全球变暖背景下中亚兴都库什、喀喇昆仑及天山气候变化研究进展

中亚兴都库什、喀喇昆仑及天山山脉(HKT)是气候变化敏感区,其在全球变暖背景下的气候变化对区域生态和经济系统的稳定性及可持续发展有重要意义。目前对中亚高海拔地区的研究多集中于局部区域,有关HKT地区气候变化的综合对比分析较为缺乏。本文对HKT地区现代气候变化的相关研究成果进行简单梳理和回顾,重点总结了HKT地区气候变化特征、影响机制及其与全球变暖的联系。结果表明:(1)近60 a,HKT地区不同区域气候的时空特征存在差异,从时间上看,天山的年均温及年降水量均呈上升趋势,而兴都库什-喀喇昆仑山的年均温呈不显著增加趋势,其年降水量变化趋势不稳定;从空间上看,HKT地区山脉南坡气温高于北坡,但北坡降水量高于南坡,且天山南北坡年降水均呈上升趋势。(2)HKT地区的气候变化除了受西风环流、南亚印度季风及局地条件等影响外,还受到北大西洋涛动和厄尔尼诺-南方涛动等大尺度气候模态的调制,如兴都库什-喀喇昆仑山脉在NAO正(负)位相和ENSO暖(冷)位相降水趋于增加(减少)。

泰国南部石笋记录的晚全新世早期水文气候变化研究

中晚全新世气候转型期(4.2 ka事件)气候变化对全球多地古文明产生了重要影响,但该事件是否为一次全球性的气候事件,目前仍存在一定的争议。因此,针对该事件有必要开展全球范围的研究工作。文章以泰国南部洞穴石笋为研究对象,通过年代学研究、碳氧稳定同位素测试分析重建了该区域晚全新世早期水文气候变化历史。研究结果显示,该区域水文气候响应亚洲夏季风变化,晚全新世早期夏季风降水呈现逐渐减少的趋势。两次年代际干旱事件(距今3850−3840年和距今3805−3795年)主要受到太阳活动减弱和厄尔尼诺事件的影响。总体而言,该区域水文气候变化受到热带辐合带(ITCZ)位置南北移动的控制。

流域面源污染研究进展与展望

面源污染已成为影响流域水环境和水安全的重要来源,是当前国内外学者关注的热点之一,同时也是最具挑战性的研究领域之一。科学高效地治理面源污染问题已经纳入国家战略计划。因此,在新形势和政策背景下如何推进面源污染研究工作,以保障流域水环境可持续发展已成为紧迫任务。本文较为全面地回顾和总结了我国面源污染研究现状,归纳了主要研究方法和典型治理措施,并基于研究中存在的主要问题,结合我国水污染治理现状给出相应建议,指出未来发展趋势。本文可为面源污染的全过程监管、评估及治理提供重要参考,有助于完善我国水污染治理体系。

西安冬、夏季PM(2.5)中水溶性无机离子的变化特征

为探讨西安市冬、夏季水溶性无机离子的季节和空间变化特征,2010年1月和7月分别在西安城区4个站点及上风区高陵(GL)和下风区黑河(HH)连续采集2周的PM2.5样品,使用离子色谱仪分析样品中水溶性无机离子成分.结果表明,PM2.5质量浓度冬季明显高于夏季,空间变化表现为:城区站点浓度均值(172.6μg.m-3)>上风区点GL(98.9μg.m-3)>下风区点HH(81.0μg.m-3).水溶性无机离子浓度总和占PM2.5质量浓度的41.8%,其中SO24-、NO3-和NH4+是水溶性离子的主要成分,分别占总离子质量浓度的35.1%、22.6%和12.2%.Na+、Ca2+和Mg2+在冬、夏季浓度相差不大,而SO24-、NO3-、NH4+以及K+、Cl-等均明显表现为冬季浓度高于夏季.SO24-、NO3-和NH4+在冬、夏季空间变化均表现为城区站点>GL>HH,这3种离子夏季在大气中的主要存在方式为NH4HSO4和NH4NO3,而冬季主要以(NH4)2SO4、NH4NO3和NH4Cl形式存在.NO3-/SO24-的比值为0.64,表明西安市固定源仍是主要污染贡献源,但是移动源所占比例较之前研究有所上升,应采取一定措施控制机动车数量并加强排放监控.

