2020, Vol.40
2 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101;
3 中国科学院大学, 北京 100049)
第四纪地球气候变化的一个最显著特征是存在着多旋回的周期性气候变化。来自南极长达近百万年冰芯记录显示，第四纪气候存在准100 ka冰期-间冰期旋回[1-2]，这种全球气候信号也得到来自深海沉积[3]、黄土记录[4]等多种地质记录证实。末次冰期以来的多尺度气候演化受到地球轨道改变引起太阳辐射和高纬冰盖的共同影响[5-9]，总体上符合米兰科维奇提出的气候周期性受控于地球轨道的偏心率、地轴倾角和岁差参数变化(分别具有准100 ka、准40 ka和准20 ka的周期)的天文气候学理论[10]。
按照科学界对第四纪冰期-间冰期气候旋回的认识，在100 ka旋回中气候较寒冷的冰期一般持续70~90 ka，而两次冰期之间相对温暖的间冰期发展时间通常为10~30 ka左右[11]。末次冰盛期(Last Glacial Maximum，简称LGM)出现在约21 ka B.P.(Before Present)，之后进入冰消期并向全新世演化，按照过去冰期-间冰期旋回的规律，显然地球气候应该很快进入下一个冰期[12]，即在“人类不干预”的情况下目前正在进入下一个冰期[12-13]。在20世纪60~70年代之前，科学家们正在为“新冰期”来临而担忧[13]。然而，气候变化并没有按照古气候学家曾经预期的方向发展，20世纪80年代以来全球气候迅速变暖[14]。越来越多的研究确认，当代气候总体上在变暖而不是变冷，未来气候预测也从“1960~1970年关于未来气候变冷与变暖之争”扭转为“全球变暖定论”[15]。
人们已经通过观测和数值模拟研究证实人类活动引起大气中温室气体浓度急剧增加是工业革命以来全球气候变暖的主要原因，且这种气候变暖在未来很长一段时间将持续[14, 16]。有研究[17]显示早期农业等人类活动对气候影响早在中全新世就已经开始。世界气象组织最近发布的《2015~2019全球气候》报告[18]指出，2015~2019年是有器测气象记录以来最热的5年期，而且这种变暖趋势在未来几十至上百年甚至更长时间仍将持续[19-21]。换言之，在未来很长一段时间里，人类活动和自然因子对全球气候环境影响仍将是人类不得不面对的挑战。
人类活动作为气候变化一种驱动因子正在影响着气候系统自然的运行模式。已有研究指出，若温室气体浓度CO2不超过240 ppm，当前间冰期可能在1500年内结束[22]。然而，地球气候系统可能正在经历由单一的自然强迫转换到受自然与人类活动共同作用的过程，人类活动甚至可能超越自然因子而影响全球气候。如早期农业活动，第一次工业革命以及当前工业快速发展似乎已经打乱了气候运行的自然驱动模式[15, 23]。人类活动可能阻止冰期的来临[12, 15, 23]，导致“超长间冰期”[24]的出现，这并非自然驱动所致。
从最近万年尺度气候变化来看，冰消期之后、早全新世以来，随着极地冰盖对气候影响逐渐减弱，岁差已成为影响地球气候，特别是亚洲季风[25-26]变化最主要的自然强迫因子。当前地球公转轨道的远日点出现在6月，因此北半球夏季(冬季)接收到的太阳辐射刚好达到岁差周期的极小(极大)值，即处于岁差强迫最弱的时期；而约1万年(10 ka)前的早全新世和未来10 ka后情况则相反，远日点出现在12月，北半球夏季(冬季)日射达到岁差周期的极大(极小)值，因而是岁差强迫极强的两个时期[10]。早全新世气候主要受岁差强迫作用，人类活动的影响有限。然而，在预测未来10 ka后的气候变化时，不仅要考虑岁差强迫的作用，人类活动的影响也不可忽视。
本文将以工业革命前为参考点，分别选取早全新世、现代、未来10 ka后这3个时间段，对比分析岁差尺度上太阳辐射变化以及自然排放和人类活动引起的温室气体变化对东亚区域气候可能影响，以进一步探讨自然强迫和人类活动在岁差尺度区域气候变化中的相对贡献，为积累未来气候预估的“相似型”[27-28]提供参考。
1 数值试验设计与数值模式简介考虑到从早全新世至未来10 ka，地球气候最主要的自然强迫因子为岁差，而最主要的人为强迫因子为温室气体排放。从岁差参数变化(图 1a)来看，在约21 ka前的末次冰盛期岁差参数达到极大值[25]，此后逐渐减小，在全新世初约10.3 ka B.P.达到极小值，现代再次达到极大值，到未来约10 ka后的约10600A.D.(Anno Domini)再次达到极小值。在全新世初和未来10 ka后，当岁差参数处于极小值时，地球近日点出现的时间从现代的12月变为6月，结果使北半球夏季日射比现代偏多，而冬季日射比现代偏少(图 1b)。例如，现代6月份45°N太阳辐射值为480.757W/m2，在早全新世和未来10 ka后6月份45°N太阳辐射值分别达到520.845W/m2和501.816W/m2，而12月份三者分别是120.365W/ m2、105.884W/m2和118.52W/m2。
