基于PMIP2气候模式模拟的中全新世北大西洋涛动

根据PMIP2中的4个海气耦合模式对中全新世气候的模拟结果,利用现代和中全新世两个时间段的冬季海平面气压场(SLP),分析了北大西洋海平面气压的变化情况并计算了这两个时间段的北大西洋涛动(NAO)指数。结果表明,中全新世亚速尔高压加强,冰岛低压加深,南北气压差增加,NAO强度显著增强。对中全新世北大西洋地区SLP进行经验正交函数(EOF)分析显示,4个模式均能捕捉到了NAO的主要结构。中全新世NAO处于正位相的时间较现代提高了10%~30%,其中MIROC3.2提高了29.3%;虽然NAO指数振幅变化不大,但还是能显示中全新世NAO显著强于现代,这与地质资料恢复的结果相一致。对NAO指数的多窗谱分析显示,现代NAO指数存在3~5 a的准周期变化,中全新世NAO指数存在3 a的准周期变化。NAO对中全新世亚洲地区冬季增温有重要影响。北大西洋地区中纬度海面温度(SST)的增温可能是导致中全新世NAO强度增强的一个重要因素。     

千年时间尺度南亚高压和西太平洋副热带高压关系的时空变化特征

利用全新世的气候模拟结果(KCM)以及1948~2013年NCEP/NCAR 逐月再分析资料, 分析了大型大气环流系统南亚高压和西太平洋副热带高压(以下简称"西太副高")在千年时间尺度上的特征和它们之间的空间位置变化关系以及与东亚夏季风的关系, 并比较了它们与现代气候背景年际时间尺度变化特征的异同。结果表明, 在千年尺度上, 南亚高压的东进(西移)对应西太副高的西伸(东撤)。这与年际尺度上南亚高压与西太副高存在的"相向而行"及"相背而去"的时空特征是一致的。耦合气候模式模拟的全新世9.5ka B.P. 以来东亚夏季风总体呈现振荡减弱趋势。早全新世(9.5~7.5ka B.P.)时期, 东亚夏季风强度较强, 此时南亚高压位置偏东而西太副高位置偏西; 在中全新世(7~4ka B.P.)期间, 东亚夏季风呈现百年尺度大幅振荡, 而此时南亚高压(西太副高)的位置大致位于112°~115°E(145°~155°E)之间; 晚全新世(4~0ka B.P.)期间, 东亚夏季风持续减弱, 对应南亚高压位置向东移动、西太副高位置向西移动。全新世时期(9.5~0ka B.P.), 北半球春季(4月、5月份)赤道地区接收的太阳辐射呈现先减弱,至5~4ka B.P. 期间达到最低值, 之后逐渐增强的变化趋势, 这与南亚高压的位置变化趋势一致, 而与西太副高位置变化趋势相反, 即赤道春季太阳辐射强(弱)时, 南亚高压位置偏东(偏西)、西太副高位置偏西(偏东)。同时, 模拟的全新世热带印度洋-西太平洋夏季温度变化也呈现出与春季赤道太阳辐射一致的变化趋势, 且与南亚高压有显著的正相关关系, 海温的加热作用可以通过激发Matsuno-Gill型大气响应使得南亚高压增强。西太副高主要由哈德莱环流在副热带地区的下沉作用造成, 而热带印度洋-西太平洋夏季的增温可引起哈德莱环流增强, 从而使西太副高的强度增强、面积扩大导致其西脊点位置偏西。因此, 赤道春季太阳辐射可以通过影响热带印度洋-西太平洋夏季温度对南亚高压东脊点和西太副高西脊点的位置产生影响。     

