过去2000年典型暖期北半球温度变化特征及成因分析

过去2000年包含了罗马暖期（Roman Warm Period,简称RWP）、中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly,简称MCA）和现代暖期（Present Warm Period,简称PWP）这3个典型暖期,前人对罗马暖期的关注相对较少。为了更好地对比自然暖期和叠加了人类活动的暖期的温度变化特征及成因,文章利用通用地球系统模式（Community Earth System Model,简称CESM）的过去2000年气候模拟试验资料,在与重建资料和同化资料（Last Millennium Reanalysis,简称LMR）进行对比验证的基础上,对这3个典型暖期北半球的温度变化特征和成因机制进行了初步探讨。结果表明：CESM的全强迫试验能很好地模拟出重建资料与LMR所反映的两个自然暖期（RWP和MCA）以及PWP,PWP相较于RWP和MCA北半球增温幅度明显更大。通过对比单因子敏感性试验结果发现,RWP时期主要受土地覆盖变化的影响,同时太阳活动、火山活动强迫对地表增温有一定调节作用;而MCA时期的火山活动频率相比RWP时期更小,且太阳活动稳定,此时土地覆盖的调节作用相比RWP时期减弱;PWP时期在温室气体强迫驱动下,地表温度增加显著,其贡献远超过火山活动、太阳活动两个外强迫因子,此时土地利用/覆盖强迫对增温显示出负向影响,同时北极涛动增强,进一步加剧PWP时期的增温。

     

全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究进展

气候重建工作的深入开展极大地促进了全新世亚洲季风变化的研究,然而当前重建结果对亚洲季风的演变特征和机理存在很大争议,开展古气候模拟对理解全新世亚洲季风演变的时空特征和成因机制具有重要意义。为此,本文主要从气候模式模拟的角度回顾全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究工作,并将从外强迫和气候系统内部变率这两个角度对机制进行探讨。主要有以下进展:全新世瞬变模拟试验结果反映早全新世以来亚洲季风降水呈下降趋势,这主要受到地球轨道参数的影响,并通过改变海陆热力差异和半球间温度梯度来影响亚洲季风降水。在百年尺度弱季风事件上,模拟的8.2 ka BP时期的亚洲季风弱事件主要是由冰川融水触发,引起大西洋经向翻转环流AMOC减弱并通过大气遥相关导致季风降水减少;而4.2 ka BP时期模式模拟的亚洲弱季风事件主要是受内部变率所主导而并非外强迫因子影响。亚洲季风百年尺度变化的模拟研究主要集中在过去2 000年时段,中世纪气候异常期季风明显增强,而在小冰期逐渐减弱,太阳辐射和火山活动是影响其变化的主导因子,它们通过影响海陆热力差异、印—太海温变化来影响季风变化。     

基于PMIP3和CMIP5模拟结果的过去千年特征时段北极涛动的变率特征及成因分析

利用参与第三次古气候模式评估比较计划（Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase III,PMIP3）过去千年气候模拟试验以及参与第五次耦合模式评估比较计划（Paleoclimate Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5）全强迫历史情景试验的9个地球系统模式模拟试验结果,对过去千年3个特征时段（中世纪气候异常期、小冰期和现代暖期）北极涛动（Arctic Oscillation, AO）的变率及成因进行了分析。通过与NCEP再分析资料的对比发现,模式能够较好地模拟出AO的空间模态及年际变化周期,且大部分模式能够模拟出过去50年AO的增强趋势。过去千年3个特征时段中,不同模式对中世纪气候异常期AO位相的模拟并不一致,但大部分模式显示小冰期AO基本呈现负位相,而现代暖期则表现为显著的正位相,与重建结果一致。基于多模式集合平均的机制分析表明,中世纪气候异常期北极地区海平面气压变化不显著,小冰期北极地区海平面气压显著偏正,现代暖期海平面气压显著偏负,这与现代暖期北极温度偏高而小冰期北极温度偏低有关。过去千年中,小冰期和现代暖期的AO变率分别受自然外强迫和人为外强迫的影响。     

