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。     

过去千年气候变化的数值模拟研究进展

在阐述千年气候变化研究意义的基础上,围绕着如何利用气候系统模式来对过去千年的气候变化进行归因模拟、以理解其中自然和人为因素的作用问题,总结和评述了国际上相关研究进展,进一步归纳了千年气候变化数值模拟中亟待解决的科学问题,重点包括千年气候演变中自然变率特征时段(即中世纪暖期和小冰期)与人类活动影响时段(即20世纪气候变暖)的气候差别,在中世纪暖期、小冰期和20世纪气候变暖这3个特征时段上,自然变化和人类活动影响的作用与机制比较、中国过去千年气候演变的模拟等,随后,扼要介绍了国家自然科学基金重大项目"中国地区树轮及千年气候变化研究"之课题"中国千年气候变化数值模拟与机理研究"的主要研究内容.     

中纬度亚洲现代间冰期气候变化的“西风模式”讨论

中纬度亚洲地区存在主要受季风环流影响的东南部湿润地区(简称季风区)和主要受西风环流控制的内陆干旱区(包括青藏高原北部高寒干旱区,简称西风区)。根据对近年来新发表的气候变化记录证据梳理总结,发现西风区在中—晚全新世气候湿润,与亚洲季风在早—中全新世强盛的格局显著不同。过去千年的西风区中世纪暖期干旱,而小冰期相对湿润,与此相对,万象洞石笋氧同位素记录则显示季风降水在中世纪暖期时整体处于高值,在小冰期处于低值段。在近百年,尤其是近50a,西北干旱区湿度增加,而季风影响范围内的西北东部和华北等地变得更干。不仅如此,在分属西风和季风影响区的青藏高原北部和南部,年代际—百年尺度上降水变化也表现出反相位关系。据此我们提出,亚洲中部西风带控制区在现代间冰期从数千年到年代际的各个时间尺度上均存在不同于季风区的湿度(降水)变化模式,称之为现代间冰期气候变化的西风模式。     

近千年来三个气候特征时期东亚夏季风的模拟对比

利用全球海气耦合气候模式ECHO-G的近千年连续积分资料,选取与降水关系较好的东亚夏季风指数,对不同气候特征时期的东亚环流及季风影响因子进行了探讨.结果表明用海陆热力差异定义的东亚夏季风指数Isun在年际尺度上较好地体现了长江流域及华北地区降水的变化,而利用850 hPa纬向风场定义的指数Iwang在年代际尺度上较好地体现了长江流域的降水变化.从不同气候特征时期的环流来看,中世纪暖期夏季风最强,东亚大陆降水明显偏多,现代暖期夏季风较之有所减弱,而小冰期则是夏季风最弱的时期,东亚大陆的降水明显偏少.不同气候特征时期夏季风指数与海温的相关表明,ENSO事件对东亚夏季风的影响在现代暖期有所增强,而与外部强迫因子的相关揭示出中世纪暖期有效太阳辐射变化是影响东亚夏季风变化的主要因子,现代暖期则是温室气体对夏季风的影响更重要.     

过去千年3个特征时期东亚冬夏季风关系的模拟研究

使用美国大气研究中心开展的过去千年集合模拟试验（Community Earth System Model-Last Millennium Ensemble,简称CESM-LME）数据,对过去千年（公元850~2005年）3个重要的特征时期——中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期的东亚冬、夏季风关系,尤其是年代-多年代尺度上的关系进行了对比研究。结果表明：在年代和多年代尺度上,由自然外强迫主导的中世纪气候异常期和小冰期及人类活动主导的现代暖期,东亚冬、夏季风均呈负位相变化形势,但影响二者关系的机制在3个时期并不相同。研究发现,太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation,简称PDO）可能是造成前两个特征时期东亚冬、夏季风反位相变化的主要原因,大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation,简称AMO）的作用相对较小。现代暖期AMO的作用有所加强,与PDO的作用相当,同时夏季风环流对PDO和AMO的响应较前两个时期强,且响应特征有所不同,这可能与人类活动有较大关系。另外在人类活动作用下,季风指数的定义方法可能会对季风关系的研究结果产生影响,这是未来预估研究中需要留意的地方。