中东亚中全新世气候与植被反馈作用:PMIP2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。由于各个模式之间以及所用的植被模块的差异,它们模拟的气候变化(气温、降水)的幅度有所不同,本文利用PMIP 2中6个模式的模拟结果分析,结果发现,在中全新世轨道因素的影响下,3个区域的平均温度和降水都有所增加。而中全新世植被的变化在: 1)东亚季风区,各个模式模拟的结果也各不相同,其中FOAM,ECHAM5.3-MPIOM127-LPJ和MRI-CGCM2.3.4FA这3个模式的模拟结果显示温度较现代低,而ECBILTCLIOVECODE,UBRIS-HADCM3M2和MRI-CGCM2.3.4NFA模式的模拟结果显示植被的变化导致地表温度较现代高,但各个模式对东亚季风区的中全新世植被变化所引起的降水变化并不理想,并且差异较大; 2)中东亚干旱区,ECBILTCLIOVECODE,FOAM和UBRIS-HADCM3M2模式的模拟结果表现出中全新世植被的变化导致中东亚干旱区夏季平均温度较现代低,而其他3个模式的模拟结果则表现出较现代高的趋势,但除MRI-CGCM2.3.4NFA模式外,其余5个模式均在中国西北新疆地区表现出0.5℃左右的降温,而几乎所有的模式都在中东亚干旱区表现出降水增加; 3)中亚地区,在温度方面,除了MRI-CGCM2.3.4NFA随着植被的变化表现出了较大的增温幅度外,其余5个模式夏季温度随着植被变化不大;而在降水方面,除了FOAM模式外,其他5个模式结果都显示出区域平均降水的增加。由此可见,在中全新世东亚季风区、中东亚干旱区以及中亚地区,除了太阳辐射等因素,植被对气候变化也有重要影响。     

全新世南亚高压南北移动及其与亚洲夏季风降水的关系

南亚高压是亚洲夏季风系统的重要组成部分,它的强度及位置变化对亚洲夏季风降水有非常重要的影响,对其变化特征和物理机制的研究可以加深对亚洲夏季风演化的认识。论文利用一个海-气耦合模式（KCM）,在轨道参数的强迫下模拟了全新世以来（9.5~0 ka B.P.）的气候变化,分析了全新世南亚高压的南北移动特征,并探讨其与亚洲夏季风降水的关系。研究发现,全新世以来南亚高压持续向南移动,同时也反映了对流层上层西风逐渐向南扩张,响应逐渐减少的夏季太阳辐射。早全新世南亚高压偏北主要是由于夏季太阳辐射增加导致伊朗高原感热加热加强。南亚高压的南北移动与亚洲夏季风降水有显著的关系,它与东亚季风区北部和印度季风区降水呈正相关关系,而与东亚季风区南部和西南季风区降水呈负相关关系。偏北的南亚高压在东亚北部上空产生异常反气旋,有利于对流层低层空气辐合上升,降水增加,此外异常反气旋还可以加强西太副高,使得输送到东亚北部的水汽增加。南亚高压偏北时还会在中低纬地区产生异常东风带,减弱了来自孟加拉湾的水汽输入,从而使得东亚南部和西南季风区降水减少。偏北的南亚高压还在阿拉伯海上空产生异常气旋,有利于印度夏季风降水的增加。南亚高压的南北振荡可以部分解释相同轨道强迫下亚洲夏季风降水出现显著空间差异的原因。

     

地球轨道对北大西洋淡水注入影响印度夏季风的调节作用：以8.2 ka和4.2 ka事件为例

北大西洋淡水注入触发的千年尺度气候突变事件发生在不同地球轨道背景下, 理解地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征的调节作用, 对理解未来印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应具有重要的科学意义。本研究利用通用地球系统模式CESM, 探讨印度夏季风在8.2 ka B.P. 和4.2 ka B.P. 对相同北大西洋淡水注入的响应差异。模拟结果显示, 北大西洋淡水注入使得印度夏季风强度显著减弱, 其中夏季风降水变化在这两次事件中没有显著的空间差异, 但变化幅度在4.2 ka B.P. 要显著大于其在8.2 ka B.P., 表明地球轨道参数对印度夏季风千年尺度变率特征具有重要的调节作用。进一步分析显示, 地球轨道并非通过影响温盐环流强度进行调节, 而与夏季太阳辐射的高低有关。在4.2 ka B.P. 时, 在相同的淡水注入下, 由于夏季太阳辐射较低, 加剧了北大西洋的降温, 同时也增强了其对下游大气的冷却作用, 使得欧亚大陆南部对流层中上层大气具有更大的降温幅度, 这进一步削弱了欧亚大陆南部与赤道印度洋对流层中上层大气的经向温度梯度, 从而导致印度夏季风相较于8.2 ka B.P. 具有更大的衰退幅度。因此, 在较低夏季太阳辐射背景下, 印度夏季风对北大西洋淡水注入的响应更为敏感。