黑碳在全球气候和环境系统中的作用及其在相关研究中的意义

燃烧形成的黑碳粒子进入大气中可影响辐射平衡,导致全球气候变暖,其沉降在河流、湖泊、海洋、土壤等环境中对全球生物地球化学循环起到重要的作用,成为当前国际地球科学研究的热点问题。综述了黑碳的定义及排放、沉降、降解过程,并总结了其在现在及过去环境和气候系统中的重要作用与研究意义。黑碳是全球惰性有机碳库的重要组成部分,在全球慢速碳循环中发挥潜在作用。因其具有很强的吸光特性,它在区域气候变暖过程中扮演重要角色。沉降在不同地质载体中的黑碳难以降解,可以保存几百万年,为地质历史时期古气候和古环境重建研究提供重要信息。海洋沉积物过去数百万年的黑碳记录指示了天然火的演化信息,晚第四纪黄土剖面黑碳也指示了天然火的变化信息,最近千年的湖泊和冰芯黑碳记录既反映了天然火的信息,也指示人类活动的信号。未来黑碳研究应进一步关注标准测量方法,以真正理解黑碳在全球气候与环境系统中的作用。

全球季风动力学与气候变化

本文结合现代季风和古季风研究成果对全球季风进行了一个全面回顾,并引入了一个全球季风的新定义,该定义考虑了三维分布、终极成因,强调了季节性气压梯度变化对季风环流的影响,并同时使用了环流与降水来描述季风强度。我们在从构造到季节内的宽广时间尺度上来考察全球季风气候变化。全球季风的性质包括全球不均一性、区域差异性、季节性、准周期性、不规则性、不稳定性和穿时性。对全球季风动力学来说,太阳辐射、地球轨道参数、下垫面性质和海-陆-气相互作用十分重要。本文还讨论了季风变率在不同时间尺度上的主要驱动因子以及多时间尺度之间的动力学关系。自然过程与人类活动影响对我们理解未来全球季风行为都非常重要。

气候变化对降水稳定同位素组成定量重建古高度的影响——洞穴石笋研究的新认识

定量重建古高度是当前地球科学的重要进展之一。本文概述了降水稳定同位素组成定量重建古高度的两种不同途径,也就是经验回归方程和理论公式计算同位素直减率的两种方法;讨论了降水氧同位素组成重建古高度的主要误差来源和相对大小。根据亚洲季风区石笋记录,本文进一步分析了气候和环境变化对降水氧同位素组成及降水同位素直减率的影响,指出使用现代降水氧同位素值及同位素直减率重建青藏高原古高度所引入的偏差可能是其他所有误差来源的总和;不同海拔高度的洞穴石笋研究有望提供不同气候和环境条件下的降水同位素直减率;认识和理解沉积地层发育时的气候和环境条件,选择合适的同位素直减率曲线和低海拔地区降水同位素组成,综合运用多种重建方法进行交叉检验将显著减小定量重建古高度的偏差。

西安市夏、冬季大气能见度变化特征及影响因素

利用2009年7月和12月的气象资料（风速、温度和相对湿度）、空气污染物（PM2.5、SO2、NOx和O3）和能见度的监测数据，探讨了西安市夏冬两个季节大气能见度变化特征及其影响因素。结果表明，西安夏季能见度平均值为11．12±5．78km变化范围在2．99～26．99km；冬季能见度明显低于夏季，其平均值为8．31±4．85km，变化范围2．56～18．08km。夏季早晨08时能见度最低为6．74km，下午18时最高为10．47km，而冬季下午14时能见度最高为8．10km：凌晨02时最低为5．13km。能见度与气象要素及空气污染物的相关分析结果表明，夏季温度、风速和相对湿度对能见度的影响不大，而冬季风速和相对湿度对能见度影响较大（相关系数分别为0．77和0．73）。夏、冬季能见度与PM2.5、NOx和SO3均呈现较强的负相关，而O3对能见度的影响相对较小。

