全新世氣候變化與太陽活動百千年尺度周期分析?

殷自強， 劉冬雁,2??， 龐重光， 玄春艷， 康雪寧

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東 青島266100； 2.中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島266100；3.中國科學院海洋研究所,山東 青島266100； 4.中國海洋大學數(shù)學科學學院,山東 青島266100)

全新世氣候變化與太陽活動百千年尺度周期分析?

殷自強1， 劉冬雁1,2??， 龐重光3， 玄春艷4， 康雪寧1

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院, 山東 青島266100； 2.中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島266100；3.中國科學院海洋研究所,山東 青島266100； 4.中國海洋大學數(shù)學科學學院,山東 青島266100)

采用改進的EMD(經(jīng)驗模態(tài)分解)方法對前人重建的全新世石筍、冰芯氧同位素古氣候記錄和樹輪14C含量變化太陽活動替代指標時間序列進行分析，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周期信號，探討了太陽活動在百千年尺度上對氣候變化的可能影響。

全新世；古氣候；太陽活動；EMD(經(jīng)驗模態(tài)分解)；周期

太陽活動是地球空間環(huán)境的一個重要控制因素，也是擾動地球環(huán)境的一個動力源，對地球系統(tǒng)的氣候過程會產(chǎn)生重要影響[1]。許多研究表明，太陽活動與氣溫和各種極端氣候條件下的旱澇等自然災害及地球物理現(xiàn)象存在密切聯(lián)系，進而影響人類的生產(chǎn)、生活、經(jīng)濟等活動。關(guān)于氣候變化和太陽活動規(guī)律及其周期特征的研究一直是國內(nèi)外相關(guān)學者關(guān)注的焦點[2-4]。

太陽活動周期是多尺度的，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]從多時間尺度[17-19]研究了太陽活動和氣候變化的周期性特征，但結(jié)果不盡一致。

本文采用改進的經(jīng)驗模態(tài)分解方法(Empirical Mode Decomposition,EMD)[20]，對前人重建的全新世氣候變化石筍δ18O記錄[21]、冰芯δ18O記錄[22]和指示太陽活動變化的樹輪14C產(chǎn)率記錄[23]進行分析，進一步分析百千年尺度上全新世太陽活動和氣候變化的周期性特征以及太陽活動對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 指示太陽活動變化的樹輪14C產(chǎn)率記錄14C是一種放射性的同位素，是由外來宇宙射線撞擊大氣中14N所產(chǎn)生的[24]。當太陽輻射射線進入地球大氣系統(tǒng)時會對14C含量產(chǎn)生影響。當太陽活動強烈時，太陽發(fā)射的帶電粒子流增強，帶電粒子流對宇宙射線的屏障作用會增強，導致到達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，當太陽活動減弱時，14C大氣中含量會增加。14C數(shù)據(jù)的變化具有指示太陽活動的重要意義(見圖1)，而14C含量變化信息能被樹干很好地保留，所以通過測算樹木年輪中14C含量變化數(shù)據(jù)可以得到反映太陽活動的信息。在數(shù)據(jù)處理過程中，由于14C產(chǎn)率(P14C)數(shù)據(jù)在測算過程中會產(chǎn)生一定的誤差，因此數(shù)據(jù)本身會包含一定噪聲。本文采用Steinhilber等測算的過去9 400 a樹木年輪14C產(chǎn)率信息指示全新世太陽活動變化過程，該數(shù)據(jù)資料近萬年的時間跨度和22年的時間間隔可用以分析百千年尺度的波動周期。

