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_陈萌萌.pdf

第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，陈萌萌，孙炜毅，刘健，等 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 第四纪研究，（）：，（）：文章编号：（）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陈萌萌，孙炜毅，刘健，宁亮，严蜜，马雅楠，陈少洋（南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，南京师范大学地理科学学院，江苏 南京；可持续发展大数据国际研究中心，北京；江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室，南京师范大学数学科学学院，江苏 南京；青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋气候同位素模拟开放 工作室，山东 青岛；中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安）摘要：太阳活动对东亚夏季风（）变化有着重要的影响。本研究利用通用地球系统模式（）开展了全新世气候瞬变模拟试验，探究了全新世 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 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 降水出现约 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。关键词：东亚夏季风；全新世；太阳活动；古气候模拟；百年尺度中图分类号：文献标识码：开放科学标识码（）收稿，收修改稿 国家自然科学基金项目（批准号：、和）、国家自然科学基金中瑞合作交流项目（批准号：）、可持续发展大数据国际研究中心（批准号：）和江苏省高校优势学科建设项目（批准号：）共同资助 第一作者简介：陈萌萌，女，岁，硕士研究生，地图学与地理信息系统专业，：通讯作者：孙炜毅，：引言季风以近地面盛行风风向随季节有规律变化为主要特征，是全球大气环流的重要组成部分。东亚季风是全球最为活跃的季风环流系统之一，其变化规律对东亚各国社会经济可持续发展等方面具有重要的影响。深入认识东亚季风的变化特征并揭示其成因机制，有助于提高东亚季风的预报能力。全新世（距今 年）是距今最近的一次间冰期，它对人类社会和文明演化有着潜在的影响，它也是深入了解过去气候和环境变化、更好地理解现在和预估未来气候的关键时期，因此，了解全新世气候变化特征及驱动机制至关重要。全新世东亚季风的演变过程与机制是当前学界研究的重点，气候重建工作极大地促进了对全新世东亚季风演变过程的理解，然而，全新世气候代用指标重建结果在反映东亚夏季风（，简称）的长期演变特征上存在争议。中国南部董哥洞、中部三宝洞和北部九仙洞的石笋 记录表明在早全新世东亚夏季风最为强盛，随后东亚夏季风强度呈逐渐下降趋势；同样地，来自中国南方长江流域的神农架大九湖泥炭记录也显示早全新世 最强，气候最为湿润；而公海孢粉、黄土、湖泊等重建记第 四 纪 研 究 年录则显示 最强盛时期出现在中全新世。在百年尺度上，不少学者基于石笋 代用资料发现，全新世以来东亚季风具有明显的约 年的百年周期信号；此外，等对亚洲夏季风区域内的多条高分辨率重建结果进行功率谱分析，发现在中晚全新世期间重建资料显示出 年的百年周期信号。对于东亚季风可能存在的 年的百年尺度周期，已有学者探讨了其成因，比如，等基于和尚洞石笋中的土壤磁性矿物记录重建东亚季风变化，发现其存在着与太阳活动相关的 年周期，认为太阳活动直接影响东亚季风系统；等认为太阳活动通过影响北大西洋和热带太平洋海温变化，二者共同作用引起海气环流变化进而影响东亚季风；通过将济州岛重建记录与太阳总辐照度和热带太平洋沿岸的代用资料进行对比，发现三者具有显著的相关关系，认为太阳活动主要通过改变热带太平洋海温变化影响东亚季风。