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图 1
自然强迫和人类活动因子
(a)岁差(蓝线：末次间冰期；红线：20 kaB.P.至未来20 ka)；(b)6月(深红线)和12月(浅红线)45°N太阳辐射值；(c)CO2浓度值，蓝线表示末次间冰期(见顶部时间轴)CO2浓度值，红实线表示20 kaB.P.至现代CO2浓度值，红虚线表未来20 ka后的CO2浓度值，其中历史时段来自Epica冰芯记录[29]，未来预估值采用IPCC-AR5的RCP4.5值 3个黄色柱子分别代表 3个模拟时段 Fig. 1 Natural forcing and human activity factors. (a)Precession (blue line:the last interglacial; red line:20 kaB. P. to 20000A. D.); (b)June (dark red line) and December (light red line) insolation at 45°N; (c)CO2 concentration. The blue line represents the CO2 concentration value of the last interglacial period(see the top timeline), the red solid line represents the CO2 concentration value from 20 kaB.P. to the present, and the red dashed line indicates the CO2 concentration value for the next 20000 years. The historical periods are from the Epica ice core records[29], and the future estimated values are from the IPCC-AR5 RCP4.5. Three yellow columns denote the three simulation periods schematically |
从南极冰芯记录(Epica)重建[29]的大气中温室气体含量变化(图 1c)来看，末次冰盛期到早全新世大气CO2浓度从约190 ppm增加到267 ppm，从冰期到间冰期大气中CO2的变幅约为80 ppm。在过去的其他岁差周期中，如深海氧同位素阶段5(MIS5)从138.4 kaB.P.到128.4 kaB.P.有类似的变化(图 1c)。未来大气温室气体含量如何变化？如果没有人为干扰，自然CO2含量变化应该遵循过去冰期-间冰期循环中的变化规律。例如，在MIS5中从128.4 ka B.P.到98.4 ka B.P.时段CO2浓度有一个缓慢的降低趋势(图 1c)。然而，自工业革命以来随着工业化发展和土地利用等人类活动增强，大气CO2含量迅速增加，至2019年已达到410 ppm，即在工业革命以来约170年时间内CO2浓度已上升了约130 ppm，超过了冰期-间冰期循环中CO2浓度变化范围。同时，大气中CH4、N2O等其他温室气体含量也大大增加。在考虑人类活动影响的情况下，未来大气CO2含量变化将会存在很大不确定性。按照联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告[16]，未来人为温室气体排放可能存在多种可能情景。但值得注意的是，未来很长一段时间人类活动不可能消失，且大气中温室气体浓度很难恢复到工业革命之前水平[19, 21, 30]。其中，中高等排放路径(RCP4.5和RCP8.5)分别假定在人类积极控制下至2100年和2200年CO2浓度达到峰值543 ppm和1960 ppm，有效辐射强迫分别是4.5W/m2和12W/m2，之后保持稳定[20]，而最低排放路径(RCP2.6)也只能保证在2300年CO2排放控制在360 ppm左右。