西安城市地温与气温变化初步分析

地下浅层地温和近地表空气温度存在着必然的内在联系,地面温度变化的信息随着时间推移向下传播并叠加到稳态地温场上,因此通过对现今地温剖面的分析可以重建过去地面温度变化的历史.为了研究西安地区地下和地上的温度变化,本文在西安开展了钻孔温度测量,获得了16个钻孔的地温剖面,同时收集整理了西安气象站1951～ 2010年气温数据.对1951～2010年气温数据进行回归分析得到西安地区年平均气温、年平均最高气温和最低气温增温率分别为3.71℃/100a、2.03℃/100a和5.14℃/100a,均高于全国和全球平均水平,其中1986～2010年间平均气温增温更是显著,达到9.01℃/100a.从钻孔测温曲线中筛选出西安城郊6个传导型地温剖面进行分析,结果表明西安地区钻孔温度记录的地面温度变化趋势与气象台记录的气温变化趋势基本吻合.根据利用钻孔温度剖面下段回归分析得到的地表稳态温度和地温梯度以及25年间西安地区平均气温增温率推算得到钻孔理论地温剖面与实测地温数据总体上具有较好的一致性.对实测地温数据的进一步精确拟合分析显示,西安城郊6个选定的钻孔所在区域地面温度变暖分别起始于20年、24年、26年、28年、30年和30年前,对应的地表增温幅度分别为0.4℃、0.72℃、2.18℃、4.2℃、2.4℃和2.4℃.市区和周边郊区钻孔所在区域在增温幅度上存在明显的差异,市区增温强度明显高于郊区,而城郊结合部介于两者之间.

亚洲季风的多尺度变化规律及其与全球气候变化的关系

在科技部"973"计划和国家自然科学基金委的资助下,西安交通大学全球环境变化研究院程海教授带领研究团队利用中国、印度、乌兹别克斯坦等地的洞穴石笋,重建了目前全球最长的,有绝对年代控制的高分辨率亚洲季风和中亚核心区气候变化的石笋记录,深入研究了不同时间尺度上亚洲季风的变化规律、影响机制及其与全球气候变化的关系。直接验证了10万年的冰期循环是4—5个岁差周期的平均,发现了高低纬气候系统之间的"简洁"关系,进一步证实亚洲季风与太阳辐射变化在岁差尺度上没有显著的相位差,揭示了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合分异,研究了历史时期百到十年尺度的季风降水变化并尝试预估未来变化趋势。以上成果为全球气候变化研究提供了重要标尺,加强了对于气候系统相互作用、强迫因子及其响应机制的理解,为全球气候事件研究和模拟工作提供了重要的新线索,也为相关政府部门制定水资源的长期规划提供了科学依据。

1960-2017年黄土高原极端降水的时空演化及其对环流变化的响应

基于1960—2017年黄土高原47个气象站逐日降水量数据,对黄土高原极端降水量、极端降水日数和极端降水强度的时空演化特征进行了分析。结果显示:(1)黄土高原极端降水时空分布存在明显异质性。极端降水事件在全年发生频率不高(13.2%—46.1%),但对年降水量贡献突出(50.4%—91.4%)。(2)1960—2017年黄土高原极端降水量和降水日数出现下降,但极端降水强度上升。在黄土高原干旱化的同时,极端降水在全年降水中的占比有升高趋势。作为黄土高原土壤侵蚀的主要驱动力,愈发增强的极端降水将会给该地区水土保持和地质灾害防治工作带来严峻挑战。(3)极端降水特征EOF分解第一模态反映了黄土高原极端降水的一致性变化,其空间分布特征可能受到了当地水汽条件及大气层结稳定度等大气动力效应的影响。第二模态反映了黄土高原极端降水的差异性变化,极端降水量和极端降水日数均大致以临夏—太原一线呈反相位变化,这种分布模式可能和地形因素密切相关。(4)黄土高原极端降水特征的年际变化受厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)活动的显著影响,厄尔尼诺年极端降水量偏低、日数偏少,拉尼娜年反之。

