晚新生代以来我国季风-干旱环境耦合系统演变的动力学研究

项目名称： 晚新生代以来我国季风-干旱环境耦合

起止年限：依托部门：系统演变的动力学研究

安芷生 中国科学院地球环境研究所 2010年1月-2014年8月 中国科学院

首席科学家：

一、研究内容

本项目利用环境科学钻探获取的高质量岩芯和生物样本，在学科交叉和综合集成的基础上，深入理解亚洲季风和干旱演化的环境动力学因素和驱动机制，集成研究与季风－干旱环境耦合系统演化的动力学机制有关的4个关键科学问题: (1) 季风-干旱环境耦合系统分异演化与构造－气候事件的关联 在构造尺度上，研究亚洲季风-干旱环境何时形成？如何分异演化？其分异演化与高原生长和全球重大气候事件的动力关联如何？分辨两极冰盖的发展、区域构造事件、海洋事件和大洋环流变化等对我国内陆干旱化、东亚季风和西南季风演变的不同影响，探索构造事件和气候变化的相互关系。 (2) 地球轨道参数和气候系统内部变化对季风-干旱环境变迁的影响 在轨道时间尺度上，着重揭示在万年尺度上西部地区的干湿变化、季风－干旱过渡区的动态演化、东亚季风和西南季风的变迁有何异同？研究高空西风急流、低空季风环流和穿赤道气流是如何影响不同环境子系统的变化？辨析不同环境子系统演化对地球轨道变动引起的太阳辐射变化及气候系统内部联系的响应关系与机理。 (3) 海－陆－气相互作用对短尺度气候突变事件的驱动 在短时间尺度上，重点研究千年、百年甚至十年气候突变事件发生的规律如何？探讨在海陆气相互作用的全球变化背景下，自然因素包括气候系统内部因素和人类活动是如何影响气候突变事件的发生？阐明在全球变暖的背景下不同环境子系统的差异响应和未来气候变化的可能趋势。 (4) 全球框架下季风-干旱环境耦合系统演变的动力学模型 通过各种地质、地理和气候外强迫条件下的数值模拟试验及其与地质观测记录的对比，查明全球变化背景下我国不同区域气候环境变化的主控因子和动力学机制有何异同？通过学科交叉和综合集成研究，探讨全球重大环境事件和青藏高原生长是如何影响季风－干旱环境耦合系统的时空演化格局？识别干旱-季风环境系统对全球变化响应的主空间模态和强信号，构建不同时间尺度我国季风-干旱环境耦合系统演变的动力学模型。 围绕上述关键科学问题，首先需要查明季风-干旱环境系统各子单元的演化特征，重建不同时间尺度我国季风-干旱环境耦合系统的分异和变迁过程，进而探讨季风-干旱环境系统的时空变迁与青藏高原生长和全球环境变化的关联，主要研究内容如下： (1) 季风－干旱环境耦合系统的分异演化过程与动力机制 西部干旱区选择塔里木中部和西部的代表性天然剖面、柴达木盆地的天然剖面以及罗布泊岩芯，季风－干旱过渡区选择湖泊沉积和风成砂－黄土－红粘土序

列，东部季风区选择红粘土－黄土－古土壤岩芯，西南季风区选择在云南鹤庆和瑞丽盆地获取的湖泊岩芯，进行系统的年代学研究和古环境指标测量，建立晚新生代以来不同环境子系统具有代表性的长时间演化序列，并与全球记录对比，揭示季风－干旱环境耦合系统的分异演化与青藏高原生长和全球环境变化的动力联系。 (2) 不同环境单元气候变迁的异同及其与高低纬、南北半球间气候的关联 研究不同区域代表性的风尘沉积(黄土高原黄土－古土壤－红粘土序列)、湖泊沉积(罗布泊和鹤庆岩芯)、风成砂－河湖相砂－砂质古土壤序列，利用沉积学、地层学、地球化学、孢粉学、介形类方法，查明不同环境子系统在轨道－亚轨道时间尺度上的变迁过程和规律，探讨地球轨道引起的太阳辐射变化对西部干旱化和季风气候变迁的影响、西部干旱区气候波动与西风带和高纬气候的联系、过渡区变迁与高、低纬气候的相互作用过程，以及南、北半球气候对东亚和西南季风演变的影响。 (3) 短尺度气候事件与海陆气相互作用的动力系 通过对环境敏感带、东亚季风区、西南季风区、热带季风区的湖沼、石笋、树轮等多种环境记录的综合研究，系统建立不同区域末次间冰期特别是末次冰消期以来千-百-十年尺度气候事件的变化序列。在各种记录交叉检验基础上集成构建不同环境单元的代表性演化序列，通过与太阳活动指数、高纬气候变化、低纬大洋资料的综合对比分析，查明海、陆、气相互作用与不同环境子系统短尺度气候事件的联系。同时，综合研究典型湖沼、石笋和树轮等，并与考古资料和历史文献对比，探讨最近3000年以来人类活动与自然过程的相互作用，为未来气候变化趋势预测提供历史相似型和机制理解。 (4) 不同时间尺度亚洲季风－干旱环境耦合系统演化的综合动力学模型 通过东南－西北向环境大断面和环境敏感带大断面的考察和集成不同地区不同类型的高质量环境记录，深入认识我国季风-干旱环境耦合系统在不同时空尺度上的演变特征，从太阳辐射、下垫面变化、气候系统内部等所驱动的海－陆－气相互作用的角度，结合数值模拟，阐明亚洲季风－干旱环境耦合系统在构造时间尺度上的分异演化与青藏高原生长及全球变化的动力学关联，在万年尺度上的变迁同地球轨道参数和地球气候系统内部变化的联系，在千年和更短时间尺度上的气候环境突变事件的发生规律和机制，区分人类活动和自然因素的不同影响，提出不同时间尺度地球环境系统演化的综合动力学模型。