基于以上考虑，本文将利用一个全球气候模式分别进行早全新世(Early Holocene，简称EH)、工业革命前(Pre-industrial，简称PI)、现代(Present Day，简称PD)以及未来自然强迫(Future with the Natural Forcing Only，简称FN)和未来人类活动(Future with the Anthropogenic Impact，简称FA)这5个敏感性试验，对比检查未来10 ka后与早全新世东亚区域气候变化异同，特别是自然强迫和人类活动的驱动作用。数值试验信息见表 1。其中EH试验中，地球轨道参数取早全新世(10.3 kaB.P.)，温室气体浓度参考南极冰芯记录重建[29]数据，CO2浓度267 ppm，CH4浓度697 ppb。PI和PD试验中地球轨道参数均取现代(公元1990年)，但二者不同的是，在PI中温室气体浓度为工业革命前的值(CO2：284.7 ppm；CH4：791.6 ppb)，而PD为公元2000年的值(CO2：367 ppm；CH4：1760 ppb)。在未来10 ka两组试验中地球轨道参数均取公元10600年，在FN试验中温室气体浓度参考末次间冰期对应时段给定(CO2：241 ppm；CH4：501 ppb)，即分别以末次间冰期(约128.3 ka B.P.)和早全新世(约10.3 kaB.P.)岁差最小值(图 1a)为基点，按照时间序列延伸，未来10 ka自然强迫温室气体浓度采用约108.35 ka B.P.值，而FA试验中温室气体浓度参考IPCC-AR5中等排放路径(RCP4.5)，取公元2300年温室气体排放[19]得到控制后稳定在中等水平上的值(表 1和图 1c)。通过不同试验结果对比及t检验说明其差异显著性，可以探讨自然和人类活动对气候演化的作用和相对贡献。如PD-PI或FA-FN可以探讨人类活动引起的温室气体浓度增加的作用，EH-PI或FN-PI可以探讨岁差作为自然强迫的贡献，而FA-PI可以揭示自然和人为作用的双重影响。
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表 1 数值试验信息 Table 1 Information on the numerical experiments |
本文使用了美国大气研究中心2016年发布的通用地球系统模式(CESM1.2)，主要由大气(the Community Climate System Model，简称CAM)、陆地(the Community Land Model，简称CLM)、海洋(Parallel Ocean Program，简称POP)、海冰(the Sea-Ice Component，简称CICE)、陆冰(Land-Ice Component)和耦合器(Coupler)等6个模块组成。CESM1.2是在通用气候系统模式(The Community Climate System Model)上发展起来的[31]，是目前世界上最为先进的海-陆-气耦合模式之一。本文中CESM1.2中各模块版本分别是CAM5、CLM4、POP2和CICE4。其中大气和陆地水平分辨率是0.9°×1.25°，垂直方向分别有26层和15层。海洋和海冰水平分辨率是0.5°×0.5°，垂直方向有60层。为了保障模拟结果达到稳定，所有数值试验均连续积分31年，取最后11年平均值用于对比分析。
模式模拟能力评估是进行敏感性数值试验基础。本文将PD试验结果与美国国家气候预测中心降水资料(CPC Merged Analysis of Precipitation，简称CMAP，https://psl.noaa.govdatagridded/data.cmap.html)和美国国家环境预测中心与大气研究中心联合制作的再分析资料(NCEP-DOE AMIP-Ⅱ Reanalysis，简称NCEP，https://psl.noaa.govdatagridded/data.ncep.reanalysis2.spectral.html)进行了气候场对比，结果表明CESM1.2对现代东亚区域降水和环流场分布具有较好的模拟能力。图 2a显示了30年平均(1979~2008年)CMAP年降水和NCEP夏季(6~8月，简称JJA)700 hPa风场分布；图 2b是利用CESM1.2模拟PD试验输出的最后11年年平均降水和夏季700 hPa风场分布。对比检验了CESM1.2对现代气候平均态的模拟结果，研究区(0°~60°N，40°~160°E) CMAP多年平均降水3.29mm/day，PD试验输出多年平均降水3.48mm/day，CESM 1.2模拟降水略高于再分析资料，二者水平相关系数为0.529，通过0.01信度的显著性检验。同时，利用Wang等[32]关于季风区和干旱区定义，计算了季风区和干旱区分布范围。