然而，代用指标时间分辨率存在差异性、空间不均，指示意义也存在不确定性，难以揭示东亚季风百年尺度变化的机理过程。利用地球系统模式进行全新世气候模拟试验可以为解决上述问题提供参考，地球系统模式可以模拟各气候要素场的时空变化特征，定量区分不同外强迫因子的相对贡献。目前针对全新世开展的气候模拟工作主要基于两种方法，其一是固定某一时期的外强迫和边界条件开展平衡态 切片气候模拟试验，如古气候模拟比较计划第二、三、四阶段（，简称 ）开展的中全新世平衡态气候模拟试验；其二是涵盖完整全新世时段的瞬变积分气候模拟试验，目前已发布了多套全新世瞬变模拟数据集，如过去 年的气候瞬变模拟试验（，简称）。然而，基于上述模拟资料，学者们大多侧重于分析全新世长期气候变化趋势或千年尺度气候突变的问题，比如基于 的模拟结果发现，降水自早全新世以来呈下降趋势。另一方面，以往研究发现了太阳活动与 降水之间的关系，比如，靳春寒基于过去千年集合模拟资料（，简称）发现，太阳活动强 年周期会引起类太平洋年代际振荡（，简称）的海温模态，进而在年代际尺度上影响我国北方降水变化；等基于现代器测资料发现，东亚夏季风降水的年代际变化在一定程度上受太阳黑子变化的影响；周天军等利用 模式的过去千年模拟结果探究了东亚夏季风降水的百年尺度变化，并认为太阳活动的百年尺度变化通过改变海陆热力差异来影响东亚夏季风降水。然而，目前的气候模拟工作很少关注全新世以来东亚季风的百年尺度变化过程，已开展的瞬变模拟试验所考虑的外强迫因子主要是地球轨道参数、温室气体、冰盖和淡水注入等，缺乏考虑太阳活动外强迫的作用。尽管有学者基于重建资料结果推测太阳活动影响了全新世东亚季风百年尺度变化，但仍缺乏模拟资料去验证这一猜想，更不清楚太阳活动会如何影响东亚季风的百年尺度变化。为此，本研究将利用通用地球系统模式开展的全新世气候瞬变模拟试验（，简称）结果，探究太阳活动外强迫对全新世 降水百年尺度变化的影响。资料与方法.气候模拟资料 是由美国国家大气研究中心（）推出的通用地球系统模式，我们采用 的 分辨率版本（水平分辨率约为.，垂直方向分为 层；海洋模块在经向 个格点，纬向 个格点，垂直方向分为 层）开展了多个全新世瞬变气候模拟试验。本研究使用其中的 个试验结果进行分析，分别是地球轨道参数试验（，简称）和 太 阳 活 动 试 验（，简称），其中 试验包括了两个效应，分别是太阳常数的变化和地球轨道参数的变化，二者共同作用改变大气顶端接收到的太阳辐射。具体的试验设计见相关文献。需要说明的是，由于受到计算资源和存储空间的限制，模式运行中采用了 倍加速模拟技术，此方法的模拟性能在前人的工作中已得到验证，；此外，太阳活动外强迫数据（）使用的是 等的重建（图 黑线），其变化幅度大约在.至 之间，全时段平均值约为。为了展示全新世太阳活动变化的百年尺度波动变化，我们对这条外强迫序列进行了 年的带通滤波处理（图 红线）。由于该重建的太阳强 期陈萌萌，等：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图 全新世太阳活动变化（单位：）黑色实线为全新世太阳活动重建序列，蓝色虚线为太阳活动全 时段的平均值，红色实线为 年带通滤波处理结果（无量纲）.（：）（）（），（）迫只 包 含 了.的 资 料，因 此试验的时段为.。在这里我们假设太阳活动的作用是基于线性变化的，将与 试验相减结果看作净太阳活动的效应。此外，本文还使用了 开展的过去 年 的 气 候 瞬 变 模 拟 试 验（），。包含地球轨道参数试验、温室气体试验、冰盖试验和淡水注入试验，以及由这 个外强迫因子共同驱动下的全强迫试验。本研究使用 的全强迫试验（，简称）和地球轨道参数试验（）结果进行分析，选择的试验时段为.。.