二、预期目标

总体目标 在科学前沿上，开展环境大断面调查、补充钻探和岩芯分析，重建不同时空尺度精确的代表性气候环境时间序列，整合多种高分辨率资料和已有研究成果，并与数值模拟检验相结合，率先开展以独具特色的我国季风-干旱环境演变动力学机制为主线的高层次集成研究，获得不同时间尺度季风-干旱环境耦合系统变迁过程、规律、控制因子与机理的原创性成果，构建多尺度亚洲季风-干旱环境耦合系统变迁的动力学模型，阐明它与青藏高原生长和全球环境变化的关联，提出具国际前沿水平的亚洲环境变化动力学的理论，努力成为全球环境变化领域中将过去与现代、区域与全球、自然与人类因素相结合研究的范例，推动地球环境系统科学发展。 在国家需求上，基于对我国自然环境演化和短时间尺度气候变化、突变事件发生规律和机制的认识，揭示不同区域对过去全球变化响应的异同，识别人类活动的影响，提供未来气候变化的历史相似型和机制理解，为季风－干旱环境发展趋势预测，以及国家尤其是西部制定适应全球变化的可持续发展对策提供科学依据，造就具有综合创新研究能力的高层次人才。 五年预期目标 (1) 重建晚新生代以来不同时间尺度季风-干旱环境演化的代表性序列，如晚渐新世以来反映东亚季风变迁的风尘序列、晚中新世以来西北干旱化的风尘和湖泊沉积序列、上新世以来西南季风演化的湖泊沉积序列等，查明特征时期(如晚渐新世25-22Ma、中中新世16-14Ma、晚中新世10-7Ma、上新世晚期3.6-2.6Ma、中更新世转型1.2-0.8Ma等)季风－干旱环境演化的空间格局。 (2) 对不同的季风-干旱环境演化序列进行分析，并与海洋、冰芯、石笋等地质记录对比，查明太阳辐射、冰量变化、青藏高原生长以及气候系统内部联系是如何影响不同地区的环境变迁过程，获得不同时间尺度区域环境变化的主控因子。 (3) 依据地质记录研究结果设定特征时期和特征事件发生的边界条件，运用数值模拟检验地球气候系统内外部因子对季风－干旱环境系统演变的驱动机制，建立亚洲季风－干旱系统不同时间尺度气候环境变化的综合动力学模型。 (4) 本项目将促进中国科学家走在国际科学研究相关领域的前列和年青科

学家在国际竞争中迅速成长，为我国培养一批具有构造－气候－模拟－全球变化综合研究能力的中青年科学家和将帅人才，提高中国地球环境科学研究的国际地位。

三、研究方案

1、总体研究思路 本项目拟开展晚新生代以来以我国季风－干旱环境耦合系统演变的动力学机制为主线的综合集成研究，通过东南－西北向环境大断面的科学考察和对已获岩芯的深入研究，同时整合不同地区多种类型的高质量环境记录，运用新的测试方法与技术获取高精度的年代序列和敏感的环境代用指标，建立不同地区不同时间尺度代表性气候环境演化序列，进行东亚季风、西南季风和西部干旱气候等子系统演化的动力学集成研究，深入认识这一系统在不同时空尺度上的演变机制，阐明亚洲季风－干旱环境耦合系统演化与青藏高原生长和全球变化的关联，提出不同时间尺度地球环境系统演化的动力学综合模型。 2、技术路线 (1) 建立不同地区不同时间尺度高分辨率的代表性的气候环境变化序列 获取不同地区高质量的环境记录：除了项目组已获取的多种环境岩芯和大量高分辨率湖泊、泥炭、石笋和树木年轮样本外，本项目将重点在西北内陆干旱区选择塔里木盆地西部的乌恰剖面、柴达木盆地的天然剖面，在过渡区选择乌拉盖湖泊沉积、风成砂－黄土－红粘土剖面，在季风区选择黄土高原高质量的黄土岩心和野外剖面，在西南季风区选择青藏高原东南缘的瑞丽盆地，进行系统野外采样。为研究千年－百年气候事件，将集中力量在地区、青海湖流域、江西地区、云南地区、雷州半岛等地选择树轮、泥炭、湖沼、石笋、珊瑚等高分辨率环境记录进行研究。 构建高精度的年代地层框架：对长尺度环境记录，首先依靠生物地层学方法确定年代学大致范围，然后应用古地磁学方法获得较精确的年代框架。基于热电离质谱(TIMS)和等离子体质谱（ICP-MS）的U-系测年技术，是石笋精确定年的主要方法，湖泊记录中的一些生物介壳、盐类沉积等也为U-系年代学研究提供了较好的材料。晚更新世以来的年代将主要依靠释光技术(OSL)和高精度的加速器质谱(AMS)，树轮样品采用树木年轮计数法和14C测年法相结合方式定年，活珊瑚样品的定年主要采用年层计数法。 建立不同类型环境记录的代用指标体系：运用沉积学(粒度、灰度)、矿物学(粘土矿物、磁性矿物)、地球化学(元素组成、同位素比值、盐类指标、有机分子单体的同位素组成)和生物学(如孢粉、植物残体、炭屑、硅藻、介形类等)等方法，提取对季风－干旱环境变化敏感的代用指标。在利用不同类型的代用指标进行古环境格局重建时，首先要辨析其响应的物理化学过程，建立起对不同环境参数(如