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图 2 观测(a)和模拟(b)的亚洲现代气候平均年降水率(阴影，mm/天)和夏季700 hPa风场(m/s)分布 图(b)中红色和绿色方框分别表示本文定义的东亚季风区(East Asian Monsoon area，简称EAM，20°~45°N，105°~125°E)和中国内陆干旱区(Chinese Mainland Arid area，简称CMA，35°~50°N，80°~100°E) Fig. 2 Distribution of mean annual precipitation rate(shaded, mm/day)and summer(JJA)700 hPa wind fields(m/s)of observed (a) and simulated (b) in Asia. In (b), the red and green boxes represent the East Asian Monsoon area(EAM, 20°~45°N, 105°~125°E) and Chinese Mainland Arid area (CMA, 35°~50°N, 80°~100°E), respectively |
模拟与观测结果的对比表明，模式结果较好地模拟了现代降水和环流场主要分布特征以及亚洲季风区和干旱区分布范围，可用于过去和未来敏感性试验研究。由于CESM1.2具有较好的气候模拟能力，已在亚洲古气候研究中得到广泛应用[33]。在以下分析中，夏季指6~8月(JJA)，冬季指12~2月(DJF)。为了定量评估自然强迫和人类活动对区域气候的影响，我们还定义了东亚季风区(East Asian Monsoon area，简称EAM，20°~45°N，105°~125°E)和中国内陆干旱区(Chinese Mainland Arid area，简称CMA，35°~50°N，80°~100°E)的范围以便于计算气候变量的区域平均值。另外，为了分析东亚季风指数强弱变化，本文在郭其蕴等[34]关于东亚季风定义基础上，将其简化为10°~50°N陆地(110°E)与海洋(160°E)海平面气压差值的绝对值表示东亚季风夏季(SMI)和冬季(WMI)强弱指数，即季风指数越大表示季风越强。
2 结果分析 2.1 夏季风环流和夏季降水变化我们首先检查了早全新世和未来10 ka后相对工业革命前夏季风环流和夏季降水的变化。在仅考虑自然强迫作用时，由于岁差引起夏季日射增加(表 1)，早全新世(图 3a)和未来10 ka后(图 3b)东亚及南亚夏季风环流均增强，如对流层低层中国东部偏南风和阿拉伯海-印度西南风异常都显著增强。降水变化与夏季风环流的变化并不完全一致。EH相对PI降水在印度大陆，东亚季风区以及内陆干旱区均有增加现象(图 3a)，在低纬海洋区域出现减少现象，但是FN相对PI降水仅在印度大陆增加，而东亚季风区和内陆干旱区均减少(图 3b)，这可能与FN中温室气体浓度偏低(如CO2浓度为241 ppm)有关。可见，无论过去或未来，在仅考虑岁差尺度自然强迫时太阳辐射增加将引起亚洲夏季风环流显著加强，陆地降水普遍增加，但是温室气体浓度偏低可能导致东亚降水减少。当进一步考虑未来人类活动影响时，即在人类活动引起温室气体浓度增加及岁差引起的夏季太阳辐射增强的共同作用下，未来10 ka后亚洲夏季风环流增强，而且南亚和东亚季风区降水都增加(图 3c)。人类造成的温室气体含量增加是东亚夏季降水增加的主要原因(图 3d)，但对季风强度有减弱作用或相对影响较弱。值得明确的是，在仅考虑自然强迫时未来东亚季风区降水减少(图 3b)，但当进一步考虑人类活动的影响时，未来东亚季风区降水将增加(图 3c)。由此可见，人类活动可能改变岁差尺度上未来气候变化的方向。
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图 3
不同试验间夏季降水率(mm/天)和700 hPa风场(m/s)差值分布