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)定同位素記錄對于指示第四紀古氣候變化具有重要意義，其中δ18O變化對氣溫變化的敏感性和時間測定的準確性較高。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。在季風強烈區(qū)，石筍δ18O數(shù)據(jù)又可作為指示古季風變化的重要指標[25]，δ18O偏負意味著季風降水增強，δ18O偏正意味季風降水強度減弱[26]，水汽來源較為單一區(qū)域的石筍δ18O數(shù)據(jù)變化能更好地反映太陽輻射變化或者季風強度變化[27]。冰芯δ18O數(shù)據(jù)也可作為研究氣候波動指標(溫度，降水)的指標，當?shù)乇頊囟雀邥r，降水中δ18O較高，溫度降低時，降水中δ18O較低。本文主要截取了全新世以來的中國湖北省三寶洞(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]。對兩組數(shù)據(jù)序列進行等步長三次樣條函數(shù)插值處理后，經(jīng)EMD多尺度分析，獲取古氣候變化波動過程及其周期特征信息。

圖1 過去9 400年以來太陽黑子(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

分析方法的選擇對周期性信號分析至關(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的，其主要原理是基于時間序列中的特征尺度，并以緩變波包形式對信號逐級分解，得到不同時間尺度的本征模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)，IMF的數(shù)量以及每個模態(tài)的頻率和幅度都是由時間尺度所決定，每一個IMF都可看作是信號中一個固有的振蕩模態(tài)，模態(tài)信號不同幅度峰值隨時間變化使其具有了時頻局域性質(zhì)。以IMF為基礎(chǔ)進行Hilbert-Huang變換得到Hilbert譜能夠反映信號在各種時間尺度的分布規(guī)律，Hilbert-Huang變換同時具有良好的時頻分辨率和自適應性等優(yōu)點,在分析線性平穩(wěn)信號和非線性非平穩(wěn)信號時，可以有效避免高頻干擾結(jié)果，這是信號分析的一個重大突破，其分解過程詳見文獻[20]。但是，在運用EMD方法對非線性數(shù)據(jù)進行分解時，如果不對邊界進行有效抑制，會產(chǎn)生邊界效應進而影響資料的完整性。玄春艷等在完全消除邊界效應的四中點分解法的基礎(chǔ)上對EMD進行了有效改進，本文采用了此種改進方法，其詳細改進過程見文獻[28]。

到目前為止，功率譜分析方法是較成熟且應用廣泛的譜分析方法,一般是將時域中的取樣信號變成頻域中取樣信號進行表達，數(shù)字化時域中的真實信號，然后完成離散型傅里葉變化，實現(xiàn)信號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方法對所選取的數(shù)據(jù)時間序列進行逐級分解，同時對不同尺度本征模態(tài)分量進行頻譜分析和方差貢獻率計算，捕捉各模態(tài)周期，將所得的模態(tài)周期與各全局記錄時序REDFIT功率譜分析結(jié)果相對比、印證。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1 太陽活動替代指標(過去9 400 a樹木年輪P14C記錄)處理結(jié)果

對Steinhilber等人測算得到的過去9 400 a樹木年輪中14C產(chǎn)率數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下:經(jīng)EMD分解得到7個模態(tài)分量IMF1～IMF7和一個趨勢項R(見圖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)分量平均周期貢獻率及排序如表1所示。

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

在所得到的IMF模態(tài)時域上，IMF1～IMF3分量具有較高的頻率(見圖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譜均達到峰值，呈現(xiàn)較明顯的～2 200 a的周期波動。IMF7模態(tài)中，～2 400和～6 700 aBP處在Hilbert譜峰位置，～4 300 a的準周期信號呈現(xiàn)很好地規(guī)律性，極可能是一個～4 300 a的周期波動。由于受模態(tài)混疊和數(shù)據(jù)長度的限制，篩選過程即將結(jié)束，IMF8模態(tài)中的更長準周期信號分量沒有清晰顯現(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，從表1所表征的不同尺度波動的平均周期及其方差貢獻率可以看出，太陽活動以～80年、～110和～210 a的準周期波動最為顯著(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分量及趨勢項R[23]Fig.2 The modes and trend form susceptibility of P14C data using EMD method

(橫坐標表示頻率，縱坐標表示振幅。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時序IMF模態(tài)分量方差貢獻率及其排序[23]Table 1 The cycles strength and contributions of each IMF of P14C data