降水、温度、湿度、植被等)响应敏感的指标体系。同时选择一些关键环境指标(如花粉、摇蚊、硅藻和生物地球化学指标等)，对其现代和近代过程及与气候要素的关系进行研究,试图建立上述指标与现代环境参数的定量关系，用于关键古环境参数(如古温度、古降水、水体古盐度、古风力强度等)的定量化估算。 (2) 探讨不同时间尺度季风－干旱环境耦合系统的演变过程和机制 在构造时间尺度上，主要依据天然剖面、风尘沉积和湖相岩心的研究结果，结合西北-东南环境大断面科学考察的检验，重建晚渐新世以来我国季风－干旱环境耦合系统分异演化的时间和阶段，区分青藏高原生长、副特提斯海演化、两极冰盖扩张对我国季风－干旱环境演化的可能影响。在轨道时间尺度上，基于风尘沉积和湖相沉积的研究结果，查明不同地区气候变化的异同，如变化幅度、周期和相位等特征，探讨西风带和季风环流相关的水热输送以及高低纬和南北半球气候的相互作用过程。在千年－十年尺度上，主要依据湖沼、石笋、树轮、珊瑚等，结合环境敏感带大断面的调查，查明短尺度气候突变事件发生的特征和规律，及其与太阳活动、赤道暖池、ENSO活动、北极/北大西洋涛动、西太平洋副热带高压变迁等气候驱动因子的关系，同时为预测未来气候变化提供可能的历史相似型。 (3) 提出季风-干旱环境耦合系统演化的综合动力学模型 通过对不同时间尺度环境演化的时间、周期、变率和相位等特征进行的详细分析，并与对我国环境有重要影响的环境驱动因素(如太阳辐射、冰量变化、海洋环流、海面温度和大气CO2浓度等)进行对比，以理解我国季风－干旱环境耦合系统演化对气候系统内外因子变化的响应和反馈过程。利用三维全球大气环流模式和海洋-大气耦合模式，建立适用于我国季风-干旱环境演化研究的全球-区域嵌套数值模式系统，以所获得的环境时空演化数据作为模式新的边界条件，来分析大气系统以及海-气耦合系统中我国区域环境变化的控制因子。结合过去多年来获得的理论认识，提出“我国季风-干旱环境耦合系统演化过程与青藏高原生长和全球环境变化动力关联”的理论模型，指出环境演化与地球环境系统的关系。 3、可行性分析 我国独具特色的环境为研究季风－干旱环境耦合系统演化的动力机制提供了不可多得的天然实验场，例如青藏高原、西部大沙漠、黄土高原、众多的淡水和咸水湖泊。通过对不同地区不同类型环境记录的研究，易于提取不同时间尺度季风－干旱环境演化的信息。申请集体已在我国境内获取的沉积物岩芯累计超过6000米，采集到大量的短尺度湖沼、泥炭、石笋、珊瑚岩芯和树轮样本，

还在关键地区设计了补充钻探，这些高质量的样本为深入研究我国季风－干旱环境耦合系统的演化提供了独一无二的材料。 申请集体有多个国家重点实验室和开放实验室的支撑，还能得到若干国外实验室的协助。这些研究单位有高灵敏度的加速器质谱仪、2G超导磁力仪、MC-ICP-MS、Daybreak 2200光释光分析仪等，可为本项目的年代学研究提供良好的试验平台，还拥有MAT252稳定同位素比质谱仪、GC-MS气质连用仪、激光粒度仪、X荧光光谱仪、X射线衍射仪等仪器设备，可以完成本项目设计的各项测试工作。 项目参加人员在学科结构方面涵盖了地质年代学、沉积学、构造地质学、湖泊学、海洋学、地球化学、地球物理、气候学和数值模拟等(详见后面的研究队伍介绍)。在人才结构方面拥有一个主要以中年科学家为学术带头人、以中青年科学家为科技骨干，国内资深科学家指导的研究群体，其中杰出青年基金获得者6人，百人计划入选者3人，并有日本JAMEST全球变化观测研究所和大学的优秀海外年轻科学家作为客座教授参与，这种学科与人才结构能确保本项目设计的综合集成研究的顺利实施。 项目的申请单位中国科学院地球环境研究所及学术带头人安芷生院士多年来主持了大批国家级研究项目，其中包含973项目、九五攀登预选、基金委重大和重点项目、中科院创新重大和创新重要方向性项目、国际钻探计划“青海湖环境钻探”国际合作项目。这些项目在验收中，均得到学术界和管理部门高度的评价，因而具有主持大型科研项目在学术和管理方面的坚实基础。 4、特色和创新点： (1) 过去与近代结合：本项目研究的时间尺度多(构造、轨道、千年－十年)，长尺度研究将提供我国季风－干旱环境耦合系统演变的背景，短时间尺度研究将深化对气候突变事件发生的机制理解。不同时间尺度的相互补充，过去与近代的结合，不仅可回答亚洲季风和干旱化的起源、演化及影响等重大科学理论问题，而且有助于对未来环境变化趋势的预估，为国家需求服务。 (2) 区域与全球结合：本项目突破季风或干旱环境分别研究的模式，走向季风-干旱环境系统的整体研究，将我国东部季风湿润区－西北内陆干旱区作为一个耦合的环境系统，在海-陆-气相互作用的全球框架下探讨不同时间尺度季风－干旱环境耦合系统演变的动力学机制，有望取得高度集成性的具有全球视野和区域特色的成果。 (3) 自然与人类因素结合：在研究短尺度气候突变事件和未来气候变化趋势时，除自然因素外，将对人类活动的影响给予尽可能的关注。综合分析考古、历

