过去1000年气候模拟比较和机制分析

利用中等复杂程度模式MPM­2进行的多情景1000年气候模拟试验和全球海气耦合气候模式ECHO­G进行的1000年长时间积分气候模拟试验结果,分析了过去1000年全球气候变化特征及其与各强迫因子变化的关系,并与部分温度重建资料作了对比,探讨了近千年气候变化的原因和驱动因子。模拟和重建结果均反映出了大约出现在1000～1300年的中世纪暖期、1300～1850年的小冰期和1860年之后的全球升温期。对于1300～1850年的小冰期和1860年之后的升温期,模拟和重建的趋势基本一致,尤其是1670～1710年Maunder太阳黑子最小期时,模拟和重建结果吻合很好。各因子及其组合的强迫试验表明,在不同典型气候时期,强迫因子的作用是不一样的。1000～1300年的中世纪暖期,模拟与重建资料存在一定的位相差异和幅度差异。从整体上来看,模式得出的温度距平值要小于重建温度距平值。在1000年尺度上,太阳辐射、火山活动和温室气体对全球温度变化都有重要意义,但表现的时间不同。在最近百年尺度上,温室气体含量的变化对温度的变化起着相对更为重要的作用。     

近千年来中国区域降水模拟与重建资料的对比分析

依据中国区域27年GPCP降水观测再分析资料、500年旱涝等级资料及近千年冰芯、树轮、湖芯等降水代用资料,对全球海气耦合气候模式ECHO G近千年积分模拟降水进行时空变化的对比分析,检验模式对中国地区降水的模拟性能。结果表明模拟降水较好体现了中国区域降水年平均和季节平均的分布型态,并在年代际变化上与历史记录一致。中国西部模拟降水呈现出与重建资料一致的准200年的百年际周期及20～30年左右的年代际周期,并与湖泊盐度的高低时段对应较好。总体而言,模式成功再现了观测及代用资料所体现的中国区域近千年降水的主要时空变化特征。EOF分析结果进一步揭示了3个不同气候特征时期模拟降水存在不同的区域分异特点。     

过去2000年中国区域温度模拟与重建的对比分析

依据观测/再分析资料及过去2 000年中国区域温度重建资料,对通用地球系统模式(CESM)近2 000年模拟温度进行时空变化的对比分析,检验模式对中国区域温度的模拟性能。结果表明,模拟温度较好地体现了中国区域年平均温度的空间分布型态以及近半个世纪以来的上升趋势;也较好地模拟出了过去2 000年重建资料反映的中国区域平均温度的年代际变化特征;在百年尺度上,模拟的中国区域温度的波动变化与重建资料也基本一致,但华中及青藏地区模拟与重建有所差异。模拟的中国区域平均温度均显示了0—540年、800—1250年和1901—2000年3个暖期,551—721年和1400—1850年2个冷期,与重建结果具有一定的差异。这可能与模式的分辨率、外强迫条件、次网格过程的参数化方案等不确定性有关。     

近千年全球气候变化的长积分模拟试验

近千年全球气候变化的长积分模拟试验是全球气候模拟研究的新领域,它不仅将现代器测资料与过去代用指标序列进行了有机的衔接,而且对过去百年和年代际尺度的气候变化可进行动力学解释,探讨其主要控制因素及其导致的区域响应差异。由于这类长积分模拟对计算机技术和气候模式本身的要求较高,目前能进行这类研究的国家为数不多。重点介绍了德国马普气象研究所的全球海气耦合气候模式ECHO G,以及利用该模式进行的千年长积分模拟试验结果。首先,应用全球120年的器测资料对模拟结果进行了检验,论证了该模型较强的气候模拟能力;其次,根据全球地表2 m气温的千年模拟结果,揭示了中世纪暖期—小冰期—20世纪暖期三段式气候变化时段,然后讨论了中世纪暖期和小冰期鼎盛期全球及中国的温度分布特点;最后根据对各控制因子的拟合分析与比较,初步揭示了近千年来的温度变化主要受太阳有效辐射的变化控制,而温室气体含量的增加对100年来温度的快速上升起着主导作用。      

