一个耦合气候系统模式模拟的中全新世时期亚洲季风系统变化

本文分析了一个耦合模式FGOALS_g1.0对工业革命前气候(0ka)和中全新世时期(6ka)亚洲夏季风的模拟结果。在该研究中我们主要分析季风降水变率较大的区域,即东亚夏季风区(20°～45°N,110°～120°E)和印度夏季风区(10°～30°N,70°～80°E)。尽管耦合模式的普遍偏差依然存在,该模式反映出亚洲季风系统是海陆热力性质差异的结果,并较好地模拟出了0ka亚洲夏季风大尺度环流的特点和季节变化的特征。6ka和0ka比较分析的结果表明,6ka时期欧亚大陆增暖,海陆温度梯度加强; 印度夏季风降水从南亚大陆北移到 30°N 附近,位于青藏高原南侧的降水大值中心降水加强; 东亚季风区降水则表现为华北地区减少,长江流域和华南地区降水增加的特点。但合理地模拟季风爆发仍然是耦合气候系统模式的难点之一。
6ka时期亚洲夏季风变化是和大尺度季风环流的变化联系在一起的,而其根本原因是中全新世时期地球轨道参数变化所引起的太阳辐射变化,北半球季节循环的振幅加强。海陆热力性质的差异所导致海陆温差加大使得北半球的季风环流加强,印度夏季风高空东风在 20°～30°N 加强,低层赤道东风加强,跨赤道后的西南气流向北推移,从而使得印度夏季风降水雨带北移到 30°N 附近。东亚季风区的高低空温度场的配置使得副热带高空急流减弱,位置偏南,从而有利于华北地区的高空出现异常的辐合,中层为异常的辐散,抑制了季风降水的发展; 长江流域和华南地区则相反,季风降水降水加强。     

末次盛冰期西太平洋海温差异对亚洲夏季风影响的数值模拟

文章利用Zhao等的模拟结果,进一步研究了在末次盛冰期(LGM)情景下汪品先和CLIMAP两种重建海洋表面温度(SST)资料差异对亚洲夏季风的影响。模拟结果表明:在LGM情景下西太平洋海域SST资料的不同对模拟的亚洲夏季风有着十分重要的作用。夏季,与CLGM方案相比,在WLGM方案中,当热带西太平洋SST较暖时,印度地区的大气热量出现显著增加,大气热量的这种变化,使得南非高压、南印度洋经向Hadley环流加强,伴随着索马里越赤道气流加强,也导致了印度季风区纬向季风环流的加强,从而造成了印度夏季风增强、降水增多;与较暖的热带西太平洋相对应,澳大利亚高压和120°E附近越赤道气流减弱,东亚季风区20°N以南经向季风环流加强、20°N以北经向季风环流减弱,指示着一个强的南海夏季风和较弱东亚副热带大陆夏季风。     

中国过去300年土地利用变化及其气候效应

以两种植被数据为基础,分别利用区域和全球气候模式对过去300年土地利用和地表覆盖变化的气候效应进行了模拟研究。结果表明,耕地面积不断扩大所造成的自然植被破坏可能对区域性气候产生显著影响。通过对不同时期植被特征下地面温度、降水和低层大气环流的比较分析发现,中国东部地区耕地取代自然植被后,全年平均温度有所降低,且存在明显季节差异。植被退化地区的夏季温度有明显升高而冬季温度则显著降低; 同时夏季降水和850hPa风场发生显著变化： 夏季降水明显减少,而这一结果与低层(850hPa)大气环流的反气旋性增强相联系,即植被退化使中国东部夏季风环流减弱,这与目前观测事实是一致的。土地利用引起的地表覆盖的变化可能是东亚季风减弱的原因之一。     