观测 再分析资料 为了验证模式的模拟性能，本文采用全球降水气候计划（，简称）全球降水数据和来自欧洲中期天气预报 中 心 发 布 的 第 五 代 再 分 析 资 料（，简称）的 风场数据，分析时段选取 年。为便于与 和 的模拟结果进行评估验证，本文将观测 再分析数据利用双线性插值到与模式水平分辨率一致，即.。.中国东部南北方夏季降水指数 前人研究发现，全新世以来的不同时间尺度（年代百年千年尺度）中国东部季风区的降水变化均存在南北差异。如代用资料显示中国东部存在全新世降水南北反相变化、或至少是不同步变化的可能。在过去千年特征气候时期（中世纪气候异常期和小冰期），有学者同样发现中国东部降图 年观测 再分析资料和 试验模拟 的夏季气候态（，）降水（填色，单位：）和 风场（箭头，单位：）以及南北降水差异指数的定义范围（蓝色框线）.（，）（，：）（，：）（）水变化呈南北“偶极型”分布特征。在近百年器测时段，等利用来自 个站点 年的降水数据发现，近 年来中国东部夏季降水的年代际变化特征主要由“正负正”三级型转变为南北“偶极型”。可见，中国东部季风区降水的南北差异，即“南涝北旱”“北涝南旱”问题，受到历史学家的广泛关注。因此，本文参考陈建徽等和靳春寒的定义方法，将北方降水区域定义为 和 范围，南方降水定义为 和 范围，并将北方与南方夏季（月，简称）平均降水之差定义为南北降水差异指数，本文采用该指数来衡量 强度。.模拟结果与观测 再分析资料的对比本文使用 的降水资料和 的 风场资料来验证模式模拟的可靠性。图 为观测与模拟的 年东亚夏季降水场和 风场。从图 和 中可以看出，东亚夏季降水总体随纬度增加而减少，模拟的中国东部夏季降水空间分布和 的降水结果相似，其空间相关系数为.，达到了 的置信度；此外，模拟的 风场也与 的第 四 纪 研 究 年环流特征相似，东亚夏季受控于来自西太平洋副热带高压西侧的东南气流，中国东部盛行偏南风。因此，对东亚季风区的模拟是较为合理的。但是，模拟和观测也存在一定的差异，例如，模拟的中国东部偏南风偏强、青藏高原东侧存在虚假的降水大值中心，这些不足普遍存在于现有气候模式中，与水平分辨率等因素有关。表 本文使用的全新世东亚季风区重建资料 序号点位区域资料类型纬度经度时段（）参考文献董哥洞石笋 等，和尚洞石笋 等，乌鸦洞石笋 等，黑风洞石笋 等，狮子洞石笋 等，天门洞石笋 等，祥龙洞石笋 等，公海湖孢粉 等，玛珥湖花粉 等，莲花洞石笋 等，黄土高原黄土磁化率 等，结果分析.降水百年尺度变化特征 重建资料具体来自于表，图 为指代 降水的多条重建资料集合平均结果。由图 可知，代用指标重建的全新世 降水表现为在早全新世先上升，然后在 逐渐下降的趋势。图 为 试验和 试验模拟的全新世东亚夏季降水变化。本文将模式模拟的 降水变化（图 ）与重建资料（图）进行对比，可以发现其趋势演变相似，且我们模拟的全新世 降水变化与 等基于环流指数定义得到的结果较为一致，说明我们模拟结果的合理性和可靠性。在全新世期间，北方 月夏季降水呈下降趋势（图 ），南方降水呈增加趋势（图 ），北方降水和南方降水趋势呈现相反位相变化关系，该特征与学者们基于器测资料发现的中国东部南北方降水位相差异较为相似；而 试验（图）和 试验（图）模拟的中国东部南北方夏季降水指数均在 呈下 降 的 趋 势，且 二 者 的 线 性 趋 势 均 为.，这说明太阳活动外强迫对全新世 降水的长期趋势影响不显著。为了探究太阳活动对 降水百年尺度变化的影响，我们首先比较了在整个全新世时期，和 模拟的中国东部 降水变化的功率谱分析结果。基于 的全强迫试验（图）和地球轨道参数试验（图）的模拟结果显示，全新世 降水变化均无显著的百年尺度周期，这表明地球轨道参数、冰盖、温室气体等外强迫无法引起 降水的百年尺度变化。基于 模拟的结果显示，在 试验中，全新世 降水仅存在约 年的显著周期信号（图）；但在 试验中，在地球轨道参数和太阳活动外强迫的共同影响下，降水 年的百年周期有所加强（图），但仍不显著。我们进一步查看了 期间中国东部 降水变化的功率谱分析结果（图），发现在 试验中，中国东