史文献和现代观测资料，揭示自然和人类因素对不同地区环境变化的可能影响，为评估未来气候变化趋势和制定社会可持续发展对策服务。 (4) 多种测年方法和气候替代性指标的应用与检验：本项目以高精度的测年为基础，采用当代年代学研究的最新方法，如古地磁、释光、U系法和14C加速器质谱等，不同方法的测年范围既有重叠，测年结果又可交叉检验。同时采用沉积学、矿物学、地球化学和生物学等方法获取多种古气候代用指标，不同指标的对比可提取对季风－干旱环境变化敏感的代表性演化序列。 (5) 多学科的综合集成：本项目强调在海－陆－气相互作用的背景下，结合不同区域高质量环境记录和青藏高原及周边地区最新的构造隆升地质证据，分别从亚洲季风系统的形成和演化、内陆干旱化的起源与发展、区域构造地貌演化和数值模拟等不同学科的角度，采用多学科方法集成研究不同时间尺度上我国季风－干旱环境耦合系统演化的动力学机制。 5、课题设置及相互关系 根据研究目标和可操作性，项目共设立6个课题。其中第一到第四课题将分别查明我国西北干旱区、季风－干旱过渡区、东部季风区和西南季风区在构造及轨道时间尺度上的环境演化特征，也涉及到千年尺度的气候事件。第五课题重点研究各区域在千年、百年甚至十年时间尺度的变化特征，探索气候突变事件的规律和机制，为全球变暖背景下不同地区环境演化趋势预测服务。第六课题将集成前五个课题的研究成果，综合理解不同时间尺度季风－干旱环境耦合系统的演变过程，提出海-陆-气相互作用下与全球变化密切联系的季风-干旱环境系统的演变机理。 课题一：西北干旱区环境演变的地质过程与动力机制 本课题旨在恢复我国西北干旱化和沙漠形成与发展的地质历史和重要的干旱化事件，基本确定晚新生代以来几十万年至百万年的构造尺度、万年轨道尺度和千年尺度三个时间尺度上陆地生态系统水分干湿变化的基本规律、驱动因子和驱动机制。一方面为全球气候变化的理论研究提供可靠的基础数据和记录，另一方面，明确内陆气候变化（包括水分干湿和温度）的自然过程和基本特征，包括不同时间尺度的变率和变幅等特征，为考察近代和现代气候变化中人为因素和自然因素的影响提供自然背景的理解，从而为国家对干旱区环境和发展战略的制定提供自然过程的科学依据。主要研究内容如下： (1) 塔里木海湾消亡的地质历史与塔克拉玛干沙漠的形成与演化 对塔里木中部、昆仑山北侧和南天山南侧的代表性剖面和钻孔进行系统地古地磁年代学研究和古环境指标测量，在此基础上对这些地区海相地层和风成砂地

层进行全面地地质调察，从而绘制新生代以来主要地质时期海水的分布和陆相沉积区的地质环境。同时以代表性剖面和钻孔记录的风成砂分析为基础，以现代塔里木的气候与水文及生态研究为参照，结合沉积盆地方法确定塔克拉玛干沙漠形成的时代及其演化历史。 (2) 罗布泊钻孔记录研究与晚新生代塔里木东部的古环境演化 基础地层资料显示，塔里木盆地现今统一干旱沙漠环境可能只形成于第四纪中晚期,之前塔里木盆地的沉积相区分是很明显的。新生代早期西部以特提斯海的几个海进－海退沉积序列为主导，而东部则以河流相和湖相沉积主为，有没有海相沉积还不清楚。罗布泊钻孔为研究塔里木盆地东部的新生代古环境提供了一个较长的序列。本项目将以该记录的年代与古环境记录为核心，结合盆地周边的地层，首次对塔里木盆地东部的新代古环境演化，特别是早期沉积相与特提斯海的关系及沙漠发育以来的变化历史给出较为明确的结论。 (3) 柴达木盆地及青藏高原北缘干旱区干旱环境发展的地质历史 选取瑙格天然露头地层剖面，通过高精度古地磁测量结合古生物学年代学、14C、OSL、U-Th 等方法，确定钻孔的年代序列。通过磁性地层和研究和古环境指标测量（包括粒度、色度、有机质、Cl-、CaCO3、C/N、Sr/Ca、Mg/Ca、Rb/Sr），获取中中新世以来详细的干旱气候环境变化的多指标记录，以便获得柴达木盆地中新世以来的古环境演化序列。同时，在塔里木盆地周边和/或柴达木盆地北缘开展“就地”（in-situ）宇宙成因核素10Be/26Al暴露年龄研究，为塔里木盆地干旱化历史和/或柴达木盆地北缘干旱环境的地质历史研究提供年龄依据。 (4) 晚新生代以来特提斯海消亡和内陆干旱化的驱动机制及气候效应 特提斯海消亡和内陆干旱化是印度持续北移并与欧亚碰撞的结果。然而，这一地质过程相当复杂，从现有资料来看，青藏高原北部及其以西北的中亚地区的构造隆升和特提斯海主要水道或海峡的关闭起了最直接的作用。欧洲学者对这一复杂的地质过程进行了初步的恢复，但没有认识到特提斯海能东伸到中国内陆，这些工作只限于中亚和欧洲地区。本项目的研究内陆之一就是在剖面研究和地质调察的基础上，将中国内陆的海相地层的分布与中亚和欧洲的经典特提斯古环境工作对比，绘制完整的特提斯海演化的古环境图。在此基础上，分析驱动这些环境演化的构造运动的时代和作用方式，为研究青藏高原隆升在这些地区的表现从环境效应角度提供证据。 本课题由兰州大学和中国科学院地球环境研究所共同承担，负责人为孙东怀教授，主要学术骨干有宋春晖教授、常宏副研究员、武振坤高级工程师、金钊博士后，课题经费占项目总经费的13.75 %。 课题二：季风-干旱过渡区变迁与高低纬气候相互作用 本课题拟在季风—干旱过渡区选择具有区域代表性的地质记录,如末次间冰期以来的湖泊沉积和上新世以来的红粘土-黄土-古土壤序列为研究对象，利用沉