末次冰盛期和中全新世气候模拟分析进展

回顾了课题组近年来有关末次冰盛期和中全新世气候模拟分析的研究进展,包括中国气候、东亚和全球季风以及相关的主要大气环流系统等变化。多模式试验数据的分析表明,末次冰盛期中国降温和年均有效降水变化与重建记录定性一致,但模拟幅度偏弱;中国冻土区扩张、永冻土区活动层变薄,中国西部冰川物质平衡线高度降低;东亚季风变化在不同模式间差异较大,中国季风区范围和季风降水减小,北半球陆地季风区南移、全球季风区缩小和降水强度减弱共同引起全球季风降水减少;全球降水和潜在蒸散发共同减小使得全球干湿变化总体很小;北半球西风带在高层北移、低层南移,热带宽度变化依赖于指标的选取,厄尔尼诺—南方涛动气候影响、热带太平洋沃克环流均减弱并东移。在中全新世,多模式模拟的中国年和冬季偏冷仍然与大部分重建记录显示的偏暖不同;东亚冬季风增强,东亚夏季降水变化存在空间不一致性;中国和全球尺度的季风区范围和季风降水均增加;东北多年冻土退化、青藏高原多年冻土向低海拔扩张,北半球永冻土区减小、季节性冻土扩张、冻土区北退、永冻土区活动层变厚;全球干旱区面积总体变化很小;夏季东亚西风急流显著减弱并北移,厄尔尼诺—南方涛动减弱,热带太平洋沃克环流...     

晚白垩世(80Ma)CO2浓度对东亚气候影响的数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCSM2.0全球气候系统模式,并结合重建的古地理资料,研究了晚白垩世(80Ma)东亚气候特征以及CO₂浓度变化对东亚气候的影响。模拟结果表明： 与现代气候比较,晚白垩纪时期的东亚大陆冬季风和夏季风都偏强,具有同步变化的特点,并且中高纬度年平均地表气温明显增加,而低纬度地区有所下降,年降水变化的区域性特征明显; 就年平均而言,在 30°～40°N 的内陆地区地面净失去水分、变干燥,而在低纬度、大陆东岸以及高纬度地区,地表获得水分、变湿润。晚白垩纪CO₂浓度变化对大气辐射和大气热状况的影响是复杂的; 降低CO₂浓度可以导致东亚地区气候显著变化,冬季东亚中纬度地区大陆降温比其附近的海洋大,太平洋中高纬度的低压系统加强,因而造成东亚冬季风偏强; 而在夏季,中纬度大陆地区降温幅度大于海洋,西太平洋副热带高压减弱,因而夏季风减弱。对应于较低的CO₂浓度,年降水量在东亚及其沿岸的中、低纬度大部分地区显著减少,在东亚高纬度的大陆和海洋上降水的减少幅度不大,而在 30°N 附近亚洲大陆中部和东部的一些地区降水有所增加; 总体上,地表水分收支在东亚大陆的东部都是以负值为主,地面净失去水分、变干燥,其中 30°N 以南的大陆沿岸最显著; 而在东亚大陆的内陆地区,水分收支差异以0～0.5mm/天的正值为主,东亚大陆的东部是以地面净得到水分、变潮湿为主。     

中全新世时期我国西南风气候季节演变的数值模拟结果分析

利用CCSM3海洋-大气耦合模式模拟结果,探讨了中全新世（6kaBP.）我国东部西南风气候的季节演变规律。结果表明,6kaBP.我国东部南风最早于1月出现在 20°～25°N区域,此后逐渐增强,到秋季转为北风。随着南风强度从春季到夏季的强化,南风同时向北和向南扩展。我国东部西风于1月出现在 23°～34°N,之后也逐渐加强,并于 6～8月发生北跳,9月开始转为东风。这些特征与当今西南风爆发进程相类似,不过也存在一些显著差异,尤其是在夏季。与当今气候相比,6kaBP.强南风建立时间偏晚,夏季我国东部西南风强度偏强,南风向北扩展更明显。这与6kaBP.东亚大陆和西太平洋之间更大的热力差异以及西南涡和西太平副热带高压的加强有关。研究还表明6kaBP.西南风异常可进一步导致我国东部夏季降水增加和雨带偏北。     

晚白垩世(80Ma)东亚气候的数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)的CCSM2全球气候系统模式以及重建的古地理资料研究了晚白垩世(80Ma)东亚的古气候特征。模拟结果表明:80Ma时期东亚地区大范围盛行的风向和气压系统随季节有显著变化,由此可以推断东亚地区当时是存在季风环流的。与现代气候比较,白垩纪时期大陆上空的大气环流系统经向特征更明显,这种特征可能与当时欧亚大陆东西向跨度较小有关。此外,在当时偏暖的背景下,东亚冬季风和夏季风呈现出一致的变化特征,即冬季风和夏季风都比现代强。年平均降水的分布型和现代的情况比较相似,降水最大值出现在10°S～10°N的赤道辐合带中,与西太平洋相邻的大陆东岸降水也较多,其中心超过1200mm,而在中纬度的内陆地区降水则稀少。虽然与现代情况相似,80Ma在30°N附近的西太平洋上也为多雨带,然而在东亚陆地上没有多雨带,这说明了青藏高原隆升在现代东亚夏季梅雨形成中的重要性。此外,模拟的80Ma时期东亚地区气候要比现代温暖,相同纬度的表面气温要高2℃以上,模拟的温度与地质证据估计的温度比较接近。     

