究利用TraCE-21ka模拟资料, 对比分析末次冰盛期(LGM)和全新世时期NAO对AMOC影响的异同。结果表明, LGM时期较全新世时期经向温度梯度偏强, NAO位置偏南, 这导致NAO与AMOC关系的不同: NAO的增强在LGM时期可以使AMOC增强, 而在全新世使AMOC减弱。本研究表明NAO与AMOC的关系在很大程度上取决于不同气候背景下NAO的位置。
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13
陈萌萌等：全新世太阳活动对东亚夏季风百年尺度变化影响的模拟研究
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太阳活动对东亚夏季风(EASM)变化有着重要的影响。本研究利用通用地球系统模式(CESM)开展了全新世气候瞬变模拟试验, 探究了全新世EASM降水百年尺度的变化特征及其对太阳活动外强迫的响应机理。结果表明: 在变化趋势上, 模拟的全新世以来EASM降水呈减弱趋势, 主要受地球轨道参数外强迫的影响。在百年尺度上, 中全新世以来太阳活动外强迫引起EASM降水出现约430年的周期变化特征, 这与高分辨率重建资料记录的周期相似。这一百年尺度变化的空间主模态呈南北偶极型分布, 北方降水与太阳活动存在显著的同期正相关, 当太阳活动增强时东亚海陆热力差异加强, 陆地海平面气压降低, 引起异常的气旋性环流, 有利于北方降水增多。南方降水与太阳活动呈负相关并滞后于太阳活动, 太阳活动通过调制赤道太平洋类拉尼娜态的海温梯度, 引起西北太平洋风-蒸发-海温的正反馈机制, 触发异常的西北太平洋气旋性环流, 从而导致南方降水减少。
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14
彭友兵等：基于尝惭搁的中国石笋氧同位素记录在过去千年气候同化中的应用初探
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本研究利用中国石笋氧同位素记录填补了LMR(Last Millennium Reanalysis)的代用资料数据库在中国东部的空白，并分析了代用资料库优化后LMR对中国降水的同化能力。结果表明，中国石笋氧同位素记录的添加提升了LMR对中国东部36°N以南和西北地区降水的同化能力，能较好再现过去530年两个地区发生的旱涝事件。同化数据表明过去530年中国东部发生了干旱和雨涝事件各5次，西北地区发生了5次干旱事件和4次雨涝事件。其中中国东部1470~1526年、1918~1940年干旱事件和1877~1889年、1896~1914年雨涝事件可能主要受北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)和大西洋多年代际振荡(AMO)共同作用，当AO、NAO和AMO处于显著正位相则中国东部易发生干旱事件，负位相则易发生雨涝事件；1808~1826年干旱事件和1827~1837年、1941~1950年和1977~2000年雨涝事件则主要受太平洋年代际振荡(PDO)影响，当PDO处于显著负位相则中国东部易发生干旱事件，正位相则易发生雨涝事件；1689~1781年干旱事件主要受PDO负位相、AO和NAO正位相影响；而1579~1607年干旱事件与大气涛动间的联系并不密切。在中国西北地区，18世纪末期之后接连发生的降水异常事件可能与AO、NAO和AMO的位相转变存在联系。
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15
曹博文等：过去千年东亚季风环流与内部变率对中国东部年代际降水分型的影响研究
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过去千年年代尺度上, 中国东部夏季降水主要包括两种模态分别是: 经向偶极型和经向三极型。研究发现, 内部变率是影响年代尺度上中国东部夏季降水分型的主要因素, 局地季风环流的强弱对降水模态出现的概率影响较小, 即在内部变率的作用下, 无论季风环流强年还是弱年, 偶极型降水模态出现的概率都大于三极型。与前人发现一致的是, 年代际降水模态变化主要由太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋多年代际振荡(AMO)位相组合通过遥相关波列影响, 当PDO和AMO处于相同位相时, 增强了偶极型降水模态; 当PDO和AMO处于相反位相时, 增强了三极型降水模态。进一步分析发现PDO的变化在偶极型模态的形成中起主要作用, 而AMO的变化在三极型模态的形成中起主要作用, 即二者对应的\”环球遥相关\”波列和\”丝绸之路遥相关\”波列各自在偶极型和三极型模态形成中起着主导作用。
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16
刘浩宇等：过去千年中国西北干旱区温度变化特征及成因分析
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本研究基于过去千年多成员集合模拟试验(CESM-LME)数据, 在与同化资料(LMR)、参与CMIP6两个模式(MRI-ESM2和MIROC-ES2L)过去千年模拟结果以及观测/再分析资料(CN05.1)进行对比验证模式模拟结果可靠性的基础上, 分析了中国西北干旱区过去千年地表温度变化特征和影响因子。研究表明, CESM-LME全强迫试验能够较好地模拟出中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期温度异常特征, 模式模拟的中国西北干旱区中世纪气候异常期温度变化幅度与现代暖期的相当。通过计算不同尺度上各单因子敏感性试验与全强迫试验中地表温度序列相关系数发现, 不仅在年尺度上, 年代际、多年代际、百年尺度上火山活动强迫出的地表温度序列与全强迫试验中的均呈现显著的相关关系, 但二者的关系在过去千年并不稳定; 另外, 1850年后温室气体排放对西北干旱区地表温度升高起到了主导作用。
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17
白孟鑫等：中世纪气候异常期和小冰期中国华北与北美西南部年代际干湿变化的关系