     

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。      

欧亚大陆中世纪暖期与小冰期温度变化的区域差异分析

根据集成多来源代用资料新建的欧洲过去1500年和亚洲过去1200年温度变化数据集,采用旋转经验正交函数分解方法将欧亚大陆划分为11个温度变化区;分析了各区在中世纪暖期和小冰期期间的显著温暖、寒冷时段和温度变幅以及中世纪暖期以来各区的百年最大升温速率。结果显示：1）在800~1350年间欧亚大陆各区均存在显著的温暖时段,但其起讫时间及暖峰出现年代和温暖程度却存在显著差异;其中欧洲、亚洲中部各区多始于9世纪前期,亚洲东部各区则多始于10世纪中前期,印度南部最迟（始于13世纪）,且多数区域曾被其间的多年代际转冷而分割为2~3个温暖时段;偏暖区域最多的时段为1001~1020年,11个区域中有9个显著偏暖;温暖程度最显著的区域出现在欧洲北部和亚洲中部及东亚东部,其暖峰的年代温度距平皆达相应区域20世纪最暖10年的一半以上。2）在1400~1900年间欧亚大陆各区均存在显著的寒冷时段,尽管其起讫年代也存在差异,但各区寒冷时段出现的时间较中世纪暖期更为同步,其中1581~1610年所有11个区均显著寒冷,1830s也有10个区域表现为气候寒冷。寒冷程度最显著的区域出现在欧洲西部、亚洲中部及东亚,其冷谷年代的温度皆比过去千年各区平均温度低1.5倍标准差以上。3）20世纪增暖在欧亚大陆的所有区域几乎同步,且多数区域现代暖期的百年最大升温速率高于此前至中世纪暖期。上述区域差异可能是因历史冷、暖期主要受太阳、火山活动和气候系统内部变率等自然因素驱动,而20世纪暖期则受人为导致的温室效应增强主控。然而,受代用资料对温度变化响应的时空敏感度不一和时空分布不均等影响,现有研究结果仍存在显著不确定性。

     

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。     

长江下游升金湖沉积物记录的过去千年高分辨率气候环境变化

中国东部季风区气候格局具有强烈的时空差异,加强过去千年高分辨率气候变化历史重建及其机制研究对于深刻认识中国东部当今及未来气候变化趋势以及制定应对策略具有重要科学意义。本研究以长江中下游地区典型湖泊升金湖长度为86 cm的沉积岩芯为研究对象,在AMS ¹⁴C测年数据建立可靠年代框架的基础上,利用沉积物粒度、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、碳氮比（C/N）和无机碳（IC）等指标高分辨率重建该流域过去千年以来的气候环境变化。研究结果表明：1）阶段Ⅰ（1000~1350 A.D.）,对应中世纪暖期,平均粒径相对较细,TOC、TN、C/N较低,说明湖泊水位总体较高,1100 A.D.后粒度粗粒成分增多和IC波动增长,表明流域气候逐渐向干旱化状态转变;2）阶段Ⅱ（1350~1600 A.D.）,进入小冰期前期,平均粒径和IC含量进一步降低,TOC、TN、C/N上升,指示湖泊水位持续升高,气候偏湿润;3）阶段Ⅲ（1600~1850 A.D.）,进入小冰期后期,平均粒径增大,表明湖泊流域降水减少,水位下降,流域内湿地植被发育从而使得TOC、C/N增大,IC也迅速增加,湖泊流域气候较为干旱;4）阶段Ⅳ（1850~2000 A.D.）,对应现代暖期,平均粒径下降,IC降低,湖泊水位再次上升,气候总体呈暖湿状态,TOC、TN、C/N受气候和人类活动共同影响而持续增长。区域重建结果对比表明,中世纪暖期和小冰期升金湖沉积物记录与长江中下游地区其他研究结果记录的干湿变化较为一致。进一步将升金湖记录与近千年来的东亚夏季风环流、ENSO以及太阳辐照度等记录进行对比分析发现,该地区过去千年以来的气候变化不仅受东亚夏季风变化控制,同时还受到ENSO状态及太阳辐照度变化等显著影响。在中世纪暖期和小冰期后期,以拉尼娜态为主,太阳辐照度较强,升金湖地区气候较为干旱;小冰期前期和现代暖期以厄尔尼诺态为主,升金湖地区气候较为湿润;现代暖期后,升金湖地区气候变化与太阳辐照度关系不明显,推测可能受人类活动影响更为强烈。

