殷自強(qiáng)， 劉冬雁,2??， 龐重光， 玄春艷， 康雪寧

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島266100； 4.中國(guó)海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東 青島266100)

全新世氣候變化與太陽(yáng)活動(dòng)百千年尺度周期分析?

殷自強(qiáng)1， 劉冬雁1,2??， 龐重光3， 玄春艷4， 康雪寧1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院, 山東 青島266100； 2.中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島266100； 4.中國(guó)海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,山東 青島266100)

采用改進(jìn)的EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)方法對(duì)前人重建的全新世石筍、冰芯氧同位素古氣候記錄和樹(shù)輪14C含量變化太陽(yáng)活動(dòng)替代指標(biāo)時(shí)間序列進(jìn)行分析，提取到88～110、206～220、～350、～520、～1 000、～2 200和～4 300 a等二者基本一致的準(zhǔn)周期信號(hào)，探討了太陽(yáng)活動(dòng)在百千年尺度上對(duì)氣候變化的可能影響。

全新世；古氣候；太陽(yáng)活動(dòng)；EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)；周期

太陽(yáng)活動(dòng)是地球空間環(huán)境的一個(gè)重要控制因素，也是擾動(dòng)地球環(huán)境的一個(gè)動(dòng)力源，對(duì)地球系統(tǒng)的氣候過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重要影響[1]。許多研究表明，太陽(yáng)活動(dòng)與氣溫和各種極端氣候條件下的旱澇等自然災(zāi)害及地球物理現(xiàn)象存在密切聯(lián)系，進(jìn)而影響人類的生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟(jì)等活動(dòng)。關(guān)于氣候變化和太陽(yáng)活動(dòng)規(guī)律及其周期特征的研究一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[2-4]。

太陽(yáng)活動(dòng)周期是多尺度的，如～11 a的Schwabe周期[5]、～22 a的Hale周期[6]、～87 a的Gleissberg周期[7]、～210 a的Suess周期[8]、～1 000 a的Eddy周期[9]和～2 200 a的Hallstatt周期[10]等。許多學(xué)者在陸地及海洋多種材料中找尋到古氣候信息高分辨率記錄，并用多種方法[11-16]從多時(shí)間尺度[17-19]研究了太陽(yáng)活動(dòng)和氣候變化的周期性特征，但結(jié)果不盡一致。

本文采用改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(Empirical Mode Decomposition,EMD)[20]，對(duì)前人重建的全新世氣候變化石筍δ18O記錄[21]、冰芯δ18O記錄[22]和指示太陽(yáng)活動(dòng)變化的樹(shù)輪14C產(chǎn)率記錄[23]進(jìn)行分析，進(jìn)一步分析百千年尺度上全新世太陽(yáng)活動(dòng)和氣候變化的周期性特征以及太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候變化的可能影響。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

1.1.1 指示太陽(yáng)活動(dòng)變化的樹(shù)輪14C產(chǎn)率記錄14C是一種放射性的同位素，是由外來(lái)宇宙射線撞擊大氣中14N所產(chǎn)生的[24]。當(dāng)太陽(yáng)輻射射線進(jìn)入地球大氣系統(tǒng)時(shí)會(huì)對(duì)14C含量產(chǎn)生影響。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，太陽(yáng)發(fā)射的帶電粒子流增強(qiáng)，帶電粒子流對(duì)宇宙射線的屏障作用會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致到達(dá)地球的宇宙射線減少，使得大氣中放射性物質(zhì)14C含量減少[16]。反之，當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)減弱時(shí)，14C大氣中含量會(huì)增加。14C數(shù)據(jù)的變化具有指示太陽(yáng)活動(dòng)的重要意義(見(jiàn)圖1)，而14C含量變化信息能被樹(shù)干很好地保留，所以通過(guò)測(cè)算樹(shù)木年輪中14C含量變化數(shù)據(jù)可以得到反映太陽(yáng)活動(dòng)的信息。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，由于14C產(chǎn)率(P14C)數(shù)據(jù)在測(cè)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此數(shù)據(jù)本身會(huì)包含一定噪聲。本文采用Steinhilber等測(cè)算的過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪14C產(chǎn)率信息指示全新世太陽(yáng)活動(dòng)變化過(guò)程，該數(shù)據(jù)資料近萬(wàn)年的時(shí)間跨度和22年的時(shí)間間隔可用以分析百千年尺度的波動(dòng)周期。

