第四纪研究  2017, Vol.37 Issue (5): 999-1008   PDF    
末次冰盛期和全新世中期东亚地区水汽输送的模拟研究
姜大膀①,② , 田芝平①,②     
(① 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029;
② 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101)
摘要:利用国际古气候模拟比较计划最新第3阶段中9个气候模式针对末次冰盛期、13个气候模式针对全新世中期的数值试验数据,集中研究了这两个时期东亚地区的水汽输送变化。结果表明,相对于工业革命前期,末次冰盛期东亚地区冬季异常水汽输送主要来自跨赤道气流和西北太平洋,东亚大陆沿岸及其临近海域为主要的水汽异常辐合区,对应冬季净降水量增加,异常辐散区主要位于热带海洋和西北太平洋,净降水量减少;夏季,东亚地区异常水汽输送通量以辐散为主,大部分地区净降水量减少,对应东亚夏季风减弱。全新世中期东亚地区冬季水汽输送变化较弱,东南部及临近海域和赤道中太平洋为异常辐散区,不利于冬季净降水;夏季异常水汽输送分别来自热带中西太平洋广阔洋面和西北太平洋异常反气旋式环流西南侧,东亚大陆大部分地区为水汽异常辐合区,夏季净降水量增加,对应东亚夏季风增强。两个时期外强迫驱动下的经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化是上述冬、夏季东亚水汽输送异常的主因。
主题词末次冰盛期     全新世中期     东亚地区     水汽输送     模拟    
中图分类号     P534.63;P532                     文献标识码    A

1 引言

近几十年来,大气和海洋环流等气候系统分量模式及其耦合模式快速发展,已成为研究过去、现在和未来气候及其变化的重要工具。一方面,全球气候耦合模式在模拟现代气候和气候变化方面已经取得了丰硕成果[1];另一方面,利用气候模式模拟过去气候变化有助于我们更好认识和理解现代气候,从而提高模式对未来气候变化预测和预估的可信度[2]。古气候模拟是过去气候变化领域的核心内容,将模拟试验与代用资料相结合可以揭示过去气候自然变化的原因,这对于研究古气候变化以理解当代气候、预测和预估未来气候有重要意义。

末次冰盛期(Last Glacial Maximum, 简称LGM; 距今约21000年,或称之为末次冰盛期、末次冰期冰盛期)和全新世中期(距今约6000年,或称之为全新世大暖期、全新世气候适宜期)是轨道尺度上两个十分重要且被广为研究的时段,前一时期全球气候较现在偏冷偏干,后者则偏暖偏湿[3]。为了从动力学机理上认识这两个极端冷暖时期气候变化成因,国际古气候模拟比较计划和耦合模式比较计划先后采用不同复杂程度的气候模式针对全球和区域气候进行了大规模的数值模拟试验[4, 5]。聚焦于东亚地区,国内外学者利用区域气候模式、全球大气和海气耦合模式已就两个时期的温度、降水、季风和冻土等变化相继开展了一系列模拟和分析研究[6~11],并与大量地质记录进行了对比,取得了诸多成果。这些研究揭示,相对于参考时期,尽管不同气候模式结果之间存在一定差异,但大多数模式模拟表明末次冰盛期中国区域年和季节温度下降、降水减少、东亚夏季风减弱、冻土显著扩张;而全新世中期年和冬季降温、夏季升温,年和夏季降水增加、冬季降水减少,东亚夏季风增强;在大尺度范围内,全新世中期我国年均温度模拟偏冷与重建的偏暖反向,其他大部分模式结果则与地质记录定性一致,但在变化幅度和区域尺度上仍存在差别,且耦合模式相比大气模式与地质记录更为接近。上述模拟结果主要是对两个时期外强迫的直接响应,海洋和植被反馈则起一定的调制作用。

