气候振荡

自然现象

气候振荡是指时间尺度为几年的高频气候变化，如准两年振荡。

简介

气候震荡，即大气运动的频谱变化，可以粗略地把大气运动的时间变化分为高频变化、天气变化、低频变化、季节变化、甚低频变化、年代际变化和地质纪变化。人们最能直观感觉到的大气运动变化是天气变化，其时间范围约为几小时到10天左右。天气变化中主要有日变化和自然天气周期，后者主要同大气中最常见的长波系统的活动相联系。

因为从理论上来说，Rossby波的运动周期在中纬度地区为4～7天左右。比天气变化更快的变化，可以统称为高频变化，其中较为有意义的是同重力波和声波活动有关的变化。

时间尺度在10天以上，100天以内的大气运动的变化称为大气低频变化。它包括引起大家普遍注意的季节内(30-60天)振荡和准双周(10-20天)振荡。

时间尺度大于1年而小于10年的大气运动变化统称为甚低频变化。

时间尺度为10-100年的大气运动变化统称为年代际变化，而时间尺度超过1000年的大气运动变化统称为地质纪变化。

分析

①热带印度洋和热带西太平洋暖池区域是OLR季内振荡高强度区；它们终年存在，北半球冬春季强、夏秋季弱，且随季节更替作南北向移动；气候高SST区是其存在条件。SST季内振荡高强度区存在于热带东太平洋(终年存在)，西北太平洋(北半球春夏秋季存在、夏季最强)和西南太平洋(南半球夏季前后存在)；气候薄混合层(mld)是其存在条件。

②太平洋四关键区(热带西太平洋、热带东中太平洋、西北太平洋、西南太平洋)的OLR季内振荡强度与SST异常呈显著局地同时性正相关关系。SST季内振荡强度与mld异常的局地同时性相关结果是，热带西太平洋无显著相关(气候mld较大)，其余三关键区气候mld小的季节均存在SST季内振荡强度与mld异常的负相关联系。因此大气季内振荡气候及异常特征直接成因一致地与SST、有关；海洋季内振荡相应特征则直接与mld有关。

③ENSO是海气系统中最强异常信号，在海洋中它引起了SST、mld的明显异常，因此，伴随ENSO必然发生海气系统季内振荡强度的异常。El Nino(La Nina)事件中热带两太平洋SST出现负(正)异常，OLR季内振荡强度出现减弱(增强)的变化。El Nino(La Nina)事件中，赤道太平洋出现地面信风西风分量正(负)异常，并引起热带东太平洋mld出现正(负)异常，造成热带东太平洋SST季内振荡强度出现减弱(增强)的变化。

④热带印度洋、热带西太平洋和热带东太平洋季内振荡强度在上世纪70年代发生了明显的年代际变化，均为前弱、后强，SST本身的年代际变化是其原因。

⑤用改进了的复经验正交函数(CEOF)方法分析了从赤道印度洋到西太平洋然后向正东、东北、东南三条路经上的OLR及速度势的季内振荡传播特征。气候上，在沿赤道的传播中，OLR东半球较西半球明显，东、西半球无显著差别；两种要素季内振荡沿向东南路径的传播较向东北路径的传播特征明显。异常表现为季内振荡强度在El Nin。事件中的减弱和传播方向在个别年份的西传。季内振荡沿上述路径的传播方向不清晰。

⑥用时滞SVD方法分析了北太平洋、南太平洋、热带东太平洋区域10米高处逐日风(夕)场与SST场季内振荡的相关联系，得到了三风夕、SST场季内振荡的基本过程，它们是由漂流和感热输送推动的一个负反馈过程，它以薄mld为存在条件，可能是SST季内振荡的维持机制。

气候振荡的理论研究与诊断

从简单海气相互作用方程组出发，考虑深海海洋对大气的加热作用，求出海气相互作用方程组的解析解，解析解表明，海气相互作用可以产生不稳定海气耦合波。分析了不稳定海气耦合波的特征，并用观测资料对理论结果进行了验证。

结论如下：

(1)在不同的纬度，不同的扰动尺度以及不同的深海对混合层作用下，不稳定海气耦合波的周期和e折时间尺度随海气相互作用系数变化的趋势是类似的，即e折时间尺度随海气相互作用系数的增加由大变小，达到一个极小值，然后随海气相互作用系数的增加而增大；周期随海气相互作用系数的增加而增大。

(2)在相同的纬度，同一扰动尺度和海气相互作用系数下，不稳定海气耦合波的周期和e折时间尺度都有随深层海洋对混合层作用的增加而增大的趋势。从而最小e折时间尺度和最不稳定海气耦合波的周期有随深层海洋对混合层作用的增加而增大的趋势。