MIS 3 晚期典型阶段气候模拟的初步研究

我国大量地质资料反映了全球海洋氧同位素3阶段(MIS3)晚期具有间冰阶海侵、暖湿的气候环境特征.对这一阶段的气候成因论证,将为现代温室效应的气候增温提供重要的历史相似型.本文使用含有陆面过程的全球9层大气环流谱模式(AGCM+SSiB),采用地球轨道参数驱动的太阳辐射、北半球第四纪冰盖和东亚植被预置的下垫面对35kaB.P.气候进行了敏感性模拟试验.研究结果表明:(1)MIS3晚期中、低纬度大部分大陆全年温度增加,欧亚大陆腹地气温增高主要是冬季增温贡献,反映太阳辐射变化通过大气环流作用引起的更加显著的气候效应.南北海陆水汽交换的加强首先使低纬度季风区降水收益.(2)相当于LGM50%规模的第四纪冰盖不仅仅具有高纬度区降温效应,还强化了辐射纬向差异造成的南北温差,从而增强了水汽从低纬度区向高纬度区输送的能力,使青藏高原、南亚和非洲季风区的降水进一步增加.(3)35kaB.P.东亚植被对辐射的低纬度区增温具有增强效应,而对冰盖高纬度区降温具有减缓效应,结果扩大了欧亚内陆的降水增加范围,使中国高降水带向北推移.(4)中国各大区域35kaB.P.气候类型不尽相同.当中国东部与太平洋在同纬度带的热力差异减小时,东西向水汽输送减弱,造成东部沿海降水减少;但当欧亚大陆与低纬度区海洋温差增大时,南北水汽交换加强,有利于我国内陆降水增加.     

近五百年我国北方多雨年及其与温度背景的关联

将秦岭淮河以北、90°E以东的广大地区呈现“多雨” 格局的年份称为“北方多雨年”,其中105°N以东地域降水偏多的年份称为“北方东部多雨年”。综合利用历史文献记录、树木年轮代用记录和降水量资料来确定近五百年间的北方多雨年份和北方东部多雨年份,并建立历史年表(1470～2007年)。指出,在过去的538年间有北方多雨年97年(发生率18.0%)和北方东部多雨年174年(发生率32.3%),二者均呈现阶段性集中出现的特点,各有6个长约 20～40年的频繁发生时段。在北半球和东亚气候相对温暖的时段内,北方多雨年和北方东部多雨年的发生频率明显地高于气候相对寒冷的时段,这意味着在未来气候变暖的背景下,我国的降水分布将可能出现北方多雨年频繁出现的情形。在最近百年的全球大范围急剧升温时段,北方多雨年的发生频率仅表现为高于冷时段而已,并未呈现随增温速率的加快而同步增高,这表明北方多雨年的发生率与温度背景并非简单的线性关系。     

黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演变*

黔西高原的长时间序列孢粉记录比较少,限制了对该地区末次冰期晚期古植被及西南季风演化过程和机制的认识。本研究通过对黔西高原一个连续的古湖泊沉积物孢粉记录的分析,并结合AMS¹⁴C测年,重建黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演化。结果表明: 轨道尺度上,MIS3(氧同位素3阶段)中晚期,黔西高原主要为木本、草本植物,喜湿的针叶树种较多,西南季风较强。MIS2(氧同位素2阶段)期间,喜湿的针叶树种减少,而草本、蕨类植物增多,指示气候冷干,西南季风减弱。千年尺度上,黔西高原西南季风响应于北大西洋冰漂碎屑事件及H3(Heninrich 3)、H2(Heninrich 2)和LGM(Last Glacial Maximum)事件,导致西南季风减弱,喜湿的针叶树种减少。通过对比发现,东亚夏季风和西南季风在轨道及千年尺度上协同演化,二者均响应于北半球高纬度太阳辐射变化及北大西洋冰漂碎屑事件。在19~18 cal ka BP,黔西高原经历最冷干气候,西南季风减弱,木本、草本植物近乎消失,而同期东亚夏季风增强,说明西南季风和东亚夏季风在冰后期上存在反相位关系。     