     

北半球及其各大洲过去1200年温度变化的若干特征

利用近年来发表的北半球、北半球各大洲及中国近千年温度序列, 分析了年代至百年尺度上北半球和中国温度变化之间的异同性、北半球各大洲百年尺度典型暖期和典型冷期的位相差异, 并比较了中世纪典型暖期与20世纪暖期的温暖程度差异。结果表明:1)在150~200年周期段, 北半球和中国平均温度变化主要受太阳活动的影响, 具有相似的变化特征; 2)在50年和100年的尺度上, 北半球和中国温度的变化速率具有相似性, 近150年来二者都表现出持续的增温趋势; 3)北半球洲际尺度上不存在起止时间相近的百年尺度典型暖期和冷期; 4)北半球、中国及其他大洲最近30年(1971~2000A.D.)的温度较中世纪(800~1250A.D.)任何30年时段都要高, 而最近100年(1901~2000A.D.)的温度只有北极地区显著高于中世纪最暖100年。     

过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的模拟研究:基于PMIP3气候模式

本文利用古气候模式比较计划第三阶段（PMIP3）10个耦合模式结果研究了过去千年北大西洋热带气旋生成潜势的空间特征。对于影响热带气旋生成的大尺度环境场而言,模拟结果表明中世纪暖期（950~1200A.D.）热带气旋潜在强度相对于小冰期（1600~1850A.D.）在北大西洋普遍增强,尤其是中纬度地区。中世纪暖期垂直风切变在10°~30°N之间的纬度带显著减小,而对流层中层相对湿度和低层绝对涡度在北大西洋东部增大。基于热带气旋生成潜势指数,中世纪暖期大尺度环境条件有利于热带气旋在北大西洋的生成和发展。同时,中世纪暖期热带气旋高空引导气流为东风异常,有利于热带气旋登陆北美地区。在百年尺度热带气旋气候态的角度,模拟结果与地质证据基本一致。此外,敏感性试验结果表明太阳辐射增加和火山活动减少对中世纪暖期北大西洋热带气旋生成潜势增加均有作用。

     

Barrier island response to late Holocene climate events, North Carolina, USA

The Outer Banks barrier islands of North Carolina, USA, contain a geologic record of inlet activity that extends from ca. 2200 cal yr BP to the present, and can be used as a proxy for storm activity. Optically stimulated luminescence (OSL) dating (26 samples) of inlet-fill and flood tide delta deposits, recognized in cores and geophysical data, provides the basis for understanding the chronology of storm impacts and comparison to other paleoclimate proxy data. OSL ages of historical inlet fill compare favorably to historical documentation of inlet activity, providing confidence in the technique. Comparison suggests that the Medieval Warm Period (MWP) and Little Ice Age (LIA) were both characterized by elevated storm conditions as indicated by much greater inlet activity relative to today. Given present understanding of atmospheric circulation patterns and sea-surface temperatures during the MWP and LIA, we suggest that increased inlet activity during the MWP responded to intensified hurricane impacts, while elevated inlet activity during the LIA was in response to increased nor'easter activity. A general decrease in storminess at mid-latitudes in the North Atlantic over the last 300 yr has allowed the system to evolve into a more continuous barrier with few inlets.     