1.1.2 指示古氣候變化的石筍、冰芯δ18O記錄 石筍、冰芯的穩(wěn)定同位素記錄對(duì)于指示第四紀(jì)古氣候變化具有重要意義，其中δ18O變化對(duì)氣溫變化的敏感性和時(shí)間測(cè)定的準(zhǔn)確性較高。洞穴石筍δ18O數(shù)據(jù)記錄了地域古氣候信息(溫度、降水)，與大范圍內(nèi)的氣候變化具有同步性。在季風(fēng)強(qiáng)烈區(qū)，石筍δ18O數(shù)據(jù)又可作為指示古季風(fēng)變化的重要指標(biāo)[25]，δ18O偏負(fù)意味著季風(fēng)降水增強(qiáng)，δ18O偏正意味季風(fēng)降水強(qiáng)度減弱[26]，水汽來(lái)源較為單一區(qū)域的石筍δ18O數(shù)據(jù)變化能更好地反映太陽(yáng)輻射變化或者季風(fēng)強(qiáng)度變化[27]。冰芯δ18O數(shù)據(jù)也可作為研究氣候波動(dòng)指標(biāo)(溫度，降水)的指標(biāo)，當(dāng)?shù)乇頊囟雀邥r(shí)，降水中δ18O較高，溫度降低時(shí)，降水中δ18O較低。本文主要截取了全新世以來(lái)的中國(guó)湖北省三寶洞(31°40′N,110°26′E)石筍δ18O數(shù)據(jù)重建的東亞季風(fēng)變化序列460～11 470a B.P.段[21]和格陵蘭冰芯δ18O氣候數(shù)據(jù)序列-39～11 502 a B.P.段[22]。對(duì)兩組數(shù)據(jù)序列進(jìn)行等步長(zhǎng)三次樣條函數(shù)插值處理后，經(jīng)EMD多尺度分析，獲取古氣候變化波動(dòng)過(guò)程及其周期特征信息。

圖1 過(guò)去9 400年以來(lái)太陽(yáng)黑子(SN)序列 與14C產(chǎn)率(P14C)序列Fig.1 Variations of sunpot numbers and the production of14C level during the past 9400 years

1.2 方法

分析方法的選擇對(duì)周期性信號(hào)分析至關(guān)重要，本文所采用的EMD方法是于1998年由NordnetE.huang[20]等人首先提出并不斷得到改進(jìn)的，其主要原理是基于時(shí)間序列中的特征尺度，并以緩變波包形式對(duì)信號(hào)逐級(jí)分解，得到不同時(shí)間尺度的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，IMF的數(shù)量以及每個(gè)模態(tài)的頻率和幅度都是由時(shí)間尺度所決定，每一個(gè)IMF都可看作是信號(hào)中一個(gè)固有的振蕩模態(tài)，模態(tài)信號(hào)不同幅度峰值隨時(shí)間變化使其具有了時(shí)頻局域性質(zhì)。以IMF為基礎(chǔ)進(jìn)行Hilbert-Huang變換得到Hilbert譜能夠反映信號(hào)在各種時(shí)間尺度的分布規(guī)律，Hilbert-Huang變換同時(shí)具有良好的時(shí)頻分辨率和自適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn),在分析線性平穩(wěn)信號(hào)和非線性非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)，可以有效避免高頻干擾結(jié)果，這是信號(hào)分析的一個(gè)重大突破，其分解過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20]。但是，在運(yùn)用EMD方法對(duì)非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行分解時(shí)，如果不對(duì)邊界進(jìn)行有效抑制，會(huì)產(chǎn)生邊界效應(yīng)進(jìn)而影響資料的完整性。玄春艷等在完全消除邊界效應(yīng)的四中點(diǎn)分解法的基礎(chǔ)上對(duì)EMD進(jìn)行了有效改進(jìn)，本文采用了此種改進(jìn)方法，其詳細(xì)改進(jìn)過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[28]。

到目前為止，功率譜分析方法是較成熟且應(yīng)用廣泛的譜分析方法,一般是將時(shí)域中的取樣信號(hào)變成頻域中取樣信號(hào)進(jìn)行表達(dá)，數(shù)字化時(shí)域中的真實(shí)信號(hào)，然后完成離散型傅里葉變化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在頻域中的各種特征的提取、估算，REDFIT38譜分析是常用的功率譜分析方法之一。

本文主要采用EMD方法對(duì)所選取的數(shù)據(jù)時(shí)間序列進(jìn)行逐級(jí)分解，同時(shí)對(duì)不同尺度本征模態(tài)分量進(jìn)行頻譜分析和方差貢獻(xiàn)率計(jì)算，捕捉各模態(tài)周期，將所得的模態(tài)周期與各全局記錄時(shí)序REDFIT功率譜分析結(jié)果相對(duì)比、印證。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1 太陽(yáng)活動(dòng)替代指標(biāo)(過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪P14C記錄)處理結(jié)果

對(duì)Steinhilber等人測(cè)算得到的過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪中14C產(chǎn)率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下:經(jīng)EMD分解得到7個(gè)模態(tài)分量IMF1～I(xiàn)MF7和一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)R(見(jiàn)圖2)；模態(tài)分量主周期頻譜分析結(jié)果如圖3所示；各模態(tài)分量平均周期貢獻(xiàn)率及排序如表1所示。