末次盛冰期东亚气候的成因检测

在国际古气候模拟比较计划设置的标准试验方案下,首先利用中国科学院大气物理研究所的全球大气环流模式（IAP-AGCM）模拟了末次盛冰期东亚气候状况,然后通过4组数值敏感性试验逐一模拟了大气CO₂浓度、海洋表面温度（SST）和海冰、陆地冰盖和地形、东亚植被变化4项强迫因子的单独气候效应,进而对末次盛冰期东亚气候的成因进行了检测。结果表明,末次盛冰期除华南局部略有升温外,中国年均地表气温显著降低,降温幅度总体上向北增大,青藏高原处存在一个降温中心。其中,SST和海冰变化是华南局部略偏暖的主因,它同时导致了东亚其他区域地表气温的显著降低,特别是在东北亚地区;陆地冰盖和地形变化对于东亚地表气温的显著冷却作用主要体现在东亚的西北部;大气CO₂浓度降低会引起东亚地区0.2～0.9℃的普遍降温;相对而言,东亚植被的降温作用（0.5～1.0℃）主要显现在中国40°N以南的区域。与此同时,SST和海冰变化能引起中国东部年均降水一定程度的减少,而大气CO₂浓度、陆地冰盖和地形、东亚植被单独变化均不会显著影响东亚年均降水的分布状况,然而,上述四项因子的共同变化会通过协同作用引起中国东部年均降水的显著减少,西部地区降水则与现在差别不大。此外,末次盛冰期东亚夏季风的显著减弱源于SST和海冰变化,冬季风变化则可归因于SST和海冰、陆地冰盖和地形的变化。     

中东亚中全新世气候与植被反馈作用:PMIP 2多模式结果分析

文章选取了参加国际古气候模拟比较计划(Paleoclimate Modeling Intercomparison Project,简称PMIP)的6个耦合气候模式的模拟结果,着重对中全新世中东亚干旱区以及东亚季风区的夏季气候变化(气温、降水)进行分析,探讨了植被反馈作用对这3个区域中全新世气候变化的影响.由于各个模式之...     

渭河盆地末次冰盛期以来沉积环境变化研究

研究过去气候快速变化能为当前极端气候分析和未来环境预测提供自然背景理解。亚洲季风在北半球乃至全球的第四纪气候变化中扮演着重要角色,其演化是全球气候变化背景下的典型区域响应。然而,不同地质载体及不同指标所记录的亚洲冬、夏季风变化存在着较大差异,产生差异的原因及受到的动力机制是值得深入研究的科学问题。渭河盆地位于黄土高原和古三门湖沉积交叠的区域,是研究第四纪亚洲季风演化的理想场所。在盆地西南部西安市户县和长安县获取了两个黄土沉积钻孔,户县ZZC孔长4 m,长安县XFC孔长3 m,两孔的年代均超过25 ka。通过两钻孔的粒度和元素地球化学等代用指标研究,对比分析不同指标对气候变化的敏感度差异,反演了末次冰盛期(LGM)以来的区域沉积环境变化,并尝试探讨该时期发生的气候突变事件及反映的季风强度变化。结果表明,两钻孔的平均粒径从LGM到中全新世逐渐变细,中全新世之后少许变粗,空间上表现出一致性,总体反映了末次冰盛期以来的冬季风强度演化;Ca/Ti反映了与季风降水相关的淋溶强度,从LGM到全新世暖期夏季风逐渐减弱,并记录了若干次气候快速变化。粒度和元素比值变化表明,渭河盆地沉积良好地记录了末次冰盛期至全新世的大幅冷干-暖湿波动及若干次持续时间较短的快速水文变化事件,主要是受到太阳辐射和冰量等因素调控的影响。由于渭河盆地有上千米的新生代沉积,未来开展高分辨率研究有望揭示不同时间尺度季风变化特征及其与区域和全球变化的联系。     

