轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟:历史与展望

轨道尺度亚洲气候演化是古气候热点问题之一,其变化过程和机理对理解当前全球变暖下亚洲气候变化具有重要参考意义。最近几十年,基于黄土、石笋、湖泊等载体的轨道尺度亚洲气候重建研究获得显著进展,气候演化历史的基本框架已被构建,不同区域和指标记录之间的差异暗示了气候演化机理的复杂性。数值模拟作为研究气候动力学的重要工具之一,在轨道尺度亚洲气候变化中也得到广泛应用和快速发展。基于此,本文尝试对最近十数年轨道尺度亚洲气候演化机理的数值模拟研究做一简单总结和梳理。目前的数值模拟尚未对地质记录给出的各种变化特征、区域差异等现象,尤其是东亚夏季风的黄土和石笋差异、季风和干旱气候的耦合关系等,给出合理解释。因此,在未来工作中亟须涵盖多轨道旋回的高分辨率瞬变试验,结合良好定年的重建记录,以期对轨道尺度亚洲气候变化机理获得更深入完整的认识。     

兴都库什山及伊朗高原抬升对南亚季风-中亚干旱气候演化影响的模拟研究

新生代以来青藏高原大地形及其周围边缘地形的构造抬升对亚洲气候演化有着深远而复杂的影响。目前的气候代用指标表明南亚季风的开始可以追溯到始新世, 随后在早中新世和晚中新世经历了显著的加强过程。同时, 构造地质证据表明兴都库什山脉和伊朗高原的隆升可能开始于10~12 Ma。兴都库什山脉和伊朗高原作为南亚季风和中亚干旱区之间的天然地理屏障, 其对南亚季风和中亚干旱区气候演化和分异是否有一定的影响, 目前尚未可知。本研究利用高分辨率的大气环流模式系统性评估了兴都库什山脉和伊朗高原对南亚和中亚气候的影响。结果表明, 兴都库什和伊朗高原对南亚季风的加强和中亚干旱区降水的抑制均有贡献。相较而言, 兴都库什山脉对南亚季风的加强和向北扩张起主导作用。兴都库什山脉引起的南亚夏季降水增量达到兴都库什和伊朗高原共同作用的65.6 %。兴都库什山脉抬升后, 南亚地区15° N以北, 尤其是印度半岛中部和西北部夏季降水均显著增加, 阿拉伯海对流层低层的西南风和印度西北部偏南风显著加强。伊朗高原对中亚干旱区的干旱化作用更强, 并以冬季变化为主导。伊朗高原引起的中亚地区冬季降水减少量占兴都库什和伊朗高原共同作用的71.4 %。伊朗高原抬升后, 中亚地区冬季的盛行西风显著减弱, 从而导致降水显著减少。本研究的数值模拟试验表明, 地质记录揭示的南亚季风在晚中新世的加强可能与兴都库什山脉和伊朗高原在该阶段的抬升密切相关。

     

以蒙古高原小地形为例对青藏高原动力气候效应的探讨

青藏高原隆升对亚洲乃至全球气候演化的影响是古气候学热点问题之一。青藏高原的热力和动力效应一直以来受到人们的广泛重视,其中高原对大气环流的阻碍作用被认为在亚洲冬季气候形成中扮演着极其重要的作用。过去的理论及重建研究大都强调青藏高原主体的贡献,忽略了高原边缘中小尺度地形的可能贡献。以青藏高原北边缘蒙古地形为例,现代大气流场显示蒙古地形对冬季对流层低层西风具有明显的阻碍作用。本研究利用一个海气耦合模式评估了蒙古地形对亚洲冬季气候的影响及其同青藏高原主体的相对贡献。结果显示,蒙古高原地形对亚洲西风急流和东亚冬季风具有非常显著的影响。蒙古高原存在时,东亚大槽加深,日本上空的西风急流增强,东亚冬季风环流也增强。该效应主要源自于亚洲大气热力结构的变化,对流层低层西风在蒙古地形的动力强迫下向北绕流,在下游产生强烈的北风异常,有利于极地冷空气南下。该温度冷平流最终导致西风急流和冬季风环流的响应。值得注意的是,青藏高原主体对西风急流和冬季风的贡献要明显弱于蒙古高原。该结果启示我们,传统认识的青藏高原动力效应可能被一定程度高估,亚洲各地形的动力效应不仅同其规模和高度有关,也与其所处位置有关,处于敏感区域的较小尺度地形同样会对亚洲气候形成有不可忽略的影响。     

