2020, Vol.40
2 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 210023;
3 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 266237;
4 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 710061)
北半球中纬度(30°~50°N)降水变化对干旱半干旱地区的气候、环境变迁有着重要的影响，尤其是在欧亚大陆中纬度地区，干湿变迁更是对“一带一路”战略沿线的众多国家的农业生产、经济发展和社会稳定造成了深远影响[1]。中纬度地区的降水变化十分复杂，主要受到西风急流[2-3]和北半球季风变化[4]的影响，但两者的作用机理存在较大的差异[5-6]。
全新世是距今最近的一次间冰期，它对于理解过去和预估未来有着重要的科学意义，是地球科学界关注的重点时期[7-11]。早-中全新世全球温度偏暖，中全新世至晚全新世呈现全球变冷趋势[12]，而早-中全新世的增暖引起北半球季风降水增强并在中全新世以来逐渐减弱，这在季风区的大部分代用资料[13-15]和古气候模拟比较计划2/3(Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase 2/3，简称PMIP2/3)的中全新世试验[16-17]中都得到了验证，且当前研究较为一致的认为轨道强迫引起了北半球季风降水的变化。而在中纬度地区，降水变化存在较大的区域差异性，如重建资料表明，中亚干旱地区呈现与季风区相反的变化趋势[6, 18]，在中全新世北美大陆中东部相对现代来说较为干旱，而地中海以北地区、东亚季风区北部和北美大陆西部降水则相对增强[19]，对其机理解释也存在较大差异。
Routson等[20]基于北半球中纬度地区72个降水代用资料集合平均发现，在全新世以来中纬度地区降水呈现显著增强的趋势；另外认为由于全新世以来轨道强迫引起北半球经向温度梯度逐渐加强[21]，从而增强了西风强度和中纬度气旋强度[22-23]，导致降水增加，并推测在未来温室气体增暖情景下，极地增暖放大效应会减弱西风从而减弱中纬度降水[24]。然而，近期一些研究发现轨道强迫和温室气体对热带降水的变化幅度和影响机制截然不同，轨道强迫通过海陆热力差异引起的动力作用加强季风降水[25]，而温室气体则是通过增强比湿引起的热力作用增强降水[25-27]。并且基于耦合模式比较计划6(Coupled Model Intercomparison Project 6，简称CMIP6)15个模式的共享社会经济路径2-4.5(Shared Socioeconomic Pathway 2-4.5，简称SSP2-4.5)情景下，在21世纪末中纬度年平均降水将显著增强[26]，这与Routson等[20]基于全新世重建资料推测的未来中纬度降水趋势变化相反，这说明轨道强迫和温室气体对中纬度降水影响也不相同。
要想解决上述矛盾，需要进一步探究全新世以来中纬度降水变化对不同外强迫因子的响应。在早-中全新世时期，轨道参数、陆地冰盖衰退[28-29]和淡水注入[30-31]对全球温度变化的影响较强，而约7 ka以来轨道强迫变化和温室气体的逐渐增强对气候产生主要影响[28]，依靠气候模拟试验来探究不同强迫作用下中纬度降水的变化情况是一个非常有效的手段。然而，基于当前3个模式的全新世瞬变模拟试验结果发现，模拟的全新世全球平均温度变化与重建的温度变化存在差异[28, 32-33]。PMIP3多模式集成的中全新世平衡态试验结果显示在欧亚大陆中部偏暖、干，与重建结果也存在差异[34]。那么，模式对全新世以来北半球中纬度地区降水的模拟情况究竟如何？中纬度降水变化对不同外强迫因子的响应有何差异？这都是亟待解决的重要科学问题。本研究将利用涵盖全新世的TraCE-21 ka模拟试验及通用地球系统模式(Community Earth System Model 1，简称CESM1)的瞬变加速敏感性试验结果，探究全新世以来中纬度降水的时空变化及其对外强迫的响应。
1 气候模拟与重建资料 1.1 TraCE-21 ka模拟资料本文使用了基于通用气候系统模式(Community Climate System Model 3，简称CCSM3)开展的过去21000年TraCE-21 ka(Simulation of Transient Climate Evolution over the Last 21000 Years)的瞬变积分气候模拟资料[35](https://www.earthsystemgrid.org/project/trace.html)，其中大气模块(Community Atmospheric Model 3，简称CAM3)水平分辨率约为3.75°×3.75°。TraCE-21 ka包含5个模拟试验，分别为：地球轨道参数(ORB)、温室气体试验(GHGs)、冰盖试验(ICE)、淡水注入试验(MWF)以及这4个外强迫因子共同驱动下的全强迫试验(AF)，我们选择的试验时段为12040~0 a B.P.。