由圖2可以看出每個(gè)模態(tài)的Hilbert譜呈現(xiàn)圍繞零均值線有規(guī)律的波動(dòng)形式;每個(gè)IMF分量的均值都為零，不隨時(shí)間變化，均為平穩(wěn)信號(hào)。

在所得到的IMF模態(tài)時(shí)域上，IMF1～I(xiàn)MF3分量具有較高的頻率(見(jiàn)圖2)。在IMF4模態(tài)中，Hilbert譜峰值在1 500～5 500 aBP間呈現(xiàn)較為明顯的～500年周期波動(dòng)規(guī)律。在IMF5模態(tài)中，Hilbert譜變化周期主要為～750和～1 000 a。在IMF6模態(tài)中，～3 200、～5 400和～7 500 aBP處Hilbert譜均達(dá)到峰值，呈現(xiàn)較明顯的～2 200 a的周期波動(dòng)。IMF7模態(tài)中，～2 400和～6 700 aBP處在Hilbert譜峰位置，～4 300 a的準(zhǔn)周期信號(hào)呈現(xiàn)很好地規(guī)律性，極可能是一個(gè)～4 300 a的周期波動(dòng)。由于受模態(tài)混疊和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制，篩選過(guò)程即將結(jié)束，IMF8模態(tài)中的更長(zhǎng)準(zhǔn)周期信號(hào)分量沒(méi)有清晰顯現(xiàn)。

在IMF模態(tài)頻域上，由圖3可知，IMF系列模態(tài)的主要周期為88、130、148(150)、206、240(220)、350、518(500)、750、1 003、2 150和4 300 a，以上各周期可信度均在95%以上。同時(shí)，從表1所表征的不同尺度波動(dòng)的平均周期及其方差貢獻(xiàn)率可以看出，太陽(yáng)活動(dòng)以～80年、～110和～210 a的準(zhǔn)周期波動(dòng)最為顯著(權(quán)重分別為20.5%、19.6%、18.6%)，其次以～900、4 000和～1 800 a的周期波動(dòng)為主(權(quán)重分別為13.1%、10.1%、9.8%)。

圖2 P14C數(shù)據(jù)經(jīng)EMD分解后的IMF分量及趨勢(shì)項(xiàng)R[23]Fig.2 The modes and trend form susceptibility of P14C data using EMD method

(橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示振幅。The horizontal axis represents frequency,The vertical axis represents spectral amplitude.)圖3 P14C數(shù)據(jù)EMD各模態(tài)分量的模態(tài)周期[23]Fig.3 The cycles of each EMD mode form susceptibility of P14C data表1 P14C時(shí)序IMF模態(tài)分量方差貢獻(xiàn)率及其排序[23]Table 1 The cycles strength and contributions of each IMF of P14C data

分量①I(mǎi)MF1IMF2IMF3IMF4IMF5IMF6IMF7周期②/年8011021052290018004000方差貢獻(xiàn)率③/% 20．519．618．68．213．19．810．1排序④1237465

Note：①Component；②Cyclecal；③Variance contribution；④Squence

采用REDFIT38對(duì)過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪P14C產(chǎn)率數(shù)據(jù)序列作全局周期分析，結(jié)果示于圖4，其中橫軸表示頻率，縱軸表示頻譜振幅，根據(jù)頻率F與周期T的倒數(shù)關(guān)系，進(jìn)一步得出各譜峰值點(diǎn)的周期數(shù)值。由圖可知，可信度超過(guò)95%的周期有88、130、150和206 a；可信度超過(guò)85%的周期有104、230、350和4 300 a；但圖3中捕捉到的約518(500)、1 003和2 150 a，對(duì)應(yīng)在圖4中的510、940 a和2 150 a的譜峰值沒(méi)有超過(guò)85%信度線。

圖4 P14C 9 400 a時(shí)序 數(shù)據(jù)功率譜分析結(jié)果[23]Fig.4 Spectral analysis of the production of 14C data during the past 9 400 years

2.2 氣候替代指標(biāo)處理結(jié)果

全新世三寶洞石筍δ18O數(shù)據(jù)[21]和格陵蘭冰芯δ18O數(shù)據(jù)序列[22]EMD多尺度分析結(jié)果及其各模態(tài)主周期分析示于圖5、圖6、圖7、圖8，各模態(tài)平均周期方差