近年来中等复杂程度地球系统模式的研究进展

近十几年来，地球系统模式领域活跃着一类新兴的模式——中等复杂程度的地球系统模式（EMICs），EMICs以其对计算能力的较低要求和对地球系统的较为完备的描述，使其应用几乎覆盖了简单模式和大气环流模式（CGCMs）的所有研究领域，特别在长期气候变化的模拟方面展现了得天独厚的优势，从而使得在长期气候变化的背景下研究近代气候变化更具现实意义。EMICs已经成为模拟地球系统的有力工具，为目前的CGCMs模拟提供了必要的补充，在简单模式与CGCMs之间架起了一座桥梁。首先回顾了中等复杂程度地球系统模式（EMICs）的发展现状，结合近年来国内外发表的文献探讨了EMICs的基本组成、应用领域，并对EMICs未来的发展趋势进行了预测。     

中全新世和末次盛冰期北大西洋涛动变化及其与亚洲降水的联系:基于MPI-ESM模拟试验

本文利用古气候模式比较计划第三阶段(PMIP3)中MPI-ESM模式模拟输出, 采用主分量分析、回归分析、多窗谱分析等方法, 探讨了中全新世(MH)和末次盛冰期(LGM)北大西洋涛动(NAO)变化及其与亚洲降水的关系。结果表明:MH冬季NAO较现代有轻微增大, 南部高压中心东移; 而LGM冬季NAO明显减弱, 南北气压活动中心转为西南-东北走向。MH冬季强NAO信号可通过海洋记忆效应持续至夏季, 并以准静止Rossby波形式传至东亚地区, 导致乌拉尔山和鄂霍次克海阻高增强、贝加尔湖低压加深, 这种倒"Ω"流场增强有利于冷空气南下, 并通过热成风原理使得副热带西风急流增强, 急流南侧产生上升异常, 有利于该区降水产生; 而LGM时NAO减弱引起夏季倒"Ω"流场减弱, 冷空气南下弱于现代, 使得副热带西风急流减弱, 其南侧产生下沉异常, 最终抑制降水。因此, MH和LGM两阶段的NAO引起大气环流的变化可能对亚洲夏季降水产生影响。     

轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

我国气候变化将比模式预期的小吗？谁驱动了亚洲季风的演化：一个瞬变模拟试验的启示

亚洲季风演化受到地球轨道参数强迫,尤其是岁差所引起日射变化的显著影响,但关于其驱动机制的争议仍然存在,且集中在“零相位”和“南半球潜热”两种假说上。两个假说都得到了部分地质证据的支持,因此亟需相应的数值模拟,尤其是长期瞬变试验的检验。长期瞬变模拟试验可以对气候的连续演变进行模拟,并能与地质证据进行对比,有助于深入认识亚洲季风系统演化的内在物理机制。但由于计算能力的匮乏,过去的古季风数值模拟多为“时间片”模拟,这使得季风变迁机理研究受到限制。文章通过一个海－气耦合模式的长期瞬变试验,讨论了轨道日射的变化特征,证明过去280ka亚洲夏季风降水对日射有十分显著的响应,且与北半球初夏日射变化相位接近,部分支持了“零相位”假说。同时,模拟结果还揭示了随意选取日射参考标尺会导致缺乏内在物理机制的位相关系,合理选择日射参考以及明确地质记录的气候学意义在古季风强迫－响应机制研究中十分重要。