积学、地层学、地球化学、孢粉学、介形类及年代学方法，研究不同时间尺度季风—干旱过渡区变迁的过程和规律，探讨过渡区变迁与高低纬相互作用的动力关联。主要研究内容如下： (1) 高分辨率气候、环境变迁记录 根据年代标尺和代用指标数据，建立末次间冰期以来湖泊沉积记录的环境变迁序列及上新世以来红粘土-黄土-古土壤记录的环境演变序列，定量恢复末次间冰期以来过渡区温度和降水的变化历史，确定亚轨道尺度和轨道尺度水汽和热量的组合模式和植物群落面貌，分析构造尺度转型前后的季风－干旱过渡区环境的总体特征。 (2) 过渡区极端气候、环境事件与高低纬相互作用的动力关联 根据气候、环境变迁的高分辨率时间序列，恢复水热状况配置模式和植物群落面貌，分析亚轨道尺度气候、环境的变率、变幅及不稳定性特征，通过与高纬冷暖状况和低纬水汽产率对比，探讨过渡区极端气候、环境事件与亚轨道尺度高低纬相互作用的动力关联。 (3) 过渡区变迁对高纬主导型和低纬主导型相互作用的响应 重建末次间冰期以来不同的暖湿、冷干时段过渡区的环境状况及黄土－沙漠边界带的空间分布，分析不同时段过渡区环境状况与高纬冰盖和低纬海洋的动力关联，区分高纬冰盖和低纬海洋驱动的高低纬相互作用方式，探讨过渡区变迁对轨道尺度高纬主导型和低纬主导型相互作用的响应。 (4) 过渡区转型与高低纬相互作用 根据气候、环境变迁序列，分辨过渡区演化的阶段性特征，确定可能的环境转型事件，分析转型前后过渡区环境格局与高、低纬过程动力关联的差异，探讨高低纬相互作用方式转变与区域构造变动和全球气候系统改组的关系。 (5) 典型温暖期季风－干旱过渡区湿度状况和植被景观 通过对比气候、环境变迁的高分辨率时间序列，重建典型温暖期过渡区湿度状况和植物群落面貌，分析植物种群和植被盖度变化对不同水热组合条件响应的方式和速率，为评估全球变暖对环境脆弱带水文循环和生态环境的影响提供科学依据。 本课题由中国科学院地质与地球物理研究所和北京大学共同承担，负责人为肖举乐研究员，主要学术骨干有周力平教授、李宜垠副教授、马志邦高级工程师、常志刚博士后，课题经费占项目总经费的14.50 %。 课题三：东亚季风变迁与太阳辐射和下垫面变化的关联 本项目旨在重建东亚季风的演化历史及其与地球气候系统内外部因素的关系,在构造时间尺度上探讨青藏高原生长和全球气候对东亚季风长期演变趋势和重大转型事件的动力驱动，在轨道时间尺度上查明全球冰量、南北半球太阳辐射变化以及穿赤道气流对东亚冬、夏季风的不同影响。重点选择黄土高原的黄土－