1.2 NNU-12k模拟资料我们利用CESM开展了多个全新世瞬变气候模拟试验。由于全新世模拟试验需要占用大量计算资源和内存，因此模式选择了CESM低分辨率版本，大气模式(CAM4)的分辨率约为3.75°×3.75°，包含26个垂直分层，而海洋模式(Parallel Ocean Program 2，简称POP2)经度和纬度分别有100个和116个网格点，包含60个垂直分层。模式运行中采用了10倍加速模拟技术[36]，此方法的模拟性能在前人的工作中已得到验证[32-33, 36-37]。由于这套试验是在南京师范大学大型计算集群的支持下完成[38]，因此本文将其命名为NNU-12k(Nanjing Normal University-12k)。
控制试验(Ctrl)的边界条件及外强迫设计参数参考耦合模式比较计划5/6(CMIP5/6)的piControl试验[39](表 1)，只有温室气体浓度进行了调整(CO2为265ppm，CH4为660ppb，N2O为265ppm)，参考Joos和Spahni[41]重建的温室气体变化在距今12 ka时的值作为试验初始值。Ctrl试验积分运行了1200个模式年，其中350 a后大气层顶能量达到平衡。之后根据Berger[40]重建的轨道参数变化，本文开展了轨道参数试验，但在试验开始时先用起始年份的轨道强迫开展了400 a的平衡态试验，基于平衡后的试验开展了距今12~0 ka随时间变化的ORB试验。同样的，在每年改变ORB的基础上，我们还分别改变了温室气体[41](GHGs)、太阳辐射[42](TSI)和土地利用/覆盖[43](LUCC)强迫，开展了ORB+GHGs试验、ORB+TSI试验和ORB+LUCC试验，试验积分时段为距今12~0 ka。由于Vieira等[42]重建的TSI只包含了距今11.49~0 ka的资料，因此ORB+TSI试验的时段为距今11.49~0 ka。
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表 1 NNU-12k模拟试验设计 Table 1 Experimental design of the NNU-12k |
本文下载了基于Routson等[20]收集、插值和集成处理的北半球过去10 ka以来的温度重建资料。该集成资料选择的代用资料最短时间段为4000 a，平均时间分辨率小于400 a，由大量文献资料[12, 44-46]、美国国家海洋和大气管理局古气候数据库等的数据集汇编而成。降水资料也满足上述温度资料的时间范围和分辨率的要求，并对10~0 ka或小于此时段的降水资料的整个时段进行标准化处理，对重建的温度和降水资料进行了200 a的插值处理。为了与重建资料进行比较，本研究将TraCE- 21 ka和NNU-12k的模拟结果都进行了200 a插值，并选取过去10~0 ka时段来与重建资料比较。
2 结果 2.1 重建与模拟的北半球不同纬度地表温度对比前期已经有不少工作验证了TraCE-21 ka的全强迫试验在全新世以来的模拟性能，如北半球典型冷事件、东亚地表温度、东亚季风等方面[47-50]，但缺乏对北半球不同纬度带的地表温度进行对比，而本研究也同时比较了NNU-12k的敏感性试验的模拟性能。重建资料反映出全新世以来北半球不同纬度带的温度变化趋势差异很大(图 1a~1d)，在北极地区(70°~90°N)和高纬度地区(50°~70°N)重建的地表温度显示出早-中全新世温度较高，中全新世后降温趋势明显(图 1a和1b)，TraCE-21 ka的全强迫试验在每个纬度带均模拟出早-中全新世偏冷，可能是高估了9~8 ka淡水注入的降温效应(图 1e~1h)，而轨道试验与NNU-12k的轨道试验均能模拟出重建资料的主要特征(图 1i~1k)。在低纬度地区(10°~30°N区域平均)，重建的温度表现为上升的趋势(图 1d)，两个模式的模拟结果也显示温度的趋势变化主要受轨道和温室气体的影响(图 1h和1l)。
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图 1
北半球各纬度带平均温度变化