貢獻(xiàn)率及排序見(jiàn)表2、3。由圖5、圖6和表2分析結(jié)果可知，石筍δ18O數(shù)據(jù)序列分解各模態(tài)分量主要周期有：97～120、135～145、195～245、～350、～550、～925、2 000～2 200、～4 400和～5 800 a。各模態(tài)分量IMF2～I(xiàn)MF7可捕獲百年-千年尺度上的平均周期分別為：～112、～240、～522、～920、～2000年和～4400年(權(quán)重分別為5.0%、4.3%、3.3%、4.8%、12%、18.5%)，由圖7、8和表3分析結(jié)果可知，冰芯δ18O數(shù)據(jù)序列模態(tài)分量主要周期有：42、55、67、90～115、130～145、220～260、～350、～550、～750、～1 150、～4 000和～6 150 a。各模態(tài)分量IMF2～I(xiàn)MF8可捕獲百年-千年尺度上的平均周期分別為：～100、～210、～300、～510、～923、～1 600和～4 000 a(權(quán)重分別為2%、6%、15%)，其中約4 000 a的準(zhǔn)周期波動(dòng)在兩組數(shù)據(jù)中均較為顯著(方差貢獻(xiàn)率排序均第二)，圖5中IMF8模態(tài)和圖7中IMF9模態(tài)均顯示可能存在～6 000年的平均周期。

圖5 三寶洞δ18O數(shù)據(jù)經(jīng)EMD分解后的IMF分量及趨勢(shì)項(xiàng)R[21]Fig.5 The modes and trend form susceptibility of Sanbaoδ18O data using EMD method

(橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示振幅。The horizontal axis represents frequency, The vertical axis represents spectral amplitude.)圖6 三寶洞δ18O數(shù)據(jù)各模態(tài)分量的模態(tài)周期[21]Fig.6 The cycles of each EMD mode form susceptibility of Sanbaoδ18O data

圖7 格陵蘭δ18O數(shù)據(jù)經(jīng)EMD分解后的IMF分量及趨勢(shì)項(xiàng)R[22]Fig.7 The modes and trend form susceptibility of Greenlandδ18O data using EMD method

(橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示振幅。The horizontal axis represents frequency, The vertical axis represents spectral amplitude.)圖8 格陵蘭δ18O數(shù)據(jù)各模態(tài)分量的模態(tài)周期[22]Fig.8 The cycles of each EMD mode form susceptibility of Greenlandδ18O data

由表2、3分析結(jié)果看，千年尺度平均周期的貢獻(xiàn)率總體上大于百年尺度貢獻(xiàn)率，本文所選取的兩組氣候替代指標(biāo)的模態(tài)貢獻(xiàn)率差異反映出在全新世氣候演化中千年尺度的氣候波動(dòng)更為顯著。

表2 三寶洞δ18O時(shí)序各IMF分量方差貢獻(xiàn)率及其排序[21]

Note：①Component；②Cyclecal；③Variance contribution；④Squence

表3 格陵蘭δ18O時(shí)序各IMF分量方差貢獻(xiàn)率及其排序[22]

Note:①Component；②Cyclecal；③Variance contribution；④Squence

3 討論

EMD方法不同于傳統(tǒng)研究太陽(yáng)活動(dòng)的研究方法，它適用于非線性非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的離散信號(hào)分析[20]，可提取真實(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)，使每個(gè)IMF模態(tài)分量在前人研究結(jié)果基礎(chǔ)之上可被賦予物理意義。本文利用EMD方法并結(jié)合REDFIT38方法對(duì)全新世太陽(yáng)活動(dòng)替代指標(biāo)數(shù)據(jù)和氣候替代指標(biāo)進(jìn)行多尺度分析，能夠?qū)14C變化所反映太陽(yáng)活動(dòng)的準(zhǔn)周期信號(hào)和δ18O數(shù)據(jù)變化所反映的氣候波動(dòng)周期、在較大時(shí)間尺度上進(jìn)行篩選并逐級(jí)分離出來(lái)。

3.1 百年-千年尺度太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)周期

由2.1過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪P14C指標(biāo)信號(hào)進(jìn)行EMD多尺度分解，并對(duì)各模態(tài)分量進(jìn)行模態(tài)主周期頻譜分析和模態(tài)平均周期分析，得到幾個(gè)較為顯著的百年-千年尺度準(zhǔn)周期分別為88、130、148(150)、206、240(220)、350、518(500)、750、1 003、2 150和4 300 a。