基于模态逼近的EOF重构算法重建公元1250年以来北半球地表气温空间格局

随着气候场重建数据在揭示气候动力机制以及与数值模式模拟相结合等方面的应用, 它在气候变化研究领域中的实用性和重要性已得到广泛认可。因此, 关于空间格局重建方法的研究也就显得尤为重要。本文提出了一种新的气候场重建方法, 即模态逼近的经验正交函数分解方法。该方法利用代用资料与器测资料不同空间模态之间的协调性, 采用模态逐次逼近, 从而实现对过去无器测资料覆盖的气候场的重建。基于该方法, 本文利用549个树轮序列重建了北半球(22.5°N以北)公元1250年以来的地表气温空间场。为验证该方法的有效性, 设计了多组验证试验, 结果均表明该重建方法能够较好的再现器测数据的年代际尺度变率特征。最终重建结果表明, 与已有研究结果相比, 该方法重建出的北半球小冰期(1400~1700年)平均气候状态的空间格局特征与基于多组气候模式集合平均在该时段的模拟结果更为接近。另外, 为体现重建结果对外强迫的响应特征, 本文比较了在不同强度(强、中等、弱)典型火山年的空间格局差异, 发现高纬度地区对火山外强迫相比于中低纬地区更加敏感, 这与已有的基于数值模式模拟研究的结论基本一致。综合以上讨论, 证明了该方法在气候场重建方面的有效性和应用潜力。     

中国中世纪暖期温度年代际变化特征及成因分析

利用通用地球系统模式CESM的过去2000年气候模拟试验资料,在与历史气候重建资料、观测/再分析资料及其他模式模拟资料进行对比验证的基础上,分析了中国中世纪暖期（Medieval Warm Period,简称MWP）地表温度年代际变化特征并初步探讨了其成因。结果表明：在公元801~1250年的中国中世纪暖期期间,在年代际尺度上,中国地表温度EOF第一模态的空间分布为全区一致型,并且北部的变率大于南部,最大的变率中心位于中国东北部;EOF第二模态反映出研究区内南北反向的空间分布特征。40°N以北地区温度变化一致;40°N以南青藏高原-云贵高原-东南沿海地区与华北地区呈反相变化,最大的变率中心位于青藏高原东部。中世纪暖期地表温度EOF第一模态主要归因于太阳辐射的影响,火山活动也是影响因子之一;EOF第二模态主要受气候系统内部变率的影响,其他外强迫因子的影响较小。但是,温室气体、土地利用/覆盖两个外强迫因子对气候系统内部变率具有一定的调制作用。在中国,中世纪暖期太阳活动剧烈、火山活动较少,下垫面吸收更多的太阳短波辐射,地表净辐射通量增大,是中世纪暖期形成的主要原因。     

BP神经网络在古气候序列重建中的应用

当前小区域的古气候变化研究受模拟资料分辨率和可靠性的严重制约.为了将大区域的气候模拟资料应用到小区域的古气候研究中去,亟待建立有效的降尺度方法.为此以徽鄂地区为例,建立了一个3层BP神经网络拟合模型,利用相关气象要素作为拟合因子,拟合并重建了该地区近千年来1月、7月和年平均的温度和降水序列,通过与观测及模拟资料的对比分析发现,该模型拟合及重建的近千年气候序列有较高的精度和可靠性,能反映小区域气候的年际和年代际变化信号,提高了模拟资料对小区域气候变化的刻画能力.     

全球变暖的模拟研究及与自然变率的比较

用NCAR 公共气候模式CCM3.6进行了1872～1999年共128 a的给定月平均海温强迫下的全球气候变化模拟研究,以及给定月平均气候海温强迫下积分100 a的全球气候自然变化模拟研究,对模拟的全球气温的变化进行了分析,发现模式能很好地模拟全球年平均气温的年际变化和年代际变化.模拟的结果可以弥补早期气候观测资料的不足,这样,就可以用来估算覆盖面完整情况下的全球平均气候变暖趋势.把经过模拟补充的完整覆盖面情况下的百年全球年平均气温变化序列称为第一近似,其1900～1999年增暖趋势为0.87 ℃/100a,比用Jones序列不完整覆盖面得到的气候增暖趋势0.66 ℃/100a要大,更接近于IPCC报告的上限.实测海温强迫下模拟的气温,其EOF1为全球一致的趋势,其时间系数为向上的变暖趋势,反映全球一致性的变暖;EOF2类似于ENSO的模态;EOF3类似于PDO的模态;而气候海温强迫的积分结果,则没有全球一致的温度变化.     