(a~d)表示重建的温度序列[20]，阴影表示不确定性范围；(e~h)表示TraCE-21 ka试验结果，包括全强迫(AF，黑色)、轨道(ORB，蓝色)、温室气体(GHGs，红色)、冰盖(ICE，橙色)和淡水(MWF，黄色)试验；(i~j)表示NNU-12k试验结果，包括轨道(ORB，蓝色)、轨道-温室气体(ORB+GHGs，红色)、轨道-太阳辐射(ORB+TSI，绿色)和轨道-土地利用/覆盖(ORB+LUCC，淡蓝色)试验 从上往下每排分别代表 70°~90°N、50°~70°N、30°~50°N和10°~30°N区域纬向平均温度 Fig. 1 Temperature changes across four zonal bands in the Northern Hemisphere.(a~d)Reconstructed temperature. The shading denotes the range of uncertainties[20]; (e~h)Results in the TraCE-21 ka, including the All forcing(AF, black), Orbital forcing(ORB, blue), Greenhouse Gases(GHGs, red), Ice Sheets(ICE, orange)and Meltwater forcing(MWF, yellow)experiments; (i~j)Results in the NNU- 12k, including the ORB(blue), ORB+GHGs(red), ORB and total solar radiation(ORB+TSI, green), and ORB and land use/land cover(ORB+LUCC, light blue)experiments. From top to bottom, each row represents the zonal bands of 70°~90°N, 50°~70°N, 30°~50°N and 10°~30°N, respectively |
中纬度地区重建温度在10~7 ka呈上升趋势，之后下降(图 1c，30°~50°N区域平均)，TraCE- 21 ka的全强迫试验显示整个10 ka以来的变暖趋势，我们也对比了LOVECLIM试验，也存在相同的变暖趋势(图略)。前人研究提到的“全新世温度悖论”主要指全新世模拟和重建的全球温度的变化趋势相反[28]，而本研究发现在北半球中纬度地区这样的趋势差异尤为明显。轨道试验的温度在7 ka以来无明显变化趋势，而温室气体试验则呈现明显的增暖趋势，而其他强迫(陆地冰盖、淡水注入、太阳辐射和土地利用/覆盖)均无明显影响，这可能是由于以下几种原因所导致：1)模式模拟性能方面存在不足、对轨道模拟的偏差等[28, 34]；2)可能存在其他的强迫因子需要进一步考虑，如火山活动[51-52]、沙尘[53]等；3)代用资料本身的季节性差异、不确定性，尤其是在北半球中纬度海表温度重建资料往往指代北半球夏季海温[28, 54-55]。
综上所述，两套试验模拟的北极、高纬度和低纬度温度趋势变化与重建资料较为一致，主要与10~7 ka的冰盖衰退、淡水注入和7~0 ka的轨道、温室气体变化有关。但对于中纬度地区的温度变化趋势模拟与重建的差异较大。
2.2 北半球中纬度平均降水变化对外强迫因子的响应重建的中纬度降水在全新世以来呈现增加的趋势(图 2a)，降水在10~7 ka时期与当地温度变化位相相同，而在7~0 ka则与温度变化趋势相反，Routson等[20]认为在早全新世冰盖作用使温度和降水出现了增加的趋势，而轨道引起的经向温度梯度的加强引起西风带加强，从而引起降水增加的趋势。
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图 2 北半球中纬度平均(30°~50°N)降水变化 (a)表示重建的降水序列[20]，阴影表示不确定性范围；(b)表示TraCE-21 ka试验结果，包括AF(黑色)、ORB(蓝色)、GHGs(红色)、ICE(橙色)和MWF(黄色)试验；(c)表示NNU-12k试验结果，包括ORB(蓝色)、ORB+GHGs(红色)、ORB+TSI(绿色)和ORB+LUCC(淡蓝色)试验；(d)和(e)分别与(b)和(c)相似，但代表的是陆地降水；垂直黑虚线表示7 ka B.P.时期 Fig. 2 Northern Hemisphere mid-latitude(30°~50°N) precipitation change. (a)Reconstructed precipitation change[20]. The shading denotes the range of uncertainties; (b)Results in the TraCE-21 ka, including the AF(black), ORB(blue), GHGs(red), ICE(orange), and MWF(yellow)experiments; (c)Results in the NNU-12k, including the ORB(blue), ORB+GHGs(red), ORB+TSI(green), and ORB+LUCC(light blue)experiments; (d)and (e) are similar to (b) and (c), respectively, but for the land precipitation. The vertical black dotted line represents the 7 ka B.P. period |