分量①IMF1IMF2IMF3IMF4IMF5IMF6IMF7周期②/年8011021052290018004000方差貢獻率③/% 20．519．618．68．213．19．810．1排序④1237465

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

采用REDFIT38對過去9 400 a樹木年輪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，進一步得出各譜峰值點的周期數(shù)值。由圖可知，可信度超過95%的周期有88、130、150和206 a；可信度超過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，對應在圖4中的510、940 a和2 150 a的譜峰值沒有超過85%信度線。

圖4 P14C 9 400 a時序 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

貢獻率及排序見表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～IMF7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～IMF8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的準周期波動在兩組數(shù)據(jù)中均較為顯著(方差貢獻率排序均第二)，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分量及趨勢項R[21]Fig.5 The modes and trend form susceptibility of Sanbaoδ18O data using EMD method

(橫坐標表示頻率，縱坐標表示振幅。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分量及趨勢項R[22]Fig.7 The modes and trend form susceptibility of Greenlandδ18O data using EMD method

(橫坐標表示頻率，縱坐標表示振幅。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率總體上大于百年尺度貢獻率，本文所選取的兩組氣候替代指標的模態(tài)貢獻率差異反映出在全新世氣候演化中千年尺度的氣候波動更為顯著。

表2 三寶洞δ18O時序各IMF分量方差貢獻率及其排序[21]

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

表3 格陵蘭δ18O時序各IMF分量方差貢獻率及其排序[22]

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

3 討論

EMD方法不同于傳統(tǒng)研究太陽活動的研究方法，它適用于非線性非平穩(wěn)數(shù)據(jù)的離散信號分析[20]，可提取真實的數(shù)據(jù)信號，使每個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方法對全新世太陽活動替代指標數(shù)據(jù)和氣候替代指標進行多尺度分析，能夠?qū)14C變化所反映太陽活動的準周期信號和δ18O數(shù)據(jù)變化所反映的氣候波動周期、在較大時間尺度上進行篩選并逐級分離出來。

3.1 百年-千年尺度太陽活動準周期

由2.1過去9 400 a樹木年輪P14C指標信號進行EMD多尺度分解，并對各模態(tài)分量進行模態(tài)主周期頻譜分析和模態(tài)平均周期分析，得到幾個較為顯著的百年-千年尺度準周期分別為88、130、148(150)、206、240(220)、350、518(500)、750、1 003、2 150和4 300 a。

以上結(jié)果與過去9 400 a樹木年輪P14C產(chǎn)率數(shù)據(jù)序列的全局功率譜分析結(jié)果(見圖4)對比可知，88、130、150和206 a周期(圖4中可信度超過95%的周期)是完全一致的；可信度超過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，但譜峰值沒有超過85%信度線，而圖2、圖3中檢出的750 a周期在圖4中沒有任何表現(xiàn)。由此可見，EMD多尺度分解后再對各IMF進行譜分析比直接對全局時序進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，與表征太陽活動的世紀周期(88～110 a)相近，符合Gleissberg周期的時間尺度，大多數(shù)學者認為此周期是由木星圍繞太陽公轉(zhuǎn)，誘發(fā)太陽黑子而產(chǎn)生[7]。從IMF2和IMF3捕捉到的206、220 a周期又能與國際上公認的Suess周期[8]對應起來。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，有學者用Lomb-Scargle等譜分析方法對太陽黑子進行研究發(fā)現(xiàn)太陽活動在百年尺度上存在～229、～350、～440和500～551 a的活動周期[29]。IMF 5、IMF6、IMF7中捕捉到的1 003、2 150和4 300 a準周期，同時也多數(shù)符合Eddy周期[9]和Hallatatt周期[10]所包含的太陽活動準周期。與前人從長時序的14C和10Be數(shù)據(jù)中捕獲太陽活動的百年-千年尺度主要準周期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(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中得到驗證。例如，在我國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周期[32]，前人對晚更新世以來維也納盆地沉積物進行研究發(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數(shù)據(jù)中被發(fā)現(xiàn)[33]。Burhring[4]等對亞洲古氣候研究發(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)了亞洲季風約700 a長度的氣候周期。汪品先等對古氣候的研究也發(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等準周期尺度波動[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周期幾乎一致。