近千年中国东部夏季降水的模拟研究

利用ECHO­G海气耦合气候模式模拟的中国东部过去近1000年的降水资料,通过经验正交函数分解方法得到了中国东部夏季降水分布的主要空间型态： 华北和华南地区与长江中下游地区反位相,即华北和华南地区降水多(少)时长江中下游地区降水少(多)。对31年滑动平均后3种空间分布型的时间系数进行Morlet小波分析和功率谱分析发现,3个地区均存在准60年的年代际振荡周期,长江中下游和华南地区均存在准200年的百年际振荡周期,华南地区还存在120年和80年的变化周期。全球海温场与3个地区夏季降水31年滑动平均后的相关分析表明,在40°～70°S,170°～60°W海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水负相关,与华南地区夏季降水正相关除该区外的南北半球(30°～60°)中高纬海域海温与华北和长江中下游地区夏季降水正相关、与华南地区夏季降水负相关,说明在年代际和百年际时间尺度上,中高纬海域海温是影响长江中下游地区和华南地区夏季降水反相的主要因子之一。最后通过对太阳常数、火山活动等外强迫因子与中国东部夏季降水的功率谱分析发现： 中国东部夏季降水的年代际与百年际变化周期大都与外强迫因子的变化周期一致,说明外强迫因子,尤其是太阳常数和火山活动的变化是影响中国东部夏季降水年代际和百年际振荡的主要原因。     

130年来全球气温变化的模拟

本文利用海-气耦合的能量平衡模式研究了全球平均气温的变化。在对130年来全球气温变化的模拟研究中,比较全面地考虑了各种辐射强迫因子。此外,对于厄尼诺-南方涛动对全球平均温度的贡献也做了模式估计。数值模拟的全球温度序列与观测序列的相关系数达0.884,可解释77.8%的温度变化,并反映出温度的年际和年代际变化的特征,这可能是目前国内外同类工作的最佳结果。     

近千年来中国气温模拟与重建资料的对比分析

依据伞球海气耦合气候模式ECHO-G近千年积分模拟结果,通过对中国气温模拟序列与重建资料进行对比分析,以验证模式对中国地区气温变化的模拟能力.结果表明模拟结果与重建资料都明显体现出了11世纪至14世纪的中世纪暖期、15世纪至19世纪的小冰期及20世纪的现代暖期3个气候特征时期,并且二者在冷暖时期的转换时间上也较吻合,模...     

Comparison of Simulated and Reconstructed Temperature in China during the past 2000 years

Studying climate changes over the past 2 000 years has important scientific significance in exploring climate variability on decadal to centennial timescales, assessing the natural and anthropogenic contribution to the climate warming, and understanding the effects of human activities in the past and future climate changes. Due to the scarcity of observation and uncertainty of reconstruction in this period, climate model is developed as a useful tool for studying paleoclimate.The Community Earth System Model (CESM) is one of the state-of-the-art climate models, but its performance in simulating the temperature in China has not been examined.The temperature datasets of observation/reanalysis (GHCN_CAMS) and reconstructions during the past 2000 years in China were used to examine the performance of CESM. The comparison between the annual average temperatures of GHCN_CAMS reanalysis and simulation showed that the model well reproduced the spatial distributions and upward trend of the annual average temperature in China, and the comparison with reconstructions in five sub-regions of China indicated that the simulation were in good consistent with the average temperature changes of reconstructionson decadal time scales. On the centennial time scale, the average temperature fluctuations of simulation in the regions of China were in accord with reconstructions generally except for Central East and Tibet.There existed three warm periods of simulated temperature variation in China over the past 2000 years, including 0-540AD, 800-1250AD and 1901-2000AD, and two cold periods involving the 551-721AD and 1400-1850AD, which had some discrepancies with reconstructions. And the discrepancies between simulation and reconstructions might be related to uncertainties of the resolution, external forcing and parameterization of the subgrid-scale process in the model.     

中国过去1500年典型暖期气候的模拟研究

利用地球系统模式CESM的过去1500年气候模拟试验结果, 分析了中世纪暖期和现代暖期中国区域温度和降水变化特征的异同, 并对形成原因进行了初步探讨。研究表明: 中国的温度变化在中世纪暖期和现代暖期有着显著的区域差异, 且年代际变化特征亦不尽相同。现代暖期的温度存在一个明显的年代际突变, 这一突变是由温室气体含量的变化引起的, 且现代暖期温度变化的空间格局受人为因子影响较大。中世纪暖期温度变化的空间格局主要受太阳辐射变化的影响, 其次是土地利用/覆盖和火山活动。中国的降水变化在两个增暖期其时空格局较类似, 其主要模态均体现为西部与东部反相, 华南与华北反相。影响降水变化空间格局的因子较复杂, 各外强迫因子的作用互补。     

Assessment of three temperature reconstruction methods in the virtual reality of a climate simulation

The performance of statistical climate reconstruction methods in the pre-instrumental period is uncertain, as they are calibrated in a short instrumental period but applied to much longer reconstructions time spans. Here, the virtual reality created by a climate simulation of the past millennium with the model ECHO-G is used as a test bed of three methods to reconstruct the annual Northern Hemisphere temperature. The methods are Composite plus Scaling, the inverse regression method of Mann et al. (Nature 392:779–787, 1998) and a direct principal-components regression method. The testing methodology is based on the construction of pseudo-proxies derived from the climate model output, the application of each of these methods to pseudo-proxy timeseries, and the comparison of their result with the simulated mean temperature. Different structures of the noise have been used to construct pseudo-proxies, ranging from the simulated grid-point precipitation. Also, one sparse and one denser pseudo-proxy network, co-located with two real networks, have been considered. All three methods underestimate the simulated variations of the Northern Hemisphere temperature, but the Composite plus Scaling method clearly displays a better performance and is robust against the different noise models and network size. The most relevant factor determining the skill of the reconstruction appears to be the network size, whereas the different noise models tend to yield similar results.     