10~7 ka的中纬度降水增加趋势在TraCE-21 ka全强迫试验得以体现(图 2b)，通过比较单因子敏感性试验发现降水主要是与陆地冰盖衰退、淡水注入和轨道变化的影响有关，这与Routson等[20]推测的结果一致。但是在中全新世以来却出现了减弱的趋势，而NNU-12k的试验都显示出与重建资料一致的增加趋势(图 2c)，这反映出两个模式的轨道试验模拟的中纬度降水趋势差异很大。而比较中纬度陆地地区的模拟结果发现，中全新世以来在轨道作用下却都出现了减少的趋势(图 2d和2e)，这说明NNU- 12k的轨道试验模拟出的中纬度降水增加趋势(图 2c)主要是受海洋降水的影响。两个模式的温室气体对7 ka以来中纬度陆地降水增加趋势均有所贡献，但都无法抵消轨道的作用(图 2d和2e)。
我们将中纬度陆地划分为欧亚大陆(30°~50°N，45°W~170°E)和北美大陆(30°~50°N，170°~45°W)来比较这两个区域的降水差异。在早-中全新世以来，重建的欧亚大陆降水略有增强，而北美大陆降水则增加趋势明显[20]。两个模式模拟的欧亚大陆中纬度降水在轨道作用下表现为明显的下降趋势，而在温室气体影响下则呈现相对较弱的增加趋势(图 3a和3c)。基于2~0 ka与7~5 ka的对流层低层环流和降水空间差值场发现，两个模式的轨道试验均受到轨道外强迫引起的冷大陆-暖海洋的海陆热力差[16]，东亚季风、印度季风和北非季风均出现了显著衰退(图 4a和4b)，下沉气流出现在东亚北部、印度北部和西亚地区，形成北风异常，阻碍了当地的水汽输送从而抑制了中纬度地区的降水。值得一提的是，我们NNU-12k的轨道试验模拟的降水和环流差值场与PMIP2/3的29个模式的中全新世与piControl试验差值场的集合平均结果非常一致(Tian等[56]中的图9a和图10a)。而在温室气体影响下，北半球变暖加强了中低纬地区的大气比湿[26-27]，东亚季风和印度季风受动力作用的影响均有所增强[26]，引起中亚和东亚北部降水增强(图 4c和4d)。
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图 3 模拟的欧亚大陆和北美大陆中纬度平均(30°~50°N)陆地降水变化 (a)和(b)分别表示TraCE-21 ka模拟的欧亚大陆(45°W~170°E)和北美大陆(170°~45°W)降水，包括ORB(蓝色)和GHGs(红色)试验；(c)和(d)分别表示NNU-12k模拟的欧亚大陆和北美大陆降水，包括ORB(蓝色)和ORB+GHGs(红色)试验；虚线为整个时段的趋势变化 Fig. 3 Simulated mid-latitude Eurasia and North America land precipitation change. (a) and (b) are precipitation over Eurasia(45°W~170°E) and North America(170°~45°W) land regions in TraCE-21 ka, including the ORB(blue)and GHGs(red)experiments. (c) and (d) are precipitation over Eurasia and North America land regions in NNU-12k, including the ORB(blue) and ORB+GHGs(red)experiments. The dotted line shows the trend of whole period |