(3)同一扰动尺度，在相同深海对混合层作用下，最不稳定海气耦合波的周期和最小e折时间尺度从低纬度到高纬度有增加的趋势。

(4)不稳定海气耦合波的e折时间尺度极小值，对应的海气相互作用系数的大小与波的扰动尺度和纬度有关，而与深海对混合层的作用无关。

(5)诊断分析表明，北太平洋地区存在着海表温度与海表散度的负相关关系，与理论的出发点一致。

(6)研究了北太平洋地区不同区域的海表温度的周期变化特征，得出与理论一致的结论。

亚洲季风百年尺度气候振荡

12个U/Th年龄测试结果显示，黔西南普安县雾露洞长度分别为667mm和830mm的两支石笋覆盖了61～50kaBP时段。据两支石笋999个δ18O数据建立了平均分辨率达15年的亚洲夏季风强度变化序列。雾露洞δ18O记录揭示了4个振幅达1.7‰的千年尺度季风增强事件，对应于格陵兰冰芯DO17—DO14事件。在总体特征上，该记录峰谷振荡特征及振幅与贵州董歌洞、南京葫芦洞记录一致，进一步证实亚洲季风区大气降水同位素组成变化在大范围空间内具有一致性。

在百年尺度上，亚洲季风区石笋δ18O清晰记录了MIS3早期6个DO亚旋回事件，而且在更短时间尺度上具有类似高纬气温振荡特征。这种低纬季风系统与北高纬气候变化的耦合关系表明，大气环流快速重组和传输可能是连接高低纬DO旋回及亚旋回气候变化的主要纽带。

千年尺度气候振荡

千年尺度气候振荡的研究是从对新仙女木事件(Younger Dryas，缩写为YD)的分析开始的。YD事件大约发生于12.5一11.5 kaBP(日历年)，温度变化的幅度达到冰期间冰期旋回的3/4，有的地区达到7-8℃。在冰消期后期回暖的过程中气温突然下降，经过了大约1 ka的冷期，气温又突然回升，气温突降与突升均发生在几十年内，有的作者认为有的地区可能仅在10a之内。也就是说变化的时间不足事件时间尺度的1%，因此称为气候突变。

后来人们发现在冰期内普遍存在这种千年尺度的气候振荡，其基本频率为1.47 ka，并以发现的作者命名Dansgaard/Oeschger循环，简称 D/O循环。根据格陵兰冰芯即80资料，进人全新世之后，气候趋于稳定。因此，最初人们认为全新世中没有千年尺度气候振荡。

北大西洋年代际振荡

北大西洋年代际振荡(theAtlantic Multidecadal Oscillation，AMO)是发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度、时间上具有多十年尺度的海表温度(sea surface temperature，SST)准周期性暖冷异常变化。它具有65～80a周期，振幅为0.4℃。AMO的形成与热盐环流的准周期性振荡有关，它是气候系统的一种自然变率。诸多研究表明AMO在北大西洋局地气候及全球其他区域气候演变中发挥了重要影响。欧亚大陆的表面气温，美国大陆、巴西东北部、西非以及南亚的降水，北大西洋飓风等都与之密切相关。AMO对东亚季风气候的年代际变化有显著的调制作用，暖位相AMO增强东亚夏季风，减弱冬季风，冷位相则相反。

专家认为最近20多年来我国冬季的显著增暖与AMO处于暖位相有关，是人类温室气体，强迫与暖位相AMO(自然因子)两种增暖影响相叠加的结果。随着AMO逐渐转入冷位相，我国冬季变暖趋势将放慢，并有望于21世纪20年代中期逆转。

黄土古气候振荡周期

黄土古气候振荡周期(palaeo climate oscillatory period)是根据黄土地层古地磁的时间标尺，结合土壤地层的划分，得出黄土古气候冷暖相互转化的时间周期。这些古土壤层代表着黄土堆积时期的气候旋回。

从距今250万~150万年，共有10个古气候旋回，古气候的冷、暖变化振荡周期以10万年为主，且冷暖振幅变异很大；

从距今150万~80万年，共有15层古土壤，古气候振荡周期以4万年为主，气候总体上振幅较小；

从距今80万年到现在，共有12个土壤地层单位，气候振荡周期又以10万年为主，同时，亦有少量为4万年和2万年左右的周期，气候振幅很大。

青藏高原季风的气候振荡和预测试验

利用奇异谱分析等方法，分析了196 1～ 1 995年青藏高原季风的气候振荡。结果表明：自60年代以来，季风的总趋势是加强的，即夏季青藏高原暖低压加强；冬季青藏高原冷高压减弱，这可能是对全球变暖的响应。