过去2000年3个典型暖期北半球季风降水的模拟研究

理解北半球季风降水在暖期的变化特点及其对外强迫的响应对现代社会经济发展至关重要。文章基于通用地球系统模式（CESM）过去2000年气候模拟试验结果和气候同化资料（LMR）,探究罗马暖期、中世纪气候异常期和现代暖期北半球季风降水的特征及其成因机制。结果表明：在这3个典型暖期中,北半球季风降水都呈现增加的趋势,其降水异常场的空间分布是相似的,但是3个暖期的季风降水强度截然不同,罗马暖期和中世纪气候异常期降水强度相似,而现代暖期季风降水强度明显强于前两个暖期,其降水异常值约为前两个暖期的1.2倍。3个暖期的降水增多均由热力作用主导,其中罗马暖期和中世纪气候异常期主要受到太阳辐射增强而引起的热力作用增强的影响,火山活动微弱导致的动力作用增强也有一定的贡献;而在现代暖期,太阳辐射和火山活动对于热力、动力的贡献与前两个暖期相似,但是温室气体增多引起热力、动力作用显著增强,从而导致现代暖期总的热力、动力作用都明显高于前两个暖期。

     

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。

     

历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展

本文总结了历史时期中国东部年代际干旱时空特征及成因机制的最新研究进展。作为典型季风区, 中国东部年代际干旱均与典型的弱季风事件相关, 空间特征上呈现出南涝北旱或者全区干旱的模态。成因机制方面, 年代际干旱由气候系统内部变率(PDO、AMO)和外强迫(包括火山活动、太阳辐射、温室气体、人为气溶胶、土地利用等)共同作用引发, 其中, 气候系统内部变率主要对年代际干旱起到触发作用, 外强迫对干旱强度和持续时间起到加剧作用; 此外, 外强迫还通过改变气候系统内部变率的频次和强度来改变年代际干旱的频次、强度、持续时间; 最后, 本文还探讨了历史时期中国东部年代尺度干旱研究中未解决的问题及未来研究方向。

     

全新世太阳活动对东亚夏季风百年尺度变化影响的模拟研究

太阳活动对东亚夏季风(EASM)变化有着重要的影响。本研究利用通用地球系统模式(CESM)开展了全新世气候瞬变模拟试验, 探究了全新世EASM降水百年尺度的变化特征及其对太阳活动外强迫的响应机理。结果表明: 在变化趋势上, 模拟的全新世以来EASM降水呈减弱趋势, 主要受地球轨道参数外强迫的影响。在百年尺度上, 中全新世以来太阳活动外强迫引起EASM降水出现约430年的周期变化特征, 这与高分辨率重建资料记录的周期相似。这一百年尺度变化的空间主模态呈南北偶极型分布, 北方降水与太阳活动存在显著的同期正相关, 当太阳活动增强时东亚海陆热力差异加强, 陆地海平面气压降低, 引起异常的气旋性环流, 有利于北方降水增多。南方降水与太阳活动呈负相关并滞后于太阳活动, 太阳活动通过调制赤道太平洋类拉尼娜态的海温梯度, 引起西北太平洋风-蒸发-海温的正反馈机制, 触发异常的西北太平洋气旋性环流, 从而导致南方降水减少。

     

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。

     

全新世北半球中纬度降水变化对不同外强迫响应的模拟研究

北半球中纬度(30°～50°N)降水变化一直是当今社会关注的热点。文章基于重建资料、气候系统模式CCSM开展的Tra CE-21 ka瞬变试验和地球系统模式CESM完成的NNU-12k瞬变加速气候模拟试验结果,探讨了全新世以来中纬度降水变化趋势及其对外强迫的响应。结果表明:全新世以来重建的中纬度降水呈增加趋势,在距今10～7 ka,Tra CE-21 ka全强迫试验模拟出了这一趋势,主要受陆地冰盖衰退、淡水注入和轨道参数(ORB)的共同影响。在7～0 ka,NNU-12k的ORB试验与重建的降水增加趋势一致,但主要集中在海洋地区。两个模式均模拟出了欧亚大陆中纬度地区比北美大陆干燥的趋势特点,并发现是ORB的作用引起的;而温室气体(GHGs)主要对欧亚大陆降水增强有所贡献,但不能抵消ORB的负贡献。然而,模拟的中纬度降水对全新世以来ORB、GHGs的响应存在模式依赖性,这是今后重建-模拟资料对比时需要考虑的重要因素。     

过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530～700、1200～1460和1600～1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等...