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百年尺度冷、暖背景下不同区域年代际干湿变化的关系是历史气候变化领域的重大问题之一。本研究利用基于历史文献重建的中国华北干湿指数(Dry-wet index)和基于树轮年表重建的北美西南部帕默尔干旱指数(PDSI), 采用100年窗口的滑动相关分析, 计算了两地年代际干湿变化的相关关系, 对比了中世纪气候异常期(MCA)和小冰期(LIA)两地相关关系的差异, 并利用PMIP3和PMIP4共11个模式的过去千年气候变化模拟数据, 诊断了其成因。研究结果为深入辨识百年尺度冷、暖背景下中国华北与北美西南部年代际干湿变化之间的关系提供了新证据, 为预估未来全球升温情景下中国或北美年代际干湿特征提供预警信号。
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18
邵诗雨等：明末清初华北夏季降水年代际变化的模拟研究
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本研究使用CESM-LME(CESM Last Millennium Ensemble)模拟数据, 结合重建证据, 对明末清初华北夏季降水年代际气候变化特征和原因进行了分析。重建证据显示, 1644年华北夏季降水发生由少到多的年代际转变, 中国东部夏季降水呈\”南旱北涝\”的变化格局。CESM-LME集合试验成员012能够模拟出这样的年代际转变, 但模拟的变化幅度偏弱且转变发生时间略晚。模拟显示, 北太平洋出现类PDO(Pacific Decadal Oscillation, 太平洋年代际振荡)正位相的海温年代际异常, 引起日本海附近低压异常。同时, 热带太平洋呈现类拉尼娜型海温异常, 使得菲律宾以东洋面对流增强、降水增加, 通过北传罗斯贝波激发类东亚-太平洋遥相关, 导致西北太平洋副热带高压增强西伸和日本海附近异常低压的加强。对应于这样的环流异常, 华北有北风异常, 长江以南有南风异常, 华北地区南部水汽辐合增强, 有异常的上升运动, 华北夏季降水年代际增多, 并伴随着东亚副热带西风急流的向南移动。伴随华北夏季降水年代际转变, 华北土地承载力提高, 社会系统逐渐恢复和稳定。
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19
宁 亮等：历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展
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本文总结了历史时期中国东部年代际干旱时空特征及成因机制的最新研究进展。作为典型季风区, 中国东部年代际干旱均与典型的弱季风事件相关, 空间特征上呈现出南涝北旱或者全区干旱的模态。成因机制方面, 年代际干旱由气候系统内部变率(PDO、AMO)和外强迫(包括火山活动、太阳辐射、温室气体、人为气溶胶、土地利用等)共同作用引发, 其中, 气候系统内部变率主要对年代际干旱起到触发作用, 外强迫对干旱强度和持续时间起到加剧作用; 此外, 外强迫还通过改变气候系统内部变率的频次和强度来改变年代际干旱的频次、强度、持续时间; 最后, 本文还探讨了历史时期中国东部年代尺度干旱研究中未解决的问题及未来研究方向。
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20
王硕情等：地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以8.2 ka和4.2 ka事件为例
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北大西洋淡水注入触发的千年尺度气候突变事件发生在不同地球轨道背景下, 理解地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征的调节作用, 对理解未来印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应具有重要的科学意义。本研究利用通用地球系统模式CESM, 探讨印度夏季风在8.2 ka B.P. 和4.2 ka B.P. 对相同北大西洋淡水注入的响应差异。模拟结果显示, 北大西洋淡水注入使得印度夏季风强度显著减弱, 其中夏季风降水变化在这两次事件中没有显著的空间差异, 但变化幅度在4.2 ka B.P. 要显著大于其在8.2 ka B.P., 表明地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征具有重要的调节作用。进一步分析显示, 地球轨道并非通过影响温盐环流强度进行调节, 而与夏季太阳辐射的高低有关。在较低夏季太阳辐射背景下, 印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应更为敏感。
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21
Yin Zhi-Yong, 刘晓东：“人类世”的提出与争议
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“人类世”(The Anthropocene)一词自2000年以来逐渐流行并越来越多地见诸于环境科学、地球科学以及社会和人文学科的各种期刊文章和书籍。本研究简要介绍有关“人类世”概念的提出、科学意义和相关的最新进展, 特别是国际地层委员会第四纪地层分委员会的人类世工作组(Anthropocene Working Group)正在推进将“人类世”作为一个正式地质年代单位的工作; 同时也介绍与之有关的争议, 例如对于如何界定“人类世”的底界, 以及“人类世”是否应当被看作是一个地质事件, 而不是一个新的地质年代单位。分析认为, 人类活动已经对地球环境造成极为深远的影响, 但现今是否已经进入了一个新的地质年代尚待确定。学术界应当搁置争议, 将注意力集中于研究人类活动对地球环境影响的事实和机制, 为人类社会减缓和适应日益加剧的全球环境变化做出贡献。
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排版：岳豪勃（吉林大学地球科学学院）
校对：邱梓惠（中国科学技术大学地球和空间科学学院）
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