以上結(jié)果與過(guò)去9 400 a樹(shù)木年輪P14C產(chǎn)率數(shù)據(jù)序列的全局功率譜分析結(jié)果(見(jiàn)圖4)對(duì)比可知，88、130、150和206 a周期(圖4中可信度超過(guò)95%的周期)是完全一致的；可信度超過(guò)85%的周期有104、230、350和4 300 a，其中圖4的230大致與圖2、圖3中IMF2(220 a)和IMF3(240 a)包含的周期相一致，350、4 300 a在兩圖中結(jié)果完全一致。圖2、圖3檢出的518(500)、750、1 003、2 150 a周期在圖4全局功率譜分析中表現(xiàn)為510、940和2 150 a譜峰，但譜峰值沒(méi)有超過(guò)85%信度線，而圖2、圖3中檢出的750 a周期在圖4中沒(méi)有任何表現(xiàn)。由此可見(jiàn)，EMD多尺度分解后再對(duì)各IMF進(jìn)行譜分析比直接對(duì)全局時(shí)序進(jìn)行譜分析所捕捉的周期要更全面。從IMF1和IMF2所捕獲88、104、130和148(150)a等周期，與表征太陽(yáng)活動(dòng)的世紀(jì)周期(88～110 a)相近，符合Gleissberg周期的時(shí)間尺度，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為此周期是由木星圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，誘發(fā)太陽(yáng)黑子而產(chǎn)生[7]。從IMF2和IMF3捕捉到的206、220 a周期又能與國(guó)際上公認(rèn)的Suess周期[8]對(duì)應(yīng)起來(lái)。從IMF3和IMF4捕捉到的240、350、518(500)和750 a周期，在前人研究中也有相關(guān)的體現(xiàn)，例如，有學(xué)者用Lomb-Scargle等譜分析方法對(duì)太陽(yáng)黑子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)在百年尺度上存在～229、～350、～440和500～551 a的活動(dòng)周期[29]。IMF 5、IMF6、IMF7中捕捉到的1 003、2 150和4 300 a準(zhǔn)周期，同時(shí)也多數(shù)符合Eddy周期[9]和Hallatatt周期[10]所包含的太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)周期。與前人從長(zhǎng)時(shí)序的14C和10Be數(shù)據(jù)中捕獲太陽(yáng)活動(dòng)的百年-千年尺度主要準(zhǔn)周期960～1 000[9]、2 100～2 400[30]和4 300～4 700 a[31]結(jié)果基本一致。

3.2 百年-千年尺度的氣候變化周期

由2.2高分辨率的氣候替代指標(biāo)(石筍、冰芯)數(shù)據(jù)序列經(jīng)EMD方法所捕捉到的百年-千年尺度的氣候波動(dòng)周期主要有97～120、130～145、～350、520～550、～750、～920、～1 150、1 950～2 200、4 000～4 400和5 000～6 000 a，此系列氣候周期均能在不同地域不同氣候替代指標(biāo)中得到驗(yàn)證。例如，在我國(guó)東北部金川泥炭氣候記錄中同樣存在～80、～90、～107、～110、～123、～134、～141、～162和249 a等一系列百年尺度的氣候波動(dòng)周期[32]，前人對(duì)晚更新世以來(lái)維也納盆地沉積物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)有80、120、208、500、1 000、1 500和2 300 a的氣候周期[33]，2 300年的氣候周期同樣在格陵蘭(GISP2)的鉀元素和馬拉維湖硅藻數(shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)[34]，東亞沖繩海槽沉積物記錄中亦有2 500 a的古氣候周期[35]，2 400和4 400 a古氣候周期曾在南極東方站獲取的古氣溫?cái)?shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)[33]。Burhring[4]等對(duì)亞洲古氣候研究發(fā)現(xiàn)其存在約80～102、210～250、510～560、900 a和不明顯的4 000 a周期。Sarkar[36]更是發(fā)現(xiàn)了亞洲季風(fēng)約700 a長(zhǎng)度的氣候周期。汪品先等對(duì)古氣候的研究也發(fā)現(xiàn)東亞古氣候在百年-千年尺度上存在80～105、～145、～200、～550 a和890～950 a等準(zhǔn)周期尺度波動(dòng)[17]。這些氣候研究結(jié)果和本文所捕捉到的百年-千年尺度的氣候波動(dòng)周期幾乎一致。

3.3 百年-千年尺度上太陽(yáng)活動(dòng)與氣候變化的可能聯(lián)系

許多研究表明全新世太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候變化起著重要的驅(qū)動(dòng)作用[4]，并可能存在太陽(yáng)總輻射機(jī)制、太陽(yáng)短波輻射變化機(jī)制和能量粒子等影響機(jī)制[37]。來(lái)自陸地及海洋的沉積物所反映較為明顯的十年-百年尺度的全球氣候周期變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，Agnihotri[38]等人更是認(rèn)為在十年-百年尺度上古氣候變化波動(dòng)直接受太陽(yáng)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)影響。各種太陽(yáng)活動(dòng)指標(biāo)和氣候記錄也顯示全球范圍內(nèi)全新世千年尺度的氣候波動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)存在一定的聯(lián)系，并可能受到太陽(yáng)活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)[2,39]。