(a)EH-PI；(b)FN-PI；(c)FA-PI；(d)FA-FN 红色小圆圈表示风速异常通过0.05信度的显著性检验 Fig. 3 Differences distribution of summer precipitation rate(mm/day)and 700 hPa wind field(m/s) between different experiments. The small red circles indicate the differences of wind speed have passed 0.05 significance test |
为了探讨东亚夏季风环流和降水变化的原因，我们进一步分析了地表气温(TS)和大气水汽相对湿度变化(RH，见图 4)。与工业革命前相比，早全新世时期，因夏季太阳辐射增强导致亚洲大陆地表气温度普遍偏高，且高纬增温大于低纬，西部干旱区大于东部季风区，最强增温中心出现在内陆干旱区增温超过4开氏度(K)，而海洋上增温相对较弱(图 4a)。正是由于南北向热力对比的变化，才导致对流层低层东亚季风区夏季偏南风增强(图 3a)，向北的水汽输送增大(图略)，相对湿度增加(图 4a)，进而导致降水增多(图 3a)。在未来10 ka后，自然强迫(FN)下陆地也普遍增温，但明显弱于EH，最大增温中心同样在内陆干旱区，增温约1K左右(图 4b)。这一方面与10 ka后夏季太阳辐射值低于早全新世有关，另一方面与FN中温室气体浓度低于EH约26 ppm有关。在仅有自然强迫时，未来10 ka后东亚季风区对流层低层的相对湿度减少(图 4b)，相应地东亚季风区的降水也有所减少(图 3b)。当在自然强迫基础上进一步考虑人类活动的影响时，未来10 ka后亚洲大陆上夏季地表气温显著增加(图 4c)，超过早全新世(图 4a)。结果造成东亚季风区对流层底层的偏南风(图 3c)及大气水汽含量增加(图 4c)，最终带来更多的降水(图 3c)。FA与FN差值(图 3d和图 4d)进一步说明未来10 ka温室气体浓度增加是导致大气中相对湿度增加的主要原因，最终引起降水增加。这说明考虑人类活动的作用对正确预估东亚季风的长期变化至关重要。
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图 4
不同试验间夏季地表温度(K)和500 hPa相对湿度(%)差值分布
(a)EH-PI；(b)FN-PI；(c)FA-PI；(d)FA-FN 红色小圆圈表示相对湿度差异通过0.05信度的显著性检验 Fig. 4 Differences distribution of summer surface temperature (K) and 500 hPa relative humidity(%)between different experiments. The small red circles indicate that the differences of relative humidity have passed 0.05 significance test |
由于亚洲区域冬季降水相对偏少，自然强迫和人类活动对冬季地表气温和冬季风变化更为重要。岁差强迫不仅引起夏季日射变化，同时也引起冬季日射同步变化，但变化方向与夏季相反。例如，现代12月份45°N处的日射值是120.365W/m2，而早全新世和未来10 ka后分别是105.884W/m2和118.52W/m2(表 1)。因此，岁差引起的日射变化无疑会影响冬季地表气温和环流变化。图 5给出了早全新世和未来10 ka后冬季地表温度和700 hPa风场异常分布。岁差引起冬季太阳辐射减弱会导致在早全新世(图 5a)或未来10 ka后(图 5b)整个亚洲区域地表温度明显降低，且高纬降温强于低纬，因EH较FN冬季北半球太阳辐射更低，相应地地表降温也更大。同时，在中国大陆东部至中南半岛地区偏北风增大，即东亚冬季风增强(图 5a和5b)。然而，未来人类活动导致温室气体增加将抵消太阳辐射减少的作用，引起地表气温明显增温(图 5c和5d)，且陆地增温强于海洋，高纬增温强于低纬。总之，自然强迫可以导致未来10 ka后冬季地表温度降温，东亚冬季风增强，但人类活动引起的温室效应将扭转自然强迫，最终造成未来10 ka后冬季地表增温，东亚冬季风减弱(图 5c和5d)，这主要与地表增温引起西伯利亚高压减弱(图略)有关。
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图 5
不同试验间冬季地表温度(K)和700 hPa风场(m/s)差异分布