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图 4 模拟的2~0 ka与7~5 ka时期的降水和850-hPa风场差值场 (a)和(c)分别表示TraCE-21 ka的ORB和GHGs试验结果；(b)表示NNU-12k的ORB试验结果；(d)为NNU-12k的ORB+GHGs试验与ORB试验的差值；显示的结果均超过90 %置信度(two-tailed Student's t test)；两条黑色水平线表示30°N和50°N Fig. 4 Simulated differences of precipitation and 850-hPa winds changes between the periods of 2~0 ka and 7~5 ka. (a)and (c) denote the ORB and GHGs experiments in the TraCE-21 ka, respectively; (b)Represents the ORB experiment in the NNU-12k, while (d) denotes the difference between ORB+GHGs and ORB experiments. Only the significant anomalies with confidence level exceeding the 95 % (via a two-tailed Student's t test)are displayed. Two black horizontal lines represent 30°N and 50°N, respectively |
在北美大陆中纬度地区，TraCE-21 ka的轨道试验中降水表现为减少趋势(图 3b)，但这种趋势要小于欧亚大陆降水的减少趋势(图 3a)，而温室气体则引起降水少量增强(图 3b)；NNU-12k轨道试验则反映明显的降水增长趋势，在轨道和温室气体叠加影响下，降水趋势仅略微增长(图 3d)。从降水和环流空间场上来看，两个模式的轨道均模拟出北美大陆东部的降水增强(图 4c和4d)，且在NNU-12k中降水增强区域更大、强度更强，这是受到副热带大西洋的中西部气旋性环流异常将水汽带入北美大陆中东部的影响，而该气旋性环流的形成受到北非季风降水的显著抑制所引起的Gill-type罗斯贝波影响[17]。上述结果与PMIP2/3集合平均的结果一致[16, 56]。
总体来说，在早-中全新世以来，中纬度重建资料反映出北美大陆降水的增长趋势要强于欧亚大陆，两个模式的模拟结果表明，轨道强迫很可能是引起欧亚大陆和北美大陆的降水趋势差异的原因之一，而温室气体主要对欧亚大陆降水增强有所贡献，但要小于轨道强迫的作用。但是，两个模式模拟的中纬度降水对轨道、温室气体响应存在差异，之后的工作应采用更多的模式来探究该区域降水对全新世以来外强迫变化的敏感性。
3 讨论模拟的中纬度地区平均降水变化趋势和重建结果存在的不一致性的原因可能来自于以下几点：1)模式自身的不确定性，不同模式对全新世以来外强迫响应的差异是容易被忽视的问题，不同模式对轨道参数变化和温室气体浓度变化的响应存在不同。PMIP2/3与最新发布的PMIP4含有多模式模拟结果，但是在早-中全新世时期他们都只有中全新世的平衡态试验，本文完成的NNU-12k模拟试验采用了10倍加速模拟技术，对气候变率和海洋长周期信号的模拟存在不确定性。2)缺乏考虑其他的外强迫因子，如火山活动对全球温度和降水变化具有重要影响[51-52]，但是频繁的强火山喷发是否能影响全新世以来温度和降水变化的趋势还需要进一步研究。同时，在早-中全新世时期全球沙尘含量远小于现今的含量[17, 53]，沙尘直接通过影响到达地表的太阳辐射来影响全球的温度变化，而当前的模拟研究也未考虑这一外强迫的作用。3)重建资料本身存在着较大的不确定性，Routson等[20]重建的欧亚大陆中纬度降水在中全新世表现为相对干旱，而Bartlein等[19]重建的地中海北部、中亚地区则相对湿润。
此外我们发现，在北半球季风区两个模式的轨道试验均反映出中全新世以来降水呈现减弱的趋势(图 4a和4b)，这与当前季风区的重建资料结果非常一致[13-15]，同时也和PMIP2/3多模式集合平均模拟的中全新世北半球季风降水变化一致[16-17]，这说明轨道参数和温室气体试验模拟出印度、东亚北部和北非季风的增强趋势(图 4c和4d)，也与未来情景试验的季风区结果相似[25-27]。这说明在中全新世以来两个模式对北半球季风降水变化模拟得较好。
4 结论两套全新世气候模拟试验模拟的北极、北半球高纬和低纬温度变化趋势与重建资料较为一致，但在中纬度地区模拟的温度变化趋势与重建资料相比差异较大。全新世以来重建的中纬度降水呈增加趋势，在10~7 ka B.P.，主要受陆地冰盖衰退、淡水注入和轨道的共同影响。在7~0 ka，重建资料反映出中纬度降水增加趋势，NNU-12k的轨道试验结果与之相似，但主要集中在海洋地区。TraCE-21 ka和NNU-12k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，并发现是轨道作用引起的；而温室气体变化主要对欧亚大陆降水增强有所贡献，但不能抵消轨道强迫的负贡献。