红粘土岩芯和野外剖面为研究对象，提取对东亚季风变化敏感的代用指标，重建晚渐新世以来东亚季风在构造和轨道时间尺度上的变化特征。结合其它类型高质量的环境记录(如石笋、湖泊和深海沉积)，揭示晚渐新世以来东亚季风重大转型的发生过程、关键时段冬/夏季风的组合演化模式。主要研究内容如下： (1) 建立晚渐新世以来季风区气候环境变迁的代表性序列 选择已经获取的庄浪红粘土岩芯、申请钻探的陇东红粘土－黄土岩芯和黄土高原东南部和西北部的高分辨率黄土剖面，依据精细的古地磁和多个古气候代用指标的测定，寻找对冬、夏季风和化学风化敏感的代用指标(如元素比值和Sr、C-O同位素组成等)，建立晚渐新世以来风尘堆积揭示的季风－干旱环境演化的代表性序列。 (2) 区分高原生长和全球变化对东亚季风长期演变趋势的影响 对比黄土高原和南海的东亚季风演化序列，提取东亚冬、夏季风的长期变化趋势，探讨冬、夏季风在构造时间尺度上的演化模式(如相互消长或同步变化)、特征时期的气候转型(如中中新世气候变冷、晚中新世C4植被扩张、北半球大冰期发生前后的大气环流格局重组、中更新世气候周期的转型、中布容气候变幅的显著增加等)与高原生长和全球变化的可能关联。 (3) 查明东亚冬、夏季风变迁对太阳辐射和全球冰量变化的差异响应 对比黄土、湖泊、海洋和石笋的记录，分辨在轨道时间尺度上冬、夏季风变化的相对幅度、频率和相位关系，尤其关注黄土和石笋记录的气候变化周期的异同，查明高纬冰量和低纬太阳辐射对东亚冬、夏季风的差异驱动。 本课题由中国科学院地球环境研究所和南京大学共同承担，负责人为孙有斌研究员，主要学术骨干有刘卫国研究员、刘连文副教授、韩永明副研究员、艾莉助理研究员，课题经费占项目总经费的13.25 %。 课题四：西南季风演化与南半球气候的联系 本课题的总体目标是根据西南季风区不同时间尺度环境演化序列的研究结果，与南北半球深海、冰芯、石笋等的记录对比，从演化周期、变率和相位等方面，深入探讨西南季风演化的规律和动力学机制。在构造尺度上探讨高原隆升对西南季风变迁的影响，在轨道－亚轨道尺度上阐述西南季风演化同南北半球气候变化的联系，尤其关注南半球穿赤道气流、西南季风源区的海表和大气温度变化等因素对西南季风的可能影响。主要研究内容如下： (1) 高原隆升与西南季风演化 在云南鹤庆深钻已有研究的基础上，对比总结青藏高原东南缘已有盆地记录及相关成果，拟在鹤庆盆地、剑川盆地、瑞丽/陇川盆地和洱源盆地进行详细的地质地貌考察，选取合适的湖相沉积进行野外采样，结合不同盆地周边的地层、火山岩及地貌特征，建立区域构造－沉积旋回演化的年代框架，分析其记录的季风气候演化历史及其新构造演化特征及其与青藏高原的联系。

(2) 高分辨率气候快速变化事件及西南季风气候演化与南半球气候的联系 通过高分辨率的、多代用指标分析，揭示第四纪轨道时间尺度上西南季风气候的变率以及温度和降水反映的水热配置时空特征。利用生物指标（孢粉、摇蚊、硅藻等）-环境转换函数，定量恢复MIS3以来降水和温度所表征的西南季风演化过程和气候快速变化事件，探讨西南季风气候变动与太阳活动、ENSO、热带辐合带（ITCZ）移动以及印度洋等驱动要素之间的关系，揭示西南季风与南北半球气候变化的联系。 (3) 综合对比及动力学机制探讨 通过与海洋沉积、黄土、冰心、石笋及相邻青藏高原地区湖泊沉积所获得的环境记录进行对比，探讨构造尺度上西南季风演化与构造隆升、轨道参数的内在联系；冰期/间冰期尺度上西南地区水热配置及季风的季节性与太阳活动、南北半球气候等驱动要素之间的成因联系；揭示不同时间尺度西南季风演化的动力学机制及与南北半球气候变化的联系。 本课题由中国科学院地理与湖泊研究所和地球环境研究所共同承担，负责人为薛滨研究员，主要学术骨干有金章东研究员、刘健研究员、张恩楼副研究员、强小科副研究员，课题经费占项目总经费的14.75 %。 课题五：千年-百年尺度气候事件与海-陆-气的耦合过程 本项目旨在系统建立末次间冰期、尤其是末次冰消期以来短时间尺度(千-百年)气候事件的可靠代用指标变化序列，在各种记录交叉检验基础上、运用数理统计手段进行综合集成，建立不同环境单元内、有绝对年代控制的1-2条代表性综合集成指标序列(温度或降水)。通过与太阳活动、高纬冷空气活动、北大西洋涛动、低纬热带大洋和西太平洋副热带高压移动等资料的综合对比，分辨各种气候强迫因子的影响，结合其它典型气候突变事件(如Younger Dyras)的数值模拟研究，提供对短尺度气候事件驱动机制的新理解。同时，探讨最近3000年以来我国不同环境单元人类活动与自然过程的相互作用，为未来气候趋势预测研究提供历史相似型和科学依据。主要研究内容如下： (1) 建立我国不同环境单元千-百年尺度气候事件集成序列 选择西部环境敏感区(青海湖流域树轮、石笋及湖沼岩芯)、东亚季风区(黄土高原中部风尘序列、陕西大鱼洞石笋和东北泥炭及火山口湖泊沉积)、南方季风区(川西或贵州泥炭、云南大丽洞石笋、雷州半岛和海南岛的湖泊-沼泽沉积、海南岛皇帝洞石笋)等地质记录，在多种高精度定年手段(如：AMS 14C、ICP-MS 230Th法和光释光)控制和高分辨率环境代用指标(沉积学、矿物学、地球化学和生物学)分析前提下，获得上述研究地区典型剖面不同时间尺度和分辨率的可靠代用指标数据。在此基础上突破过去注重单点工作局限，在对各种记录交叉检验基础上将时间尺度和分辨率存在差异的环境指标综合集成，建立不同环境单元有绝对年代控制的高分辨率气候变化综合集成指标序列，研究不同地区末次间冰期、