全新世火山喷发对温度变化趋势影响的模拟研究

全新世气候变化模拟对了解气候变化的特征和驱动机制具有重要意义。而利用地球系统模式CESM对全新世气候进行瞬变模拟的研究至今还是空白。同时前人只考虑地球轨道参数、温室气体、大陆冰盖、融水这4种外强迫因子作用的模拟结果和集成重建的全新世全球年平均温度的变化呈相反的趋势,尤其是在5.00~0.15 ka B.P.时段差异最为显著,被称为全新世"温度悖论",至于其原因至今尚无定论。因此,文章利用CESM1.0.3,并考虑更全面的外强迫（地球轨道参数、太阳辐射、火山喷发、温室气体、土地利用/土地覆被）对全新世气候变化进行瞬变模拟。基于本文模拟结果分析发现全强迫试验模拟的全球范围合成年平均温度与Marcott等（2013）集成重建的全球年平均温度在5.00~0.15 ka B.P.时段的变化趋势基本一致,均下降0.50℃左右,有效地化解了5.00~0.15 ka B.P.时段的"温度悖论"。研究还发现,此降温趋势主要是由火山喷发外强迫作用导致的,在此时段火山喷发外强迫导致了0.86℃的降温效应,温室气体强迫作用导致0.38℃的升温趋势,而其他外强迫的贡献较小,合计约为-0.02℃。5.00~0.15 ka B.P.时段火山喷发导致降温趋势的原因在于连续增强的火山气溶胶改变了地表辐射平衡,使得地表接收的太阳辐射减少和射出长波辐射增加。

     

末次间冰期早期植被对气候反馈作用的模拟研究

准确理解地质历史时期气候变化的现象和机制, 对预测未来气候变化有重要的启示意义。末次间冰期早期是研究未来气候变化可参考的典型暖期。目前, 基于气候模式模拟的末次间冰期早期温度低于气候记录重建的结果。这一现状的一个潜在原因在于, 这些气候模拟研究中采用的植被数据为工业革命前水平, 忽略了植被动态对气候的反馈作用。本研究利用iLOVECLIM气候模式耦合植被模块VECODE和LPJ-GUESS开展末次间冰期早期(125 ka B.P.)植被动态对气候反馈作用的模拟分析。模拟结果显示, 相比基于工业革命前植被条件模拟得到的温度水平, 耦合动态植被模拟的全球气候更温暖, 但仍略低于记录重建的温度。在大陆/亚大陆尺度, 高纬和北非地区模拟的125 ka B.P. 植被覆盖度明显高于工业革命前水平, 增温幅度也显著高于其他地区; 此外, 末次间冰期早期北非植被覆盖对区域气温的正反馈通过增强的大气环流使低纬地区输送到高纬地区热量增加, 从而表现出对全球气温的正反馈作用。

     

过去2000年全球典型暖期特征与机制的模拟研究

本文利用美国国家大气研究中心(NCAR)的通用地球系统模式(Co mmunity Earth System Model, 简称CESM)的低分辨率版本(CESM1.0.3, T31_g37)在国际国内率先进行了多组过去2000年瞬变积分模拟试验, 在与历史重建资料和观测资料进行对比验证的基础上, 对过去2000年中的典型暖期(中世纪暖期与现代暖期)的特征和成因机制进行了初步探讨, 结果表明: 中世纪暖期太阳辐射加强是导致其"暖化"的主要原因之一, 而温室气体浓度的激增是现代全球变暖的最主要原因; 在中世纪暖期, 自然因子(包括太阳辐射和火山活动)对降水量的影响之和比温室气体的影响高一个数量级; 而在现代暖期, 温室气体对降水量的影响比自然因子(包括太阳辐射和火山活动)对降水量的影响之和高一个数量级; 在不同外强迫条件下的海表温度变化在热带太平洋区域截然不同, 即自然因子影响下为类-拉尼娜态, 而温室气体影响下为类-厄尔尼诺态; 无论在中世纪暖期还是现代暖期, 相对于1000~1850年的平均情况, 沃克(Walker)环流均处于增强状态。