(a)EH-PI；(b)FN-PI；(c)FA-PI；(d)FA-FN 红色小圆圈表示地表温度差异通过0.05信度的显著性检验 Fig. 5 Differences distribution of winter surface temperature (K) and 700 hPa wind field(m/s)between different experiments. The small red circles indicate that the differences of surface temperature have passed 0.05 significance test |
在以上分析中，虽然FA与FN试验的对比可以直观地显示未来10 ka后人类影响(如据表 1大气CO2浓度相差302 ppm)的可能作用，但这是在岁差强迫最强的条件下获得的结果。从工业革命前到现在岁差强迫处在最弱时期，但大气CO2浓度也增加了约82 ppm(表 1)。为了观察岁差强迫最弱时期人类活动影响，我们进一步对比了PD与PI试验的差。
图 6给出了PD与PI试验夏季、冬季气候场差异。现代高温室气体浓度对亚洲区域降水和环流场影响(图 6a和6c)显示，现代人类活动导致夏季东亚区域降水明显增强，青藏高原和低纬海洋区域降水也有增加，在中国内陆干旱区以及外蒙古区域降水略有减少。夏季700 hPa风场异常显示亚洲季风整体减弱，在东亚及中国南海区域出现偏北风异常，西北太平洋和印度洋上空均出现反气旋异常，与实际观测和其他模拟趋势一致[35]。夏季风强度减弱趋势略弱于观测记录，可能与气溶胶增加引起东亚夏季风进一步减弱有关[36]。
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图 6 现代与工业革命前亚洲区域气候差值 (a)夏季降水率(mm/天)和700 hPa风场(m/s)差异；(b)夏季地表温度(K)和500 hPa相对湿度(%)；(c)冬季降水率和700 hPa风场；(d)冬季地表温度和500 hPa相对湿度 Fig. 6 Differences of climate between present day(PD)and pre-industrial(PI)in Asia. (a)Summer precipitation rate(mm/day)and 700 hPa wind(m/s); (b)Summer surface temperature (K) and 500 hPa relative humidity(%); (c)Winter precipitation rate and 700 hPa wind; (d)Winter surface temperature and 500 hPa relative humidity |
人类活动使得大气中温室气体浓度增加最终导致全球明显增温(图 6b和6d)，在亚洲区域一般陆地增温强于海洋，冬季增温强于夏季，在内陆干旱区出现异常增温中心，夏季平均增温1~2 K左右，冬季则增温3~4 K。另外，人类活动导致全球变暖，促使地表蒸发加强，季风区大气水汽含量增加(图 6b和6d阴影)，这可能是夏季降水增加的主要原因。关于现代全球变暖导致东亚季风减弱，大气降水增加的结论已有较多研究，主要观点认为温室气体浓度异常增高在对流层高层引起赤道热带区域增温更强，哈德来环流增强，从而导致东亚区域底层夏季风减弱[37]，与本文结论一致。
对比温室气体异常偏高对现代(图 6)和未来气候(图 3和5)影响发现，人类活动引起的温室效应将导致现代东亚季风(夏季和冬季)减弱，夏季大气降水增加，而在未来10 ka后人类活动使得东亚冬季风明显减弱，夏季风相对变化不明显或略增强，温室气体增加是未来10 ka后夏季大气降水增加的主要原因。
2.4 区域平均气候变化对比分析从上述分析可知，自然强迫和人类活动对过去和未来气候变化影响显著，区域差异明显。本节分别计算了东亚季风区和中国内陆干旱区区域平均气候要素对不同强迫因子的响应。图 7a中首先给出了相对现代(PI和PD)、早全新世和未来10 ka后在6月和12月45°N太阳辐射变化百分比，可见早全新世夏季太阳辐射较现代增加8.40 %，未来10 ka后增加4.38 %，冬季早全新世降低12.03 %，未来10 ka后降低1.53 %。图 7a也给出了各组数值试验中大气CO2浓度值，用于对比自然和人类活动的强迫效应。