     

全新世北大西洋海面温度变化趋势:观测-模拟对比研究

本文利用Kiel Climate Model(KCM模式)对全新世气候的模拟结果及其与北大西洋表层海水温度(sea surface temperature, 简称SST)重建记录的对比, 探讨了全新世北大西洋SST的变化趋势。浮游植物的长链烯酮不饱和度显示低纬北大西洋SST在全新世期间有升高趋势, 而在中纬和高纬地区表现为显著的下降趋势, 尤其是在中纬北大西洋西部, 最大降温幅度达到7.9℃/9.5ka。浮游有孔虫壳体的镁钙比值显示中纬北大西洋东部及高纬北大西洋有增温趋势, 而在中纬北大西洋西部及低纬北大西洋则有降温趋势, 但变化幅度均比较小, 绝大部分在2℃/9.5ka以下。气候模拟结果显示全新世北大西洋SST变化呈现明显的"三核型"经向模态, 在冬春季以增温为主, 降温限于拉布拉多海东南部的北大西洋海域; 在夏秋季以降温为主, 增温限于低纬和高纬北大西洋海域。模拟与重建的对比显示, 中纬和低纬北大西洋的长链烯酮不饱和度指标以及低纬西部的镁钙比指标可能反映夏秋季海温, 中纬北大西洋东部的镁钙比指标可能反映冬春季海温, 而中纬西部和高纬的镁钙比指标可能对4个季节的SST都有所反映。     

3 Ma以来轨道尺度东亚冬季风演化的模拟研究

轨道尺度东亚冬季风变率对认识第四纪东亚环境演化和北半球冰盖演化具有重要的作用。文章利用德国波茨坦气候影响研究所的中等复杂程度地球系统模式(CLIMBER-2)对过去3 Ma气候和环境的模拟结果,探讨了轨道尺度东亚冬季风演化特征及其变化机制。采用两种指数反映东亚冬季风强度,分别指示中纬度西风强度(EAWMU)和东亚北风强度(EAWMV)。CLIMBER-2较好地模拟出了3 Ma以来地球冰期-间冰期旋回特征,以及第四纪以来全球变冷趋势。东亚冬季风在过去3 Ma以来呈现逐渐增强的趋势,EAWMV和EAWMU分别在约2.6 Ma和约1.5 Ma突然增强。EAWMV(EAWMU)在约2.2 Ma(约1.5 Ma)之前主要以20 ka岁差周期为主导,约2.2~1.0 Ma(约1.5~1.0 Ma)的转型期以41 ka倾角周期和20 ka岁差周期为主导,约1.0 Ma之后则均出现100 ka、41 ka和20 ka这3个轨道周期特征,并以100 ka偏心率周期为主导。在约2.2 Ma(约1.5 Ma)之前,EAWMV(EAWMU)主要受控于太阳辐射的直接强迫作用,北半球冰盖的作用相对较弱,在此之后北半球冰盖起主导作用,太阳辐射的直接强迫作用相对较弱。因此,第四纪东亚冬季风与北半球冰盖存在复杂的耦合关系,当冰盖规模较小时,它们的关系很弱;反之,当冰盖规模较大时,它们的联系加强。

     