水分循环是与温度、降水和季风等要素紧密相关的一个重要过程,它涉及到气候系统中大气、海洋、陆地和生物圈各子系统,直接关系到人类生活和生产活动,因而具有重要的研究意义。作为全球大气环流的重要组成部分,东亚季风,尤其是夏季风,从太平洋、孟加拉湾和中国南海带来大量水汽到达东亚大陆,故季风环流对水汽输送过程有重要作用,进而影响东亚降水;大量研究指出,我国降水的多寡、雨带的北进和南撤都与东亚季风水汽输送的进退关系密切,在区域水分平衡中起着重要作用[12~15];由于经向和纬向水汽输送分量的大小不同,东亚季风区与南亚季风区、我国东部季风区与西北干旱-半干旱区的水汽输送特征存在明显的差异[16~18],且有研究表明夏季来自印度季风区的水汽输送与东亚上空水汽输送具有反相变化的特征[19]。需要指出的是,以往研究主要关注的是现代水汽输送特征,尚未有工作针对过去极端冷暖时期东亚地区水汽输送进行专门的模拟分析研究。另一方面,降水中稳定氢氧同位素的空间分布可以很好地示踪和反演大尺度降水的水汽来源和水汽输送路径[20],而我国南方石笋氧同位素、青藏高原冰芯中稳定同位素记录记载着冰期/间冰期尺度上重要的气候变化信息,这些记录很有可能代表的是当时的降水氧同位素信息,从而反映过去大气降水来源和路径[21~24]。因此,开展末次冰盛期和全新世中期东亚地区水汽输送的模拟分析与机制研究,对于解译我国石笋、冰芯等地质记录有参考意义。

鉴于以上认识,我们使用现阶段最新气候模式的模拟试验数据,集中研究了末次冰盛期和全新世中期东亚地区水汽输送变化,重点关注的是多模式集合平均结果及其内在的动力学机制。

2 模式资料

末次冰盛期和全新世中期气候模拟试验数据来自于国际古气候模拟比较计划[25, 26]最新第3阶段中的14个全球大气-海洋和大气-海洋-植被耦合模式(以下统称为耦合模式);其中,9个模式开展了末次冰盛期气候模拟试验,13个模式开展了全新世中期数值试验,这两个时期的参考试验均为工业革命前期气候试验。以上14个模式的基本信息请参见表 1,其水平分辨率分布范围为近似3.75°×3.7°~近似1°×1°,平均水平分辨率约2.5°×2°。由于不同模式水平分辨率不同,为了更好研究东亚地区水汽输送,采用双线性插值法将低分辨率模式、距离加权平均插值法将高分辨率模式数据统一插值到2.5°×2°中等水平分辨率的经纬度格点上。本文将利用上述多个模式模拟试验的算术平均结果,分别分析末次冰盛期和全新世中期东亚地区水汽输送的大尺度特征。

表 1 气候模式及其数值模拟试验的基本信息 Table 1 Basic information about the climate models and experiments

末次冰盛期试验的边界条件包括地球轨道参数[27]、陆地冰盖、地形、海陆分布以及大气温室气体浓度变化;末次冰盛期(工业革命前期)大气二氧化碳、甲烷和氧化亚氮浓度分别为185ppm、350ppb和200ppb(280ppm、760ppb和270ppb)。全新世中期试验的边界条件包括地球轨道参数和大气温室气体浓度变化,前者导致该时期大气层顶入射太阳辐射的季节循环在北半球增加、南半球减少[27];全新世中期和工业革命前期大气二氧化碳浓度均为280ppm,大气甲烷浓度分别为650ppb和760ppb。末次冰盛期和全新世中期试验中,海洋表面温度均由海洋模式计算所得;植被在大气-海洋耦合模式中固定为工业革命前期植被,而在大气-海洋-植被耦合模式中由植被模式模拟所得。有关这两个时期气候模拟更为详细的边界条件和试验设计请参阅相关文献[5, 25, 26]