末次冰消期亚洲季风强度变化的黄土高原西部万象洞石笋灰度记录

基于对石笋扫描图像灰度值的提取和10个^(230)Th年代数据,建立了末次冰消期万象洞石笋灰度变化时间序列。在17.6～12.8kaB P.期间,石笋灰度值在千年-亚千年尺度上呈现出明显的9次增大(峰)和9次减小(谷)交替变化的特征。对比分析发现,万象洞石笋灰度与密度指数在高频变化上呈显著的负相关关系,石笋灰度值的减小对应于密度的增大和葫芦洞石笋δ^(18)O值的偏正,指示在末次冰消期期间石笋灰度与密度的变化同时记录了亚洲季风强度的变化。季风的强烈衰退导致环境温度突然降低,洞穴滴水碳酸氢钙过饱和度的升高,形成晶型规则且排列整齐的方解石晶体,使得石笋透光性增强而反射光能力降低,灰度值减小;反之亦然。Heinrich-1冷旋回期间,万象洞石笋灰度值的逐渐增大与季风强烈衰退造成降水减少和植被恶化使得杂质含量增加有关。同时末次冰消期万象洞石笋灰度记录的千年-亚千年尺度上亚洲季风强度的变化与高北纬气候存在密切的联系。

大地电磁测深在火山区地热研究中的应用

大地电磁测深(MT)由于勘探深度范围较大,且对温度、流体、岩浆房和岩性等与热储相关的地质条件的敏感度较高,因而成为火山区地热勘探和岩石圈结构研究中常用的一种地球物理勘探手段。地壳和上地幔的电性结构与热结构之间存在着密切的联系,通过解读二者的关系,可以刻画更为精细的岩石圈结构模型,进而掌握火山区的构造特征和热演化过程,了解其岩石圈地球动力学机制。本文着重介绍了MT方法的原理以及从野外数据采集到后期数据处理的过程,综述了MT法的应用特点以及电导率与温度之间的关系,通过实例分析,介绍了国际上这一方法在火山区地热勘探和岩石圈热结构研究中的应用进展,展示了MT法在新西兰Taupo火山区Ngatamariki高温地热田0~3km地热资源勘探中的应用;以埃塞俄比亚Afar省的Tendaho地热田和Badi火山为例,分别讨论了0~20km和0~50km不同深度的电性结构特征及其与温度存在的内在联系,探讨了形成火山的驱动机制;以日本九州岛的Shinmoe-dake火山为例,介绍了大地电磁测深和温度监测在火山监测方面的应用。最后简述了国内MT法在火山区的应用进展以及存在的问题,并利用上地幔电导率与温度的关系以及岩石圈内硅酸盐熔体不同含水量引起的电导率随温度的变化关系,初步估算了长白山天池和阿尔山火山区的莫霍面以下的温度以及长白山天池火山区的高温岩浆房温度。

激光水同位素分析仪测定水中^(17)O-excess的长期稳定性

为验证激光水同位素分析仪测定水中^(17)O-excess的长期稳定性,在过去4年中使用国际标准水样VSMOW2和SLAP2对3种国际标准水GISP、USGS45、USGS47及3种实验室标准水Lab1、Lab2和Lab3进行了标定,得到高精度的^(17)O-excess结果(<10per meg,1SD),并显示2019~2022年间国际标准水样和2019~2021年间实验室标准水样的标定结果均在误差范围内保持一致,2022年重新配制实验室标准水后检测到三氧同位素组成的变化,说明该测试方法具有长期稳定性,并且能够分辨水样的三氧同位素组成变化,为测定不同水样中三氧同位素组成提供了技术支撑。