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图 7 区域平均气候要素变化 (a)6月12月45°N相对现代变化百分比及温室气体CO2浓度；(b)东亚季风区夏季降水及夏季风风指数；(c)中国内陆干旱区冬季地表温度及冬季风指数 Fig. 7 Changes in regional average climate factors. (a)Percentage of insolation at 45°N in June and December compared with present day, CO2 concentration; (b)Summer precipitation in East Asian monsoon region and summer monsoon index(SMI); (c)Winter surface temperature in Chinese mainland arid region and winter monsoon index(WMI) |
EH、PI和FN试验中温室气体浓度接近，它们分别是267 ppm、284.7 ppm和241 ppm(见表 1)，三者之间的差异主要受地球轨道引起太阳辐射变化影响，而PD和FA试验中温室气体浓度明显偏高，可以用来探讨温室气体强迫对区域气候异常影响。夏季(图 7b)，EH季风区降水高于PI，说明夏季北半球太阳辐射偏高将引起降水明显增加，但是在未来10 ka后虽然太阳辐射相对现代增加，但由于自然强迫中温室气体浓度偏低(FN)缘故，降水反而减少。对比FA、EH和PI显示，未来10 ka后东亚夏季降水相对工业革命前增加9.87 %，而早全新世只增加了2.66 %，夏季风指数变化显示，早全新世东亚夏季风最强，未来10 ka后次之，而现代最弱。可见，自然演化过程中北半球夏季太阳辐射增加是东亚夏季风增加的主要驱动力，而温室气体浓度增加将导致东亚季风区降水增加。现代相对工业革命前温室气体增加可引起夏季降水增加7.07 %。在未来10 ka后，相对自然强迫中等排放路径的温室气体浓度可引起夏季降水增加17.57 %。另外，温室气体增加也可引起未来10 ka后东亚夏季风增强，但在现代将造成东亚夏季风减弱现象，这可能是自然强迫和人类活动共同影响的结果。
自然强迫下早全新世和未来10 ka后冬季地表温度因太阳辐射降低而明显偏低(图 7c)，且太阳辐射越低地表降温越强，如早全新世中国内陆干旱区冬季温度明显低于现代和未来10 ka后。温室气体浓度增加将引起地表明显增温，在未来10 ka后中等排放可引起中国内陆干旱区增温4.32 K，现代相对工业革命前因温室气体增加导致地表增温达3.57 K。进一步对比FA、EH和PI(图 7c)，中国内陆干旱区未来10 ka后相对工业革命前地表增温2.45 K，而早全新世降温-2.98 K。冬季风指数变化显示自然强迫下早全新世和未来10 ka后冬季风指数明显强于PI，但人类活动引起的增温效应可能抵消太阳辐射强迫影响，如FA相对FN东亚冬季风指数明显减弱，PD相对PI也明显减弱。
3 结论和讨论在岁差尺度上，未来万年尺度气候变化主要受地球轨道改变引起太阳辐射变动和人类活动引起温室气体浓度变化的影响。因此，在进行未来长期气候预估时，对比自然强迫和人类活动影响至关重要。本文利用最新全球海-陆-气耦合模式，进行了自然强迫和人类活动共同影响的5个敏感性数值试验，探讨了轨道尺度上自然强迫和人类活动对亚洲区域气候的可能影响。主要取得以下结论：
(1) 未来10 ka后的岁差强迫类似于早全新世，夏季地球位于近日点，北半球接收到的太阳辐射处于岁差周期的极大值。在仅考虑自然强迫作用下，早全新世夏季太阳辐射增加将导致东亚夏季风较工业革命前明显加强，区域降水增加。但在未来10 ka后，虽然夏季太阳辐射增加也将导致东亚夏季风环流增强，但若参考末次间冰期时段温室气体浓度偏低，则东亚夏季降水相对工业革命前减少。
(2) 在自然强迫作用下，早全新世和未来10 ka后冬季太阳辐射值相对现代偏少，地表温度明显偏低，冬季风加强。
(3) 未来10 ka后人类活动引起的温室气体浓度增加将引起地表明显增温，致使夏季东亚区域陆地、海洋地表蒸发增强，同时海陆热力差异引起海洋向陆地大量输送水汽，大气中水汽含量增加，从而引起东亚区域夏季降水在未来10 ka后增加17.57 % (FA相对FN)。温室气体增加也可引起未来10 ka后冬季中国内陆干旱区增温，冬季风明显减弱。
(4) 在综合考虑自然强迫和人类活动后东亚夏季降水进一步增加，虽然未来10 ka后的夏季日射较早全新世低，但相对工业革命前，未来10 ka后东亚夏季降水将增加9.87 %，而早全新世只增加了2.66 %；同时，虽然在岁差强迫下东亚冬季风增强，但在自然和人类共同作用下东亚冬季风将减弱，而在仅有自然强迫的早全新世东亚冬季风却是增强的。与工业革命前相比，未来10 ka后冬季内陆干旱区地表增温2.45 K，而早全新世地表却降温-2.98 K。