3 结果分析 3.1 末次冰盛期水汽输送

本文分别对冬、夏季整层和单层(850hPa)水汽输送通量进行了分析,考虑到300hPa以上大气中水汽量很小,因而整层水汽输送通量从地表积分到300hPa。图 1a1b是9个模式集合平均模拟的末次冰盛期冬、夏季整层水汽输送通量及其散度相对工业革命前期的变化。由图 1a可知,造成该时期冬季东亚降水变化的异常水汽输送通道主要有两支:一支是跨赤道气流途经北印度洋、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛和南海给我国南部带来的异常西南气流水汽输送,另一支是来自西北太平洋途经日本、朝鲜半岛、黄海和渤海给我国东部带来的异常偏东气流水汽输送;前者主要受南亚季风影响且以经向水汽输送异常为主,后者则主要是纬向水汽输送异常。这两支水汽在我国东部汇合后,在中纬度异常东风气流的作用下继续向东亚内陆输送。与之相对应,我国南部和东部沿海地区及其临近海域、朝鲜半岛和日本海的水汽输送通量散度为较大的负异常,表明这些地区为水汽输送通量的异常辐合区。由于在气候态时间尺度上,单位气柱内整层水汽输送通量的辐合或辐散与该气柱内净降水量(降水量减蒸发量)的增加或减少近似平衡[16],因而上述异常水汽输送通量的辐合区对应着冬季净降水量的增加(图 2a);相反,孟加拉湾南部、中国南海大部和西北太平洋为水汽输送通量的异常辐散区,冬季净降水相应减少(图 2a)。

图 1 相对于工业革命前期,末次冰盛期和全新世中期整层水汽输送通量(箭头,单位:kg/m/s)及其散度(填色,单位:mm/day;负值代表辐合,正值代表辐散)变化 (a,b)为9个模式的结果,(c,d)为13个模式的结果;(a,c)为冬季(12~2月平均),(b,d)为夏季(6~8月平均);整层水汽输送通量从地表积分到300hPa Fig. 1 Relative to the pre-industrial period, the LGM and mid-Holocene changes of water vapor transport flux(arrows, units: kg/m/s)and its divergence(shading, units:mm/day; negative represents convergence and positive represents divergence).(a, b)are results of 9 models, (c, d)are results of 13 models; (a, c)are for winter(December, January, and February), (b, d)are for summer (June, July, and August). The water vapor transport flux is integrated from the surface to 300hPa

图 2 相对于工业革命前期,末次冰盛期和全新世中期净降水量(降水量减蒸发量,单位:mm/day)变化 (a,b)为9个模式的结果,(c,d)为13个模式的结果;(a,c)为冬季(12~2月平均),(b,d)为夏季(6~8月平均) Fig. 2 Relative to the pre-industrial period, the LGM and mid-Holocene changes of net precipitation(precipitation minus evaporation, units: mm/day). (a, b)are results of 9 models, (c, d)are results of 13 models; (a, c)are for winter (December, January, and February), (b, d)are for summer(June, July, and August)

夏季,末次冰盛期东亚地区异常水汽输送通量以辐散为主,主要的水汽输送通道有两支,来自西北太平洋的水汽一支沿着西北太平洋异常气旋式环流西侧途经东北、华北和华南沿海向热带西太平洋输送,另一支沿着中纬度异常东风气流向亚洲内陆输送(图 1b);相应的,我国大部分地区以及西北太平洋、北印度洋、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛和中国南海均为水汽输送通量的异常辐散区,从而引起夏季净降水量减少(图 2b),而热带西北太平洋、朝鲜半岛附近海域和亚洲内陆局部为较弱的水汽输送通量异常辐合区,夏季净降水量有所增加(图 2b)。在中国东部,多模式模拟的末次冰盛期夏季净降水减少与以往的模拟试验结果一致[6],与模拟的东亚夏季风显著减弱相对应[8, 28, 29],而且与根据湖泊水位、孢粉、石笋和古土壤等多源代用资料在多点位上重建的总体变干吻合[10]