在百年尺度上由3.2分析得到97～120、130～145、～350、520～550和～750 a的氣候周期與前文得到的88～110、206～220、～350和～520 a太陽(yáng)活動(dòng)周期基本一致，同時(shí)，在千年尺度上～920、～1 150、1 950～2 200 a和4 000～4 400 a的氣候周期也與前文得到的～1 000、～2 200和～4 300 a太陽(yáng)活動(dòng)周期相近，這些尺度不一的氣候周期可認(rèn)為是對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)周期，進(jìn)一步論證了太陽(yáng)活動(dòng)在百-千年尺度上對(duì)全新世氣候起著重要作用。一些學(xué)者認(rèn)為～1 600 a氣候振蕩周期可能受太陽(yáng)活動(dòng)影響[40]，但本文中并沒(méi)有明顯發(fā)現(xiàn)這一太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)周期，此周期可能為太陽(yáng)活動(dòng)千年周期和雙千年周期的平均周期。～750和5 000～6 000 a尺度的準(zhǔn)氣候周期,是否真實(shí)反映了古氣候特征以及同太陽(yáng)活動(dòng)是否存在聯(lián)系需要進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)論

(1)從全新世太陽(yáng)活動(dòng)替代指標(biāo)時(shí)序分析中所捕捉的主要百年尺度周期有：88～110、206～220、～350和～520 a；主要千年尺度周期有～1 000、～2 200和～4 300 a。這一系列的百年-千年尺度周期反映了過(guò)去近萬(wàn)年間的太陽(yáng)活動(dòng)較長(zhǎng)尺度的變化特征與規(guī)律。這可為研究氣候演化、環(huán)境變遷以及太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)提供一定的數(shù)據(jù)參考。

(2)全新世氣候變化和太陽(yáng)活動(dòng)在百年尺度以及千年尺度上波動(dòng)周期具有一致性，說(shuō)明氣候波動(dòng)可能受到太陽(yáng)活動(dòng)變化的驅(qū)動(dòng)，全新世氣候波動(dòng)周期可能為太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)周期，其中千年尺度的氣候波動(dòng)更為顯著。

(3)EMD(經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解)方法用來(lái)研究太陽(yáng)活動(dòng)甚長(zhǎng)離散信號(hào)的模態(tài)周期,可得到太陽(yáng)活動(dòng)周期的固有尺度，更準(zhǔn)確的反映古氣候變化的規(guī)律,本文所選取的兩組離散數(shù)據(jù)序列分析結(jié)果表明整個(gè)全新世太陽(yáng)活動(dòng)具多尺度周期的特征。

[1] 占臘生, 何娟美, 葉藝林， 等. 太陽(yáng)活動(dòng)周期的小波分析[J]. 天文學(xué)報(bào), 2006, 47(2): 166-174. La Zhansheng, He Juanmei, Ye Yimei, et al. Periodicity analysis of solar activity by wavelet analyzing method[J]. Acta Astronomica Sinica, 2006, 47(2): 166-174.

[2] Bond G, Showers W, Cheseby M, et al. A pervasive millennial-scale cycle in North Atlantic Holocene and Glacial climates[J]. Science, 1997, 278: 1257-1266.

[3] Buehring C. East Asian monsoon variability on orbital-and millennial-to-subdecadal time scales[D]. Kiel: Thesis of University of Kiel, 2001

[4] 王紹武. 太陽(yáng)常數(shù)[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2009 (1): 61- 62. Wang Shaowu . SolarConstant [J]. Advances in Climate Change Research , 2009 (1): 61- 62.

[5] Li K J, Shi X J, Xie J L, et al. Solar-cycle-related variation of solar differential rotation[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2013, 433(1): 521-527.

[6] Stenflo J O. History of solar magnetic fields since george ellery hale[J] . Space Science Reviews, 2015: 1-31.

[7] Gleissberg W. A table of secular variations of the solar cycle[J]. Journal of Geophysical Research, 1944, 49: 243-244.

[8] Suess H E. The radiocarbon record in tree rings of the last 8000 years[J]. Radiocarbon, 1980, 22: 200-209.

[9] McCracken K G, Beer J, Steinhilber F. Evidence for planetary forcing of the cosmic ray intensity and solar activity throughout the past 9400 years[J]. Solar Physics, 2014, 289: 3207-3229.

[10] Damon P E, Sonett C P. Solar and Terrestrial Componants of the Atmospheric14C Variation Spectrum[M]. The Sun in Time, eds CP Sonett, MS Giampapa, and S Matthews (Tucson： University of Arizona Press), 1991, 360-388.

[11] Komm R W. Multi-taper spectral analysis and wavelet analysis of daily and monthly sunspot number[J]. Synoptic Solar Phys， 1988, 140: 323-329.

[12] Prabakaran Nayar S R, Radhika V N, Revathy K, et al. Wavelet analysis of solar, solar wind and geomagnetic parameters[J]. Solar Phys, 2002, 208(2): 359-373.

[13] Usoskin I G, Solanki S K, Korte M. Solar activity reconstructed over the last 7 000 years: The influence of geomagnetic field changes[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(8): L08103(1-4).

[14] 李強(qiáng), 吳建, 許正文，等. 利用EMD方法提取太陽(yáng)活動(dòng)周期成分[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(1): 1-6. Li Qiang, Wu Jian, Xu Zhengwen, et al. Extracting of periodic components in the solar activity using EMD method[J]. Chinese Journal of Space Science, 2007, 27(1): 1-6.