特别是末次冰消期以来千-百年及更短尺度气候事件的时空分布特征和规律。 (2) 我国季风-干旱环境系统气候突变事件的动力学机制 将在不同环境单元集成的综合指标的时间序列与太阳活动、高纬和低纬地区的气候及火山活动变化的记录综合对比，结合对典型气候突变事件(如Younger Dyras)数值模拟研究，探讨太阳活动(如周期和变率)和地球气候系统内部复杂联系(如高纬冷空气活动、海面温度变化、赤道暖池和ENSO活动、ITCZ移动、火山活动等)及人类活动(如温室气体排放、土地利用引起的地表下垫面变化、火的使用)等因素对短尺度气候事件的可能影响，认识海、陆、气耦合过程对我国季风-干旱环境系统不同环境单元短尺度气候－环境事件的主控因子，为理解短尺度气候事件的动力学机制提供系统的资料。 (3) 最近3000年气候变化的自然背景以及人类活动影响下的变化趋势 通过对典型湖沼(如海南三角洲-泻湖海湾沼泽沉积)、泥炭(如川西或东北哈尼)记录进行元素地球化学、有机生标示踪、孢粉、碳屑、种子等生物指标分析等研究，结合考古资料、历史文献和器测资料，分离最近3000年来气候变化自然过程和人类活动的信号，评价人类活动与气候环境的相互影响及其程度。以上述环境单元中树轮、石笋、泥炭及湖泊和风成沉积记录为基础，分析最近3000年来我国不同环境子系统的气候变化周期和时空变率，获得气候事件的自然背景理解。对高分辨率记录在周期分解基础上进行序列延拓，尝试进行未来气候变化趋势预测研究，为评估在全球变暖背景下我国季风-干旱环境未来的可能变化趋势和制定社会可持续发展对策服务。 本课题由中国科学院地球环境研究所和中国科学院广州地球化学研究所共同承担，负责人为周卫健研究员，主要参加人员有朱照宇研究员、徐海副研究员、谭亮成博士、孙军艳助理研究员、鲜锋助理研究员、程鹏工程师，课题经费占项目总经费的16.25 %。 课题六：晚新生代以来我国季风-干旱环境耦合系统变迁的动力学 课题拟开展以我国季风-干旱环境演变与发展过程为纽带的高层次综合集成研究, 集成项目其它课题获取的不同地区多种分辨率资料和已有的相关研究成果，通过两个环境大断面实地考察检验的研究，将季风和干旱等各种环境单元不同时间尺度的多样性环境记录综合分析, 并与数值模拟检验相结合，查明不同时间尺度干旱-季风环境变化的控制因子及变化规律；揭示我国季风-干旱环境系统耦合演化的过程与动力学机理，发展海-陆-气相互作用下与全球变化密切联系的季风-干旱环境系统的动力学理论模型。主要研究内容如下： (1) 晚新生代季风-干旱环境时空格局变迁研究 在已有的风成沉积、湖泊沉积、树轮、石笋、珊瑚、冰芯等不同古气候记录多指标分析、相互验证和综合对比的基础上，选择有代表性的地点开展以降水梯度为指标的东南-西北向季风-干旱环境大断面和环境敏感带大断面的野外

地质调查，验证上述课题的天然剖面和钻孔岩芯的成果，确认和扩展对干旱-季风环境演化时空序列的认识。 (2) 不同时间尺度季风-干旱环境耦合过程及其主控因子 综合各子系统不同时间尺度演化序列的研究并进行数理统计分析(如多元主成份和模糊聚类分析)，揭示季风－干旱环境分异耦合的过程和阶段性特征，并分别与太阳辐射、大气CO2浓度、全球冰量、大洋环流、热带海温、大气环流的相互作用等全球气候记录因子以及历史文献和观测资料对比，获得不同时间尺度季风－干旱环境变化的主控因子。 (3) 季风-干旱环境系统变迁机制的数值模拟 利用大气环流模式开展特征地质时期(如渐新世末－中新世初、上新世温暖期等)控制我国季风-干旱环境系统演化的古气候模拟及各种数值试验研究，以深入认识我国季风-干旱环境系统的主要强迫因子和分异耦合变化过程，尝试从高原隆升引起的大气环流格局变化(如季风和干旱气候变化)的数值模拟试验反推青藏高原生长事件。同时，开展典型的气候突变事件(如Younger Dyras和Heinrich)以及与干旱相联系的粉尘传输和与季风相联系的甲烷释放等重要过程对我国气候影响的数值模拟。 (4) 季风-干旱环境耦合系统的综合动力学机制 通过对干旱区与季风区钻孔和天然剖面等多种古环境资料系统分析，收集青藏高原、亚洲和全球古气候和构造事件的资料，结合全球环境演化历史、控制因子及相关数值模拟研究的成果，探讨不同时间尺度季风-干旱环境变化的主控因子以及季风-干旱耦合系统在不同时间尺度上对全球变化的响应与影响，揭示季风-干旱环境系统变化与青藏高原生长及全球环境变化的动力联系，最终建立季风-干旱环境耦合系统的综合动力学模型。 本课题由中国科学院地球环境研究所和地质与地球物理研究所共同承担，负责人为刘晓东研究员，主要学术骨干有安芷生院士、孙继敏研究员、罗京佳研究员(客座)、柳中晖研究员(客座)、宋友桂副研究员、李新周工程师，课题经费占项目总经费的27.50 %。