由于整层水汽输送主要集中在对流层低层,且以850hPa最为典型,图 3a3b进一步显示了该层次末次冰盛期冬、夏季水汽输送通量及其散度变化。注意到850hPa异常水汽输送的大尺度空间分布与整层水汽输送相似,但前者量级远小于后者。冬季,东亚地区低层的两支异常水汽输送通道更为明显,分别为跨赤道气流途经北印度洋、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛和中国南海带来的水汽以及来自西北太平洋途经日本的水汽,二者在东亚大陆沿岸汇合(图 3a)。该层次冬季水汽输送通量的异常辐合区主要位于印度东部、中南半岛以东海域、东海和黄海以及日本海,有利于这些地区冬季净降水量增加;孟加拉湾南部、中南半岛大部及其以南海域是水汽输送通量的主要异常辐散区,西北太平洋也是弱的异常辐散区,抑制了冬季净降水(图 2a)。夏季,东亚地区低层水汽输送通量仍然以异常辐散为主,来自西北太平洋的水汽主要沿西北太平洋异常气旋式环流西侧向热带西太平洋输送(图 3b),使得热带西太平洋净降水量增加,而东亚其他大部分地区净降水量减少(图 2b)。由此可见,无论冬季和夏季,末次冰盛期整层和850hPa水汽输送相对工业革命前期的变化彼此十分相似,且均与东亚地区的净降水量变化有很好的对应关系。

图 3图 1,但为850hPa水汽输送通量(箭头,单位:10-3m/s)及其散度(填色,单位:10-3/day)变化空白区表示地形高度大于1500m的区域 Fig. 3 Same as Fig. 1, but for changes of 850hPa water vapor transport flux(arrows, units:10-3m/s) and its divergence(shading, units:10-3/day). Regions with an elevation above 1500m are left blank

末次冰盛期东亚地区水汽输送变化主要是对大范围冰盖、低大气温室气体浓度和东亚海陆分布变化的联合响应。根据9个模式的算术平均结果,相对于工业革命前期,该时期冬季地表 2m气温大幅下降,其中东亚降温3~10℃,且中、高纬度降幅大于低纬度(图 4a);与此同时对流层大气温度变冷,相应的整层大气含水量减少15 % ~50 % (图 5a)。由于海平面下降约125m[30],渤海和黄海在末次冰盛期变为陆地,冬季降温幅度大于其周边陆地和海洋,一方面导致该区域与东亚大陆之间的东北-西南向温度梯度加大,从而有利于来自热带印度洋、孟加拉湾和中国南海的异常西南气流水汽输送(图 1a3a),造成该异常水汽输送通道沿岸地区的冬季净降水量增加(图 2a);另一方面,渤海和黄海与西北太平洋之间的纬向温度梯度增大,有利于来自西北太平洋的水汽输送(图 1a3a),从而使得水汽输送通量在我国东部和东北临近海域发生异常辐合,导致这些区域的冬季净降水量增加(图 2a)。夏季,由于末次冰盛期陆地冰盖和高纬度海冰的大规模发育,中、高纬度地表降温强于低纬度(图 4b),使得东亚地区经向温度梯度增大,导致由南向北的水汽输送减弱;另一方面,东亚大陆的降温幅度大于热带西太平洋,造成海陆热力对比减小,从而抑制了来自海洋的水汽向陆地输送,东亚地区水汽输送通量以辐散为主(图 1b3b),加之整层大气含水量大幅度减少(图 5b),使得东亚大部分地区夏季净降水量减少(图 2b)。综上所述,末次冰盛期外部强迫条件所引起的温度梯度改变是东亚冬季水汽输送异常的主要原因,而夏季水汽输送通量辐散异常则是由经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化的综合作用所致。

图 4 相对于工业革命前期,末次冰盛期和全新世中期地表 2m气温(单位:℃)变化 (a,b)为9个模式的结果,(c,d)为13个模式的结果;(a,c)为冬季(12~2月平均),(b,d)为夏季(6~8月平均) Fig. 4 Relative to the pre-industrial period, the LGM and mid-Holocene changes of surface air temperature at 2m(units:℃). (a, b)are results of 9 models, (c, d)are results of 13 models; (a, c)are for winter(December, January, and February), (b, d)are for summer(June, July, and August)