[15] 尹志強(qiáng), 馬利華, 韓延本，等. 太陽(yáng)活動(dòng)的甚長(zhǎng)周期性變化[J]. 科學(xué)通報(bào), 2007, 52(16): 1859-1863. Yin Zhiqiang , Ma Lihua , Han Yanben, et al. Long-term variations of solar activity[J]. Chinese Science Bulletin, 2007, 52(16): 1859-1863.

[16] 尹志強(qiáng), 韓延本, 王博. 全新世氣候?qū)η瓿叨忍?yáng)活動(dòng)的可能響應(yīng)[J]. 氣象科技進(jìn)展, 2014, 4(4) : 9-12. Yin Zhiqiang, Han Yanben, Wang bo. Possible response of climate to solar activity on millennial scale during the holocene[J]. Advances in Meteorological Science and Technology, 2014, 4(4): 9-12.

[17] Wang Pinxian, Steven Chemens, Luc Beaufort, et al. Evolution and variability of the Asian monsoon system: state of the art and outstanding issues[J]. Quaternary Science Review, 2005, 24: 595-629.

[18] 張真真, 林振山, 杜建麗，等. 樹(shù)輪資料( 1511～ 1954)太陽(yáng)活動(dòng)的多尺度分析-EMD方法的應(yīng)用[J]. 地理科學(xué), 2009, 29(5): 709-713. Zhang Zhenzhen, Lin Zhenshan, Du Jianli, et al. Analysis on multiscale cycles of solar activity with the data of tree-ring(1511-1954): application of EMD[J]. Scientia Geographica Sinica, 2009, 29(5): 709-713.

[19] 蘇志華, 楊小強(qiáng), 王建華，等. 基于中國(guó)南方石筍記錄的古氣候周期探討[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 51(3): 114-120. Su Zhihua, Yang Xiaoqiang, Wang Jianhua, et al. Periodical climate deduced from stalagmite oxygen isotope in Southern China[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni, 2012, 51(3): 114-120.

[20] Huang N E, et al. The empirical mode decomposition and Hibert spectrum for nonlinear and non-ststionary time series analysis[J]. Proceedings of the Royal Society of London A , 1998, 454: 903-995.

[21] Wang Y J, Cheng H, Edwards R L, et al. Millennial-and orbital-scale changes in the East Asian monsoon over the past 224, 000 years[J]. Nature, 2008, 451: 1090-1093.

[22] Johnsen S J, Clausen H B, Dansgaard W, et al. The δ18O record along the Greenland ice core project deep ice core and the problem of possible Eemian climat instability[J]. Geophysical Research, Oceans, 1997, 102(C12): 26397-26410.

[23] Steinhilber F, Abreu J A, Beer J, et al. 9400 years of cosmic radiation and solar activity from ice cores and tree rings[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(16): 5967-5971.

[24] 占臘生, 葉藝林, 袁文亮，等. 太陽(yáng)活動(dòng)周期及其數(shù)學(xué)描述[J]. 天文研究與技術(shù), 2008, 5(2): 106-115. La Zhansheng, Ye Yilin, Yuan Wenliang, et al. Research and description about the cycle of solar active by mathematics[J]. Astronomical Research & Technology, 2008, 5(2): 106-115.

[25] 張平中, 陳一萌, 陳發(fā)虎, 等. 甘肅武都萬(wàn)象洞滴水與現(xiàn)代石筍同位素的環(huán)境意義[J]. 科學(xué)通報(bào), 2004, 49(15): 1649-1652. Zhang Pingzhong, Chen Yiping, Chen Fahu, et al. Modern systematics and environmental significance of stable isotopic variations in Wanxiang Cave, Wudu, Gansu, China[J]. Chinese Science Bulletin, 2004, 49(15): 1649-1652.

[26] Fleitmann D, Burns S J, Mudelsee M, et al. Holocene forcing of the indian monsoon recorded in a stalagmite from Southern Oman[J]. Science, 2003, 300: 1737-1739.

[27] 羅維均, 王世杰, 劉秀明. 中國(guó)大氣降水δ18O區(qū)域特征及其對(duì)古氣候研究的意義[J]. 地球與環(huán)境, 2008, 36(1): 47-55. Luo Wejun, Wang Shiji, Liu Xiuming. Regional Characteristics of Modern Precipitation δ18O Values and implication for Paleoclimate research in China[J]. Earth and Environment, 2008, 36(1): 47-55.

[28] 玄春艷. 超長(zhǎng)離散信號(hào)的聚類方法研究及其應(yīng)用[D]. 青島： 中國(guó)海洋大學(xué), 2013. Xuan Chunyan. The Research on the Clustering Analysis of Super-long Discrete Signals and Its Application[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2013.