四、年度计划

年度 第 一 年 1、收集区域地质和气象资料，整理前人研究资料，开展环境大断面和重点研究区的野外考察； 2、完成部分野外剖面/湖泊岩心的样品采集和岩性描述；开展典型区域树轮、石笋、湖沼和泥炭样品的采集； 3、开展湖泊水文过程和气候要素关系的现代观测； 4、设计和调试气候数值模拟模式。 研究内容 预期目标 1、确定重点研究剖面和湖泊钻探位置，获得典型区域不同类型的高质量样品； 2、查明现代过程中不同区域气候因子如温度和降水的季节性变化与季风和西风环流的关系； 3、发表学术论文5-8篇。 第 二 年 1开展野外天然剖面和石笋、湖泊等记录的年代学研究； 2、开展不同类型样品环境代用指标的测试分析，如沉积学、磁学、地球化学、矿物学等。 3、初步分析干旱区与季风区环境时频变化的异同，开展海洋-大气耦合模式的研究。 1、建立不同地区类型沉积序列的磁性地层年代框架，获得湖泊、石笋、树轮等记录的高分辨年代标尺； 2、获得典型剖面敏感环境代用指标变化的时间序列； 3、建立代用指标与气候要素变化的转换函数； 4、初步提出我国季风-干旱环境变迁模型的多种方案； 5、整理阶段性成果，发表学术论文10-12篇。 第 三 年 1、开展东北—西南环境敏感带野外考察，补充关键地区的剖面以及湖沼、石笋和树轮等样品的采集工作，继续湖泊现代水文过程的观测； 2、完善年代学的测试工作，深入开展环境代用指标的分析，如壳体碳－氧－锶同位素、黄土中的Be10等； 3、提取对季风和干旱环境变化响应敏感的指标，分析不同区域气候变化的长期趋势、气候突变事件发生的时间和特点及其时空特征； 4、利用海洋-大气耦合模式进行亚洲季风-干旱环境系统对重大地质-环境事件响应的数值模拟试验。 1、重建晚新生代以来不同时间尺度季风-干旱环境演化的代表性序列，为综合集成研究不同尺度季风－干旱环境变化研究资料。 2、查明特征时期季风－干旱环境演化的空间格局。 3、依据地质记录研究结果设定特征时期和特征事件发生的边界条件，运用数值模拟检验地球气候系统内外部因子对季风－干旱环境系统演变的驱动机制。 4、发表阶段性学术论文12-15篇

年度 研究内容 1、对西北干旱区进行系统地层调查，依据钻孔和露头资料绘制古环境图； 2、结合历史记录和器测资料，进行气候、环境参数定量化分析，绘制代用指标变化曲线； 3、对比不同区域古气候演化的长尺度记录，分析其演变趋势、周期和幅度的异同； 4、加强重点区域短尺度气候事件的集成研究，分析短尺度气候事件的时空特征；对3000年以来人类活动信号和自然背景值进行解译分离； 5、进行亚洲沙尘气溶胶气候环境效应的数值试验，研究亚洲季风-干旱环境系统的全球贡献。 预期目标 1、绘制塔里木盆地古环境图，查明塔里木海湾消亡的地质历史与塔克拉玛干沙漠的形成与演化过程； 2、揭示不同时间尺度气候、环境变化的阶段性、周期性和不稳定性，以及极端气候、环境事件的强度、变率和变幅。 3、区分高原生长和全球变化对特征时期的气候转型的可能关联。 4、阐述不同时间尺度西南季风区水热配置的特点及其与南北半球气候及青藏高原东部生长的内在联系； 5、查明干旱区和季风区本身环境变化之间的相互作用、分异耦合过程和阶段性特征，初步了解亚洲季风-干旱环境系统对全球环境变化的可能影响， 6、完成相关研究论文18-20篇。 第 四 年 第 五 年 1、对比分析季风—干旱过渡区和高、低纬的古环境记录，分析它们在强度、周期、相位、变率、变幅方面的相似和差异； 2、运用已建立的不同环境单元的代表性综合集成指标序列，结合古气候数值模拟研究，从海-陆-气耦合角度对短尺度(千-百年)气候事件的驱动机制提供新的理解和认识； 3、综合其他课题研究成果，验证和改善模型，进行综合集成，初步提出我国季风气候-干旱气候分异耦合演化的动力学模型； 1、恢复晚新生代中国内陆干旱化的地质历史，查明过渡区极端气候事件与高低纬相互作用关联的动力机制； 2、探讨高纬冰量和低纬太阳辐射及南半球气候对轨道尺度上东亚季风和西南季风的不同影响； 3、对短尺度(千-百年)气候事件发生机制提供新的认知，对季风-干旱环境未来气候变化趋势的预测研究提供预警信号服务； 4、揭示季风-干旱环境系统变化与青藏高原生长及全球环境变化的动力联系，建立季风-干旱环境耦合系统的综合动力学模型。 5、完成总结性研究论文18-20篇。