图 5 相对于工业革命前期,末次冰盛期和全新世中期整层大气含水量百分比变化(单位:%) (a,b)为9个模式的结果,(c,d)为13个模式的结果;(a,c)为冬季(12~2月平均),(b,d)为夏季(6~8月平均);大气含水量从地表积分到300hPa Fig. 5 Relative to the pre-industrial period, the LGM and mid-Holocene changes of water vapor content(units: %). (a, b)are results of 9 models, (c, d)are results of 13 models; (a, c)are for winter(December, January, and February), (b, d)are for summer(June, July, and August). The water vapor content is vertically integrated from the surface to 300hPa
3.2 全新世中期水汽输送

图 1c1d为相对工业革命前期,13个模式算术平均结果中的全新世中期冬、夏季整层水汽输送通量及其散度变化,其变幅比在末次冰盛期时的总体偏弱。冬季,全新世中期东亚水汽输送与工业革命前期的大体相仿,异常水汽输送通道并不明显,主要可分为两支:其一是来自赤道中太平洋的水汽途经菲律宾向热带西太平洋输送;其二是来自北太平洋的水汽大部分途经我国东部和南部沿海向中国南海输送,还有一小部分向日本海和我国东北输送(图 1c)。从辐合辐散场来看,东亚水汽输送通量的异常辐合区主要位于菲律宾及其周边海域和中国南海,而热带西太平洋、鄂霍次克海、日本和日本海、朝鲜半岛以及我国东北为弱的异常辐合区,冬季净降水量有所增加(图 2c)。与之相反,赤道中西太平洋、我国东南部及临近海域、北太平洋为水汽输送通量的异常辐散区,不利于这些地区的冬季净降水。

夏季,全新世中期水汽输送通量及其散度变化幅度明显大于冬季(图 1d)。东亚地区大尺度异常水汽输送通道主要包括两大支:最明显的一支是来自热带中西太平洋广阔洋面的充沛水汽途经印度尼西亚及周边海域,一部分在北印度洋、阿拉伯海和印度半岛转向,输送至青藏高原及其周边地区,另一部分在孟加拉湾和中国南海转向,向我国南部和东部输送;另一支水汽沿着西北太平洋异常反气旋式环流向其西侧输送,并与第一支来自热带洋面的水汽在我国东部汇合,随后继续向该异常环流北侧输送。与之相对应,夏季水汽输送通量在印度尼西亚一带、北印度洋、印度周边海域、东亚大陆大部分地区和西北太平洋发生异常辐合,使得这些地区的夏季净降水量增加(图 2d),这与早期多个模式的模拟试验结果一致[6],对应着东亚夏季风的显著增强[8, 28, 31],并与根据湖泊水位、孢粉、古土壤、湖泊沉积、石笋和冰芯等多源代用资料所指示的湿度增加相一致[32~34]。值得注意的是,青藏高原及其以南地区的异常水汽通量辐合最强,这与高大地形的阻挡作用有较大关系,造成该地区夏季净降水量大幅增加。相反,中南半岛及其以西海域、中国南海、菲律宾、热带西太平洋大部分地区和我国中部地区为水汽输送通量的异常辐散区,夏季净降水量减少。

全新世中期冬、夏季850hPa层次上的水汽输送通量及其散度变化的量级远小于整层水汽输送,且冬季量级小于夏季(图 3c3d)。冬季,该层次较为明显的异常水汽输送通道为来自赤道中太平洋的水汽经由菲律宾及其周边海域向热带西太平洋输送,其他地区低层水汽输送通量变化值很小;在菲律宾及其周围海域、中南半岛、我国东北、朝鲜半岛和日本及其附近海域为弱的异常辐合区,热带西太平洋和部分西北太平洋为弱的异常辐散区(图 3c),对应的冬季净降水量变化较小。夏季,东亚低层的异常水汽输送通道十分明显,与整层水汽输送的大尺度特征较为相似,表现为来自热带中西太平洋广阔洋面的大量水汽沿着赤道以北海域经由北印度洋、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛和中国南海向东亚大陆输送,并与来自西北太平洋异常反气旋式环流西南侧的水汽汇合,继而向西北太平洋输送(图 3d)。相应的,印度半岛及其附近海域、我国东南沿岸和西北太平洋为水汽输送通量的异常辐合区,对应这些地区的夏季净降水量增加;注意到大量水汽受青藏高原地形的阻挡在其周围发生降落并形成降水,仅有少部分水汽绕过高原南侧到达我国东南沿岸及以北地区(图 2d)。热带西太平洋大部分洋面、赤道北印度洋、中南半岛及附近海域以及华北局部为水汽通量的异常辐散区,不利于这些地区的夏季净降水。