西安市秋季大气细粒子(PM_(2.5))中化学元素的浓度特征和来源

[目的]研究西安市秋季大气细粒子(PM2.5)中化学元素的浓度特征及来源。[方法]于2009年10月利用微流量采样器采集西安大气中PM2.5样品,分析其元素浓度特征及来源。[结果]西安市秋季大气中PM2.5质量浓度的平均值为168.44μg/m3,最小值为53.29μg/m3,最大值达358.16μg/m3,高于北京、珠江三角洲;PM2.5中S、Zn、K、Cl、Ca、Fe的质量浓度均超过1.0μg/m3,处于较高污染水平;PM2.5中K与有机碳(OC)、元素碳(EC)的相关性较高,相关系数分别为0.76和0.75(P<0.0001),说明OC、EC与K具有相同的来源,生物质燃烧对OC、EC有一定的贡献;元素的富集因子分析表明,K、Ca、Fe、Ti、Mn和Cr主要来源于地壳或岩石风化等自然源,而S、Zn、Cl、Pb、Br、Mo、Cd和As主要受人为污染源的影响,而受土壤扬尘等自然源的影响较小,其中Cd的富集因子最大,主要来源于金属冶炼等人为污染;燃煤、生物质燃烧、机动车尾气排放、冶金化工、扬尘等是该区秋季PM2.5的主要来源。[结论]该研究为城市环境污染治理提供了理论依据。

重庆丰都高分辨率石笋δ^(13)C记录与AD1250-1750a季风气候变化

利用长江三峡地区丰都水鸣洞石笋(NSM03)230 Th测年数据和碳同位素数据建立了AD1250～1750时段平均分辨率约为1a的石笋碳同位素时间序列.水鸣洞石笋碳同位素记录显示小冰期开始时间大约为AD1300,与已发表的树轮、孢粉等气候记录指示的小冰期开始时间在定年误差范围内一致;该记录同时显示在小冰期内部存在次一级气候波动,最明显的两次气候波动时间分别在15世纪中期和16世纪末,后者对应过去500年间亚洲季风活动最弱时期.对石笋碳同位素序列进行功率谱分析发现,小冰期气候存在98a和3～6a波动周期,分别与太阳活动世纪周期和ENSO周期相吻合,表明太阳活动是小冰期的主要形成机制,而海气耦合作用则直接影响小冰期气候.

西藏昌都崩勒溶洞石笋7ka BP以来高分辨δ^(18)O、δ^(13)C记录的气候变化

通过对青藏高原崩勒溶洞石笋进行高精度的230 Th测年和C、O同位素分析,建立了中全新世7ka BP以来西藏昌都地区高分辨率的古气候变化记录。石笋C、O同位素记录揭示出,西藏昌都地区中全新世(约7ka BP)以来的气候演化大致可分为3个气候阶段:7000~4500aBP为暖期阶段,气候总体处于高温暖湿,伴随缓慢降温;4500~2300aBP为降温期阶段,出现持续降温,气候变得干旱;2300aBP至今为升温期阶段,气温及降水均出现波动上升。石笋C、O同位素记录的研究结果表明,中全新世以来研究区存在高温暖湿、快速降温干旱以及后期气候强烈震荡升温的气候过程。通过与董歌洞石笋同位素记录对比表明,崩勒溶洞石笋δ18 O同位素曲线变化的斜率、震荡幅度都要明显高于董歌洞石笋记录,揭示出青藏高原东部季风区的气候波动与全球性冷暖变化具有一致性,但高原石笋同位素记录对气候变化更加敏感。昌都石笋同位素反映的气候变化趋势与低纬地区夏季太阳辐射强度变化正相关,表明太阳辐射强度变化是高原季风影响区气候变化的重要驱动因素。