今后的研究工作需要围绕以下几个方面展开：1)利用更多的模式开展长期瞬变气候模拟研究[57-58]；2)Liu等[52]提出，相对于外强迫引起的热力学变化，外强迫径向不对称分量会改变动力环流结构从而引起降水的变化，今后的工作需要研究中纬度地区降水变化对火山活动等外强迫因子的响应；3)对重建资料的收集、集成和同化技术需要进一步提升，从而更好地刻画全新世以来的中纬度降水变化特征。
致谢: 感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师、赵淑君老师提出的意见和建议!
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2 Jiangsu Provincial Key Laboratory for Numerical Simulation of Large Scale Complex Systems, School of Mathematical Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, Jiangsu;
3 Open Studio for the Simulation of Ocean-Climate-Isotope, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, Shandong;
4 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Science, Xi'an 710061, Shaanxi)
Abstract
The Northern Hemisphere(NH) mid-latitude precipitation(30°~50°N) change is the focus of social attention. Using the reconstructions, the results of TraCE-21 ka experiments simulated by the Community Climate System Model 3(CCSM3), and the results of NNU-12k transient acceleration experiments simulated by Community Earth System Model(CESM), this study discuss the change of NH mid-latitude precipitation and its response to external forcing during the Holocene. The result shows that the reconstructed NH mid-latitude precipitation has increased since the Early Holocene. During 10~7 ka B.P., a similar increasing trend occurs in the TraCE-21 ka all forcing experiment, which is mainly affected by the ice sheet recession, fresh water injection and orbit forcing(ORB). During 7~0 ka, the precipitation shows an increase trend in NNU-12k ORB experiment, which is consistent with the reconstructions, but the trend is concentrated in marine areas. Both models simulate a stronger drying trend over mid-latitude Eurasia than North America, which is induced by the ORB. Greenhouse gases(GHGs) mainly contribute to the enhanced precipitation in Eurasia, but it cannot offset the negative contribution of the ORB. However, during the Holocene, the response of simulated NH mid-latitude precipitation to ORB and GHGs is model dependent, which can be an important factor to be considered in the proxy-model data comparison.