在全新世中期轨道强迫和较低大气温室气体浓度的作用下,东亚冬季地表 2m气温较工业革命前期下降(图 4c),同时对流层大气温度降低、整层大气含水量相应减少(图 5c)。根据13个模式的算术平均结果,东亚大陆降温0.6~1.5℃,而西北太平洋大部分地区降温不超过0.6℃(图 4c),因而冬季陆地与海洋之间的热力对比加大,不利于来自低纬度海洋的水汽向陆地输送(图 1c3c),从而造成东亚大陆冬季净降水量减少(图 2c)。夏季,在轨道强迫作用下,全新世中期东亚地表 2m气温在中、高纬度升高,而在低纬度下降(图 4d),造成由低纬度指向中、高纬度的夏季经向温度梯度减小,从而有利于低层来自热带海洋的充沛水汽向东亚大陆输送(图 3d);另一方面,东亚大陆中、高纬度夏季增温幅度大于同纬度西北太平洋,使得纬向海陆热力对比增大,有利于来自西北太平洋异常反气旋式环流南侧的水汽向华北输送(图 1d3d),最终导致东亚大陆大部分地区夏季净降水量增加(图 2d)。同时,夏季整层大气含水量变化与地表气温变化的大尺度空间分布特征十分相似,表现为在东亚中、高纬度大气含水量增加、在低纬度减少(图 5d),从而为东亚大陆夏季净降水提供了有利条件。由上述分析可知,全新世中期轨道强迫引起的经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化是该时期东亚冬、夏季水汽输送异常的主要原因。

4 结论和讨论

本文利用国际古气候模拟比较计划最新第3阶段中9个针对末次冰盛期和13个针对全新世中期耦合模式的模拟试验数据,集中研究了这两个时期东亚地区水汽输送的变化特征和机制。主要结论如下:

(1) 相对于工业革命前期,末次冰盛期冬季和夏季对流层整层水汽输送变化的大尺度空间分布与850hPa的相似但强度明显偏大。冬季,东亚异常水汽输送通道主要有两支:一支为跨赤道气流途经热带洋面给我国南部带来的异常西南气流水汽输送,另一支为来自西北太平洋给我国东部带来的异常偏东气流水汽输送;相应的水汽通量异常辐合区主要位于我国南部和东部沿海及其临近海域、朝鲜半岛和日本海,对应冬季净降水量增加;孟加拉湾南部、中国南海大部和西北太平洋为水汽通量的异常辐散区,冬季净降水量减少;该时期冰盖、温室气体浓度和东亚海陆分布改变共同引起的温度梯度变化是冬季水汽输送异常的主要原因。夏季,东亚地区异常水汽输送通量以辐散为主,来自西北太平洋的水汽主要沿西北太平洋异常气旋式环流向热带西太平洋输送,造成东亚大陆和西太平洋大部分地区夏季净降水量减少,这主要是由该时期夏季经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化的综合作用所致,且与东亚夏季风减弱一致。

(2) 全新世中期东亚冬季水汽输送变化的量级远小于夏季,冬、夏季整层水汽输送异常的空间分布与850hPa相似,但前者量级远大于后者。冬季,东亚地区较为明显的异常水汽输送通道主要为来自赤道中太平洋的水汽途经菲律宾向热带西太平洋输送;菲律宾及周边海域和热带西太平洋为水汽通量异常辐合区,冬季净降水量有所增加;而我国东南部及临近海域和赤道中太平洋为异常辐散区,不利于冬季净降水。夏季,东亚异常水汽输送通道主要有两支:一支是来自热带中西太平洋广阔洋面的充沛水汽沿着赤道以北海域经由北印度洋、印度半岛、孟加拉湾、中南半岛和中国南海到达东亚大陆,并与另一支来自西北太平洋异常反气旋式环流西南侧的水汽汇合,继而向西北太平洋输送;相应的水汽输送通量异常辐合区主要位于赤道洋面、北印度洋、东亚大陆大部分地区和西北太平洋,对应夏季净降水量增加、东亚夏季风增强;而中南半岛和菲律宾及其附近海域、热带西太平洋大部为水汽通量的异常辐散区,夏季净降水量减少。全新世中期轨道强迫引起的经向温度梯度、海陆热力对比和大气含水量变化是上述东亚冬、夏季水汽输送异常的主要原因。