季风的主要周期是3～4年，其次是6年，高原季风在1985年存在着由偏弱向偏强的突变。利用 SSA- MEM方法可以预报春季高原季风指数未来2年的趋势和季高原季风指数未来9个季的趋势。

IODP计划

IODP计划（2013~2023）中的第一个科学主题中明确指出：海底的沉积物岩芯提供了过去气候变化的记录，能够在空间和时间尺度上更好理解地球系统演变过程，地质记录能够帮助我们检验预测未来气候模型的准确性。

东海是东亚季风、西太平洋边界流共同影响下的海域，接受来自长江、黄河以及众多中小型河流的大量陆源物质输入，具有很高的沉积速率，使得该处成为开展高分辨沉积记录及其对多尺度气候变化响应研究的重要选区。

研究以东海内陆架闽浙沿岸泥质沉积区为研究对象，开展了沉积学和地球化学的超高分辨沉积记录的综合研究，揭示了泥质沉积记录中存在的高频振荡现象和隐形沉积“年纹”，利用沉积纹层进行精细的年代标定，建立了该区域近200年来的超高分辨沉积记录模式，并与东亚季风、ENSO与PDO指数进行耦合研究，探讨沉积层序中的高频波动对年际、年代际气候振荡的响应机制。

研究结果将为东亚季风影响下的陆架区超高分辨沉积记录研究提供新的途径，并为客观评价东海内陆架海洋环境演变中的自然因素、人类活动的贡献和演变趋势提供科学依据。首先探索了超高分辨沉积记录的沉积学指标，即岩芯的X-ray影像灰度指标和Corescanner岩芯元素扫描指标。通过对东海内陆架表层沉积物和四根沉积物岩芯X-ray影像灰度的研究表明：

①沉积物的灰度值是沉积物密度、结构和构造等属性的综合体现，但是受沉积物中的含水量的影响明显，两者呈现出明显的负相关关系，并据此提出了灰度的含水量校正公式。经过校正后的沉积物灰度值与沉积物的粒度、砂+粉砂的百分含量有着良好的一致性，可以近似看作岩芯的粒度替代性指标；依据灰度对东海陆架沉积物进行了分区，能很好地反映了该区的沉积环境。

②对沉积物岩芯进行X-rayCorescanner连续岩芯扫描研究表明：岩芯中沉积物的含水量和干密度均对X-ray岩芯扫描元素分析结果产生影响，即为压实效应，并得到了该区压实效应的校正公式，据此可以对Corescanner结果进行压实效应的校正。评价了针对东海内陆架泥质沉积区X-ray core scanner元素测试能力，将其分成四类，其中Ⅰ类元素分析结果可信度高、可以直接作为含量对待，Ⅱ类具有重要的参考价值，Ⅲ类具有一定参考价值，而Ⅳ类无参考价值。

对取自东海内陆架的4根岩芯18、C0702、DH6-1、DH7-2，系统地开展了沉积物岩芯的X-ray影像灰度、岩芯Corescanner元素扫描、粒度分析以及放射性同位素测定，建立了东海内陆架近200年来高分辨沉积记录。通过经验模态分解-最大熵谱分析法(EMD-MESA)及功率谱分析等方法对高分辨沉积记录进行了周期性分析，识别了该区域存在的隐形年纹或年代纹；利用沉积纹层定年并经210Pb、137Cs测年验证，建立起了该区域内近200年来高精度的年代标尺，揭示了该研究区内沉积层序三种高频波动模式：

Ⅰ年内及年尺度准周期变化；

Ⅱ年际尺度的准周期变化(2-8年)；

Ⅲ年代际尺度准周期变化。

不同位置的沉积岩芯的高频波动模式略有差别。将东海内陆架沉积层序的高频波动模式与东亚季风、ENSO及PDO指数进行耦合研究，结果表明岩芯18存在的年内及年尺度准周期变化是长江输沙量的周期性变化的结果，其余三根岩芯C0702、DH6-1及DH7-2中沉积记录中高频波动的准两年周期与东亚季风的准两年周期变化有着显著的关系；四根岩芯中沉积记录的年际高频波动与ENSO的(2~8年)周期有着良好的响应关系，该周期性波动是由ENSO振荡影响了东亚冬季风的强度、进而改变了该区的海洋沉积动力环境和沉积物搬运沉积过程所产生；该区沉积记录中的年代际的波动与PDO指数变化有着良好的响应关系，分析认为是PDO相位发生转变时引起东亚大陆的表层风发生异常，并导致东亚冬季风强度发生变化，进而影响了该区的沉积动力环境和沉积过程，最终导致了沉积层序中的年代际周期的形成。

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