[29] Ma L H, Vaquero J M. Is the Suess cycle present in historical naked-eye observations of sunspots? [J]. New Astronomy, 2009, 14: 307-310.

[30] Steinhilber F, Abreu J A, Beer J, et al. The interplanetary magnetic field during the past 9300 years inferred from cosmogenic radionuclides[J]. Journal of Geophysical Research , 2010, 115: A01104.

[31] Andrews J T, Hardadottir J. Decadal to millennial-scale periodicities in North Iceland shelf sediments over the last 12 000 cal yr: long-term North Atlantic oceanographic variability and solar forcing[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2003, 210: 453-465.

[32] Hong Y T, Wang Z G, Jiang H B, et al. A 6000-year record of changes in drought and precipitation in northeastern China based on a δ13C time series from peat cellulose[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2001, 185: 111-119.

[33] Kern A K, Harzhauser M, Piller W E, et al. Strong evidence for the influence of solar cycles on a Late Miocene lake system revealed by biotic and abiotic proxies[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2012, 329-330: 124-136.

[34] Yiou P , Jouzel J, Johnsen S, et al. Rapid oscillations in Vostok and Grip Ice cores[J]. Geophysical Research Letters, 1995, 22: 2179-2182.

[35] Jian Z, Wang P, SaitoY, et al. Holocene variability of the Kuroshio current Trough, northwestern Pacific ocean[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2000, 184 (1): 305 - 319.

[36] Sarkar A, Ramesh R, Somayajulu B L K, et al. High resolution Holocene monsoon record from the eastern Arabian Sea[J]. Earth and Planetary Science Letters， 2000, 177: 209-218.

[37] 肖子牛, 鐘琦, 尹志強(qiáng)， 等. 太陽(yáng)活動(dòng)年代際變化對(duì)現(xiàn)代氣候影響的研究進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2013, 28 (12) : 1335-1348. Xiao Ziniu, Zhong Qi, Yin Zhiqiang , et al. Advances in the research of impact of decadal solar cycle on modern climate[J]. Advances in Earth Science, 2013, 28 (12) : 1335-1348.

[38] Agnihotri R, Dutta K, Bhushan R, Somayajulu, et al. Evidence for solar forcing on the Indian monsoon during the last millennium[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2002, 198: 521-527.

[39] 何璐瑤, 胡超涌, 黃俊華， 等. 石筍氧同位素指示東亞季風(fēng)大尺度環(huán)流特征[J]. 第四紀(jì)研究, 2009, 29 (5) : 950-956. He Lulu, Hu Chaoyong, Huang Junhua. Characteristics of large-scale circulation of east asian monsoon indicated by oxygen isotope of stalagmites[J]. Quaternary Sciences, 2009, 29 (5) : 950-956.

[40] Solanki S K, Usoskin I G. , Kromer B, et al. Unusual activity of the Sun during recent decades compared to the previous 11000 years[J]. Nature, 2004, 431: 1084-1087 .

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

The Centennial to Millennial-Scale Cycles Analysis ofHolocene Climatic Variability and Solar Activity

YIN Zi-Qiang1, LIU Dong-Yan1, 2, PANG Chong-Guang3, XUAN Chun-Yan4, KANG Xue-Ning1

(1. College of Marine Geo-Sciences, Ocean University of China Qingdao 266100,China;2 The Key Lab of Sea Floor Resource and Exploration Technique, Ministry of Education,Ocean University of China Qingdao 266100,China; 3. Institute of Oceanology, Chinese Academy of SciencesQingdao 266100,China;4. School of Mathematical Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The EMD(empirical mode decomposition)method is introduced in this paper to analyze the reconstructed sequences of Holocene stalagmite and ice-core oxygen isotope records and tree ring14C content, which document the variability of climate and solar activity respectively. The signal analysis showed that there existed multiple periods including 88～110、206～220、～350、～520、～1 000、～2 200 and ～4 300, in both sequences. Furthermore, the impact of solar activity on the climate change is explored in centennial to millennial-scales.

holocene; paleoclimate; solar activity; EMD(empirical mode decomposition); cycle

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41576060)；國(guó)家自然科學(xué)基金與山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1406401)資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China(41576060)and the Joint Funds of the National Natural Science Foundation of China and Shandong Provincial Natural Science Foundation(U1406401)

2015-12-30；

2016-03-07

殷自強(qiáng)(1986-)，男，碩士生。E-mail:ziqiangouc@163.com

?? 通訊作者：E-mail:ldy@ouc.edu.cn

P532

A

1672-5174(2017)07-112-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20150431

殷自強(qiáng)， 劉冬雁， 龐重光 等. 全新世氣候變化與太陽(yáng)活動(dòng)百千年尺度周期分析[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017, 47(7): 112-120.

YIN Zi-Qiang, LIU Dong-Yan, PANG Chong-Guang, et al. The centennial to millennial-scale cycles analysis of holocene climatic variability and solar activity[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(7): 112-120.