青海湖鸟岛水分梯度下草地生物量分配格局初步研究

研究了青海湖鸟岛地区不同土壤水分梯度下个体与群落水平株高，根长和地上、地下生物量的分配。旨在：（1）在小尺度上调查不同土壤水分梯度对草地高、根长和地上、地下生物量分配的影响；（2）在个体和群落水平上检验同速生长理论；（3）为青海湖周边地区地下生物量估计提供数据支持，并讨论环境因素对地下生物量与地上生物量比值（R/S）的影响。结果表明：个体水平上株高、根长、地上生物量、地下生物量都随土壤含水量的增加而降低；群落水平上地上生物量随土壤含水量的增加而增加，而地下生物量随土壤含水量的增加而降低。青海湖流域鸟岛地区个体水平上根长、株高比值的变化范围为0．3～6．0，均值和中值分别为1．6和1．3；个体水平地下生物量与地上生物量的比值也有较大的变化范围（0．4～11．3），均值和中值分别为2．5和1．5；群落水平地上生物量变化范围为221．59～352．77 g·m^-2，地下生物量变化范围为741．98～1182．20 g·m^-2，地下、地上生物量比值的变化范围为1．4～7．1，均值和中值分别为3．0和1．9。土壤水分在个体和群落水平上都影响到了植物株高、根长以及生物量的分配。基本表现为：个体水平上株高、根长、地上生物量、地下生物量都随土壤含水量的增加而降低；群落水平上地上生物量随土壤含水量的增加而增加，而地下生物量随土壤含水量的增加而降低。该区域草地生物量分配规律在个体和群落水平上都不支持等速生长假说。

环境中黑碳来源解析方法研究进展

黑碳是燃料不完全燃烧过程中形成的一种特殊的非均质碳颗粒物质,因其具有较高的化学和生物惰性,在全球气候和环境系统中具有重要意义,是当前国际地球和环境科学领域的焦点问题。燃烧条件和燃料来源的不同,使得黑碳的物理化学特性表现出高度的变异,其环境行为及环境效应也具有明显差异,因此对黑碳进行来源解析有利于弄清全球黑碳收支平衡,且能更清晰地认识其在不同环境介质中的迁移转化过程。重点概述了当前国内外常用的几种黑碳来源解析方法及其应用的研究进展;同时提出了未来黑碳来源解析方法的发展方向。稳定碳和放射性碳同位素分析是当前黑碳源解析中应用最多的两种方法,将这两种方法结合不仅能提供更准确的黑碳来源信息,而且能定量估算化石源和生物质源燃烧对黑碳的贡献。多环芳烃特征标志物比值、黑碳/有机碳比值、苯多羧酸分子标志物比值法以及形态特征分析的方法都只能间接地判断黑碳的来源,其方法的应用有一定的局限性和不确定性。未来应加强对不同介质中δ^(13)C的分馏机制及不同排放源样品黑碳的δ^(13)C和^(14)C值域"特征谱"的研究,进一步规范黑碳的分离和测定技术;同时应充分发挥不同分析技术的优势,联合多种方法以获取更多有关黑碳来源、传输和转化过程的信息。

城市地区PM_(2.5)周末效应的初步研究

本文利用2014年全国78个城市497个环境监测站的实时观测数据,分析了2014年颗粒物(PM_(2.5)和PM_(10)和污染气体(包括SO_2、NO_2、CO和O_3)的分布特征并初步探讨了城市地区周末与工作日PM_(2.5)浓度的变化规律。2014年78个城市PM_(2.5)年均浓度值为71.9μg·m^(-3),华北地区PM_(2.5)年均浓度值在80~120μg·m^(-3),长三角地区PM_(2.5)的年均值在40~60μg·m^(-3)。污染气体相对于颗粒物更多的受到当地排放的影响。发现典型城市地区如北京、上海、广州、成都和西安等存在周末污染物浓度比工作日低的"PM_(2.5)周末效应",其中北京的周末效应最明显,对北京的周末效应进行初步分析发现周末与工作日机动车排放的变化是导致北京周末效应的主要原因。