最后需要指出的是,本文集中分析了末次冰盛期和全新世中期东亚冬、夏季水汽输送通量及其散度的大尺度变化特征,而以往研究表明现代东亚季风区水汽输送特征明显不同于南亚季风区水汽输送[16, 17],二者在过去极端冷暖时期的异常水汽输送存在何种联系和差别尚有待进一步研究。其次,某区域整层大气水汽输送通量散度可由整层大气湿度平流和风场辐合辐散两部分引起[16~18],因而有必要进一步诊断干/湿平流异常和风场异常辐合/辐散对图 1中东亚异常水汽辐合/辐散的相对贡献。再者,前文提到我国南方石笋氧同位素、青藏高原冰芯中稳定同位素记录很有可能代表的是降水氧同位素信息,因而可用于大尺度降水水汽来源和水汽输送路径的示踪和反演,但关于它们的指示意义还存在争议[22~24],下一步亟须系统搜集末次冰盛期和全新世中期我国石笋和冰芯等地质记录,并与已往的温度、降水和季风[29, 31, 32, 35, 36]以及本文水汽输送变化(图 1图 3)的多模式结果进行综合对比,探究这些地质记录究竟代表的是当时的温度、降水、季风还是水汽输送变化,以期解译其大尺度古气候意义。

致谢: 感谢两位审稿专家的评阅意见,感谢表 1所示的各模式组提供模拟试验数据!本研究由国家自然科学基金项目(批准号:41625018和41430962) 资助。感谢中国第四纪科学研究会和刘东生青年地球科学基金的支持,谨以此文纪念刘东生院士百年诞辰。

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Last Glacial Maximum and mid-Holocene water vapor transport over East Asia:A modeling study
Jiang Dabang①,②, Tian Zhiping①,②     
(① Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Beijing 100101)

Abstract

The experiments of nine and thirteen climate models participating in the Paleoclimate Modeling Intercomparison Project phase three are used to investigate the Last Glacial Maximum and mid-Holocene changes in water vapor transport over East Asia, respectively. It is shown that with respect to the pre-industrial period, the anomalous water vapor transport over East Asia during the Last Glacial Maximum winter mainly came from the cross-equatorial flow and the Northwest Pacific. The coast of the East Asian continent and the adjacent oceans were the main anomalous water vapor flux convergence regions with increased winter net precipitation, whereas the tropical oceans and the Northwest Pacific were anomalous divergence regions with decreased net precipitation. For Last Glacial Maximum summer, anomalous water vapor transport flux mainly diverged over East Asia with reduced net precipitation in most regions, corresponding to the weakened East Asian summer monsoon. The mid-Holocene change of water vapor transport over East Asia was relatively weak in winter, with anomalous divergence and thus suppressed net precipitation over southeastern China and the adjacent oceans as well as over the equatorial central Pacific. During the mid-Holocene summer, the anomalous water vapor transport originated from the tropical western and central Pacific as well as from the southwestern side of the anomalous Northwest Pacific anticyclone, which induced anomalous convergence over most of the East Asian continent, corresponding to the increased net precipitation and strengthening of the East Asian summer monsoon. The above winter and summer water vapor transport anomalies over East Asia were mainly attributed to the changes in temperature gradient, land-sea thermal contrast, and water vapor content in response to the external forcings during these two periods.
Key words: Last Glacial Maximum     mid-Holocene     East Asia     water vapor transport     modeling