3.3 百年-千年尺度上太陽活動與氣候變化的可能聯(lián)系

許多研究表明全新世太陽活動對地球氣候變化起著重要的驅(qū)動作用[4]，并可能存在太陽總輻射機制、太陽短波輻射變化機制和能量粒子等影響機制[37]。來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活動的影響，Agnihotri[38]等人更是認為在十年-百年尺度上古氣候變化波動直接受太陽活動驅(qū)動影響。各種太陽活動指標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與太陽活動存在一定的聯(lián)系，并可能受到太陽活動的驅(qū)動[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太陽活動周期基本一致，同時，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太陽活動周期相近，這些尺度不一的氣候周期可認為是對太陽活動的響應周期，進一步論證了太陽活動在百-千年尺度上對全新世氣候起著重要作用。一些學者認為～1 600 a氣候振蕩周期可能受太陽活動影響[40]，但本文中并沒有明顯發(fā)現(xiàn)這一太陽活動準周期，此周期可能為太陽活動千年周期和雙千年周期的平均周期?！?50和5 000～6 000 a尺度的準氣候周期,是否真實反映了古氣候特征以及同太陽活動是否存在聯(lián)系需要進一步的深入研究。

4 結(jié)論

(1)從全新世太陽活動替代指標時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去近萬年間的太陽活動較長尺度的變化特征與規(guī)律。這可為研究氣候演化、環(huán)境變遷以及太陽活動的長期預測提供一定的數(shù)據(jù)參考。

(2)全新世氣候變化和太陽活動在百年尺度以及千年尺度上波動周期具有一致性，說明氣候波動可能受到太陽活動變化的驅(qū)動，全新世氣候波動周期可能為太陽活動的響應周期，其中千年尺度的氣候波動更為顯著。

(3)EMD(經(jīng)驗模態(tài)分解)方法用來研究太陽活動甚長離散信號的模態(tài)周期,可得到太陽活動周期的固有尺度，更準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)果表明整個全新世太陽活動具多尺度周期的特征。

[1] 占臘生, 何娟美, 葉藝林， 等. 太陽活動周期的小波分析[J]. 天文學報, 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. 太陽常數(shù)[J]. 氣候變化研究進展, 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, 吳建, 許正文，等. 利用EMD方法提取太陽活動周期成分[J]. 空間科學學報, 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, 馬利華, 韓延本，等. 太陽活動的甚長周期性變化[J]. 科學通報, 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, 韓延本, 王博. 全新世氣候?qū)η瓿叨忍柣顒拥目赡茼憫猍J]. 氣象科技進展, 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. 樹輪資料( 1511～ 1954)太陽活動的多尺度分析-EMD方法的應用[J]. 地理科學, 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, 王建華，等. 基于中國南方石筍記錄的古氣候周期探討[J]. 中山大學學報, 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. 太陽活動周期及其數(shù)學描述[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. 甘肅武都萬象洞滴水與現(xiàn)代石筍同位素的環(huán)境意義[J]. 科學通報, 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. 中國大氣降水δ18O區(qū)域特征及其對古氣候研究的意義[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. 超長離散信號的聚類方法研究及其應用[D]. 青島： 中國海洋大學, 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， 等. 太陽活動年代際變化對現(xiàn)代氣候影響的研究進展[J]. 地球科學進展, 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大尺度環(huán)流特征[J]. 第四紀研究, 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

國家自然科學基金項目(41576060)；國家自然科學基金與山東省聯(lián)合基金項目(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(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， 劉冬雁， 龐重光 等. 全新世氣候變化與太陽活動百千年尺度周期分析[J]. 中國海洋大學學報(自然科學版), 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.