现代气候条件下降水变化的“西风模态”空间范围及其影响因子初探

全新世轨道-千年-百年-年代际尺度上中纬度亚洲内陆干旱区的湿度/降水变化与东亚季风区呈现出错/反位相的变化,简称为中纬度内陆干旱区气候变化的"西风模态",但至今对气候变化"西风模态"的适用空间范围及其影响因子缺乏深入研究.针对整个中纬度欧亚大陆(30°~60°N,0°~130°E),使用1960~2010年GPCC,CRU和CPC三个降水数据集的逐月降水资料,分别对冬、夏季降水的年际、年代际信号进行EOF分析,发现现代气候背景下的降水变化"西风模态"在夏季年代际尺度表现最为显著,亚洲中部内陆干旱区部分区域的年代际夏季降水与其东部的中纬度东亚季风区和西部的地中海周边地区均呈现出相反变化的空间格局,在中纬度欧亚大陆表现出"-+-"的空间变化模态.据此划分出气候变化"西风模态"核心区域,即西部以里海(约50°E)为界,东部到河西走廊西界(约90°E),南北界限与亚洲中部干旱区南北界线吻合(约36°~54°N),整体相当于中亚和中国新疆干旱区,本文将其命名为"西风模态核心区".依据逐月NCEP/NCAR再分析数据,探讨了亚洲中部干旱区气候变化"西风模态"的成因,发现其不但与中纬度大气环流的纬向波动传播及印度夏季风降水异常之间的共同作用有直接联系,而且与大西洋多年代际振荡(AMO)也密切相关.     

天山地区大气降水氧同位素的影响因素及其对西风环流变化的指示意义

利用全球降水同位素观测网（GNIP）提供的乌鲁木齐大气降水氧同位素（δ¹⁸O_p）观测数据（1986-2003年）,结合和田δ¹⁸O_p数据及天山冰芯δ¹⁸O记录,分析了天山地区δ¹⁸O_p在年内和年际尺度上的变化特征,及其与主要气候要素（温度和降水量）的关系。结果表明,年内尺度上,δ¹⁸O_p与月均温和月降水量均为显著正相关,表现出明显的“温度效应”;年际尺度上,加权平均年δ¹⁸O_p与年均温度却呈现负相关关系,与降水量仍为正相关。近40~50年的天山地区4支冰芯的δ¹⁸O具有整体偏负的变化趋势,与研究区逐步升高的温度呈反向变化,说明在年际至年代际尺度上,这一区域δ¹⁸O_p与温度之间的负相关关系是客观存在的。进一步对研究区水汽来源路径的对比分析发现：δ¹⁸O_p值偏负的高温年份（1997年）的暖季水汽相对更多来源于远源的高纬度区域,而δ¹⁸O_p值偏正的低温年份（1988年）则相对更多来自近源的中、低纬度区域;同时,研究区上风方向的欧亚大陆14个GNIP站点1997年和1988年的暖季加权平均δ¹⁸O_p值存在高纬度区域偏负而中、低纬度区域偏正的特征;这些结果说明年际至年代际尺度上,天山地区δ¹⁸O_p与温度之间的负相关,本质上指示了西风环流南北摆动所引起的水汽来源变化,可以作为西风环流变化的指示器。     

树轮记录的1808年以来神农架地区平均气温的变化

利用采自神农架林区的巴山冷杉树轮样本建立了树轮宽度标准年表（STD）,年表的可靠时段是1808年至2017年（SSS>0.85）。与气候要素进行相关分析发现,树轮年表与多个月份的平均气温相关显著,其中与前一年9月至当年5月（P9C5）平均气温的相关性最高,达到0.56（p < 0.01）。在此基础上,利用STD年表重建了神农架地区过去210年以来P9C5平均气温的变化。重建结果显示,在过去210年间,该地区先后经历了4个偏暖阶段和4个偏冷阶段。空间相关分析结果表明重建序列在1959~2017年间具有较好的时空代表性。此外,该重建结果与邻近地区其他基于树轮资料重建的温度序列有较好的对应关系,进一步验证了该重建序列的可靠性。多窗谱分析结果显示该地区气温变化包含2~8 a周期、准11 a周期、准17 a周期、准27 a周期和准84 a周期。重建序列与海表温度（SST）的空间相关分析结果进一步表明,厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）,太平洋年代际涛动（PDO）和北大西洋涛动（NAO）是可能的周期驱动因子。