沙鲁里山更新世冰川作用及西南季风波动对末次冰期冰川作用的影响

地处南亚季风区的沙鲁里山地区保留有丰富的第四纪冰川作用遗迹。文章通过ESR对冰碛物直接定年,结合冰碛地貌形态及其风化程度差异,结果表明沙鲁里山地区可能经历了4次规模较大的冰川作用。它们的ESR年代大约为19～16kaB.P.,48～43kaB.P.,135kaB.P.和571kaB.P.,分别与深海氧同位素第2、第3、第6、第16阶段对应。自沙鲁里山最早冰川作用(571kaB.P.)以后,该区经历了较大规模的抬升作用。MIS2和MIS4期间西南季风微弱,降水稀少,气温严寒,南亚季风区冰川发育受到一定限制。MIS3早期和晚期夏季风强盛,降水丰富,温度较高,水热平衡状况有利于冰川发育;MIS3中期气温较低,夏季风较强盛,降水较丰富,这种冷湿组合的气候条件有利于冰川发育。南亚季风区,MIS3期间的冰川前进规模不亚于甚至在某些区域超过了末次盛冰期,其主要原因可能是受制于夏季风的降水差异。     

Decoupling of stalagmite-derived Asian summer monsoon records from North Atlantic temperature change during marine oxygen isotope stage 5d

The Asian monsoon is an important component of the global climate system. Seasonal variations in wind, rainfall, and temperature associated with the Asian monsoon systems affect a vast expanse of tropical and subtropical Asia. Speleothem-derived summer monsoon variation in East Asia was previously found to be closely associated with millennial-scale change in temperature in the North Atlantic region between 75 and 10 ka. New evidence recovered from East Asia, however, suggests that the teleconnection between summer monsoon in East Asia and temperature change in the North Atlantic region may have significantly reduced during 120 to ~ 110 ka, a period directly after the full last interglaciation and corresponding roughly to marine oxygen isotope stage 5d. This reduction may be due to the low ice volume in the North Hemisphere at that time, which makes the millennial-scale change in temperature in the North Atlantic region less effective in influencing the Asian summer monsoon. This is important for investigating the mechanisms controlling the Asian summer monsoon and the paleoclimatic teleconnection between East Asia and the North Atlantic region, and for predicting monsoon-associated precipitation in East Asia under a global-warming trend.     

21 ka以来东亚夏季风区南部和北部气候变化的模拟与重建对比

古气候重建和模拟研究相结合可有效揭示气候变化的机制,但针对东亚夏季风区的相关研究还有待深入。文章基于现代观测数据及古气候记录的定量化重建结果,评估过去21 ka气候瞬变模拟(Transient Climate Evolution simulation over last 21000 years,简称TraCE-21ka)对现代东亚气候及古夏季风演变的再现能力,对比分析其异同并探索东亚夏季风区南部(SEASM)和北部(NEASM)特征时期的气候变化及可能的驱动机制。结果表明:TraCE-21ka模拟和定量化重建结果相对一致,即末次冰盛期偏干冷,全新世早中期偏暖湿,但模拟的变化幅度小于重建。相对于SEASM,NEASM变化幅度较显著。同时,SEASM的温度及降水和NEASM的温度在整个全新世期间模拟和重建的结果一致性较高,但NEASM模拟和重建的降水在晚全新世一致而早全新世不一致。相对于重建降水的南部和北部显著不同步变化,即南部降水在早全新世高而北部在中全新世高,模拟降水的南、北差异性较小,且为全新世持续减弱夏季风演变的结果。这种重建与模拟间的不同可能来源于地表过程对气候演变敏感度的区域性差异,也可能来源于粗分辨率模拟所造成的系统性气候偏移。     

南沙海区盛冰期的气候问题

南沙海区属于西太平洋暖池区，其盛冰期的表层水温变化涉及暖池在冰期旋回中的稳定性，因而具有全球性意义、本文根据十几个沉积柱状样的氧同位素与微体古生物分析结果，指出南沙海区盛冰期时夏季温度与全新世差别微小，而冬季水温强烈降低，使季节性温差高达６℃，明显超过同纬度的西太平洋开放水域。推测冰期时的冬季风强化，是造成这些变化的主要原因，同时也为热带海区冰期海面温度高、岛屿山地温度低的矛盾提出了一种新的可能解释。