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。     

中世纪温暖期升温影响中国东部地区自然环境的文献证据

利用丰富的历史文献, 研究了中世纪暖期中国东部地区增温对其他自然要素的影响。发现中世纪暖期升温迅速, 在增温最快的40a间, 每10a平均升温超过了0.5℃。冬季开始日期延后, 冬小麦、茶树、柑橘、甘蔗等作物的分布区向北扩展, 亚热带北界和暖温带北界均向北移动了一个纬度左右。而从降水格局的变化来看, 华北降水偏多, 导致了黄河多次改道、河患频繁。农牧交错带地区亦相对湿润, 农业得到发展。同时, 中世纪温暖期太湖地区水面抬升, 排水困难, 水系格局发生变化, 可能也与升温导致海平面上升有关。     

NAO在末次冰盛期和全新世对AMOC影响的对比研究

大西洋经向翻转环流(AMOC)的年代际变率对气候变化起着重要的调制作用。在现代气候背景下, 北大西洋涛动(NAO)加强能使AMOC增强, 但这种关系在更长时间尺度上是否成立尚不清楚。本研究利用TraCE-21ka模拟资料, 对比分析末次冰盛期(LGM)和全新世时期NAO对AMOC影响的异同。结果表明, LGM时期较全新世时期经向温度梯度偏强, NAO位置偏南, 这导致NAO与AMOC关系的不同: NAO的增强在LGM时期可以使AMOC增强, 而在全新世使AMOC减弱。具体地, 在LGM时期NAO的加强使北大西洋副极地气旋性环流增强, 其南支导致向北的高盐海水输送增加, 从而使北大西洋副极地区域密度升高, AMOC增强。与此同时, NAO正位相还能在中纬度激发异常的Ekman下沉流使AMOC加强。相反, 在全新世时期, NAO正位相导致北大西洋副极地地区气旋性环流减弱, 这导致中纬度向高纬度输送的高盐度海水减少, AMOC减弱。本研究表明NAO与AMOC的关系在很大程度上取决于不同气候背景下NAO的位置。

     

Blueprints for Medieval hydroclimate

According to tree ring and other records, a series of severe droughts that lasted for decades afflicted western North America during the Medieval period resulting in a more arid climate than in subsequent centuries. A review of proxy evidence from around the world indicates that North American megadroughts were part of a global pattern of Medieval hydroclimate that was distinct from that of today. In particular, the Medieval hydroclimate was wet in northern South America, dry in mid-latitude South America, dry in eastern Africa but with strong Nile River floods and a strong Indian monsoon. This pattern is similar to that accompanying persistent North American droughts in the instrumental era. This pattern is compared to that associated with familiar climate phenomena. The best fit comes from a persistently La Niña-like tropical Pacific and the warm phase of the so-called Atlantic Multidecadal Oscillation. A positive North Atlantic Oscillation (NAO) also helps to explain the Medieval hydroclimate pattern. Limited sea surface temperature reconstructions support the contention that the tropical Pacific was cold and the subtropical North Atlantic was warm, ideal conditions for North American drought. Tentative modeling results indicate that a multi-century La Niña-like state could have arisen as a coupled atmosphere–ocean response to high irradiance and weak volcanism during the Medieval period and that this could in turn have induced a persistently positive NAO state. A La Niña-like state could also induce a strengthening of the North Atlantic meridional overturning circulation, and hence warming of the North Atlantic Ocean, by (i) the ocean response to the positive NAO and by shifting the southern mid-latitude westerlies poleward which (ii) will increase the salt flux from the Indian Ocean into the South Atlantic and (iii) drive stronger Southern Ocean upwelling.