本文仅从自然强迫和人类引起的温室气体变化角度设计了岁差周期上5组敏感性数值试验，讨论了万年尺度上自然和人为因子对东亚区域气候变化的相对贡献，但是未来长期气候预测上存在着较大不确定性。例如，随着人类对自然资源开发利用政策改变和新能源出现，以及社会发展和科技进步，未来排放路径将得到相应调整，使得未来人类引起的温室气体和气溶胶排放充满变数。各种气候反馈，如冰盖演化，陆地植被反馈，海洋吸收、气溶胶以及火山活动等外强迫对未来不同时间尺度气候变化有一定影响，加大了问题的复杂性。本文的一些结论仅是初步的，在未来研究中我们将设计更多的情景进行模拟试验以进一步明确长期气候预估的不确定范围。
致谢: 感谢杨美芳编辑和匿名审稿专家提出富有建设性的修改意见。
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2 CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101;
3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
Abstract
It is generally accepted within the scientific community that within the glacial-interglacial cycles of the Quaternary, over 100 ka cycles, the colder glacial period generally lasts 70 ka to 90 ka. In contrast, the relatively warm interglacial period between two glacial periods usually lasts 10 ka to 30 ka. The Last Glacial Maximum appeared at approximately 21 ka before present(B.P.), after which the Earth's climate entered the deglacial period and Holocene. From the pattern of the glacial-interglacial cycle, it is clear that the Earth's climate is currently entering or should soon enter the next glacial period. However, observations and numerical simulations in recent decades have confirmed that human-induced dramatic increases in the concentrations of greenhouse gases in the atmosphere since the Industrial Revolution is the dominant driver of global warming. The Earth's climate system may be undergoing a process of transition from a system subject to a single natural forcing to a system subject to both natural and human-related drivers. Human-related drivers may even have a more significant effect on the global climate compared to natural factors, and this effect will continue for a long time. The effects of polar ice sheets on the global climate have gradually diminished since the Early Holocene, and variations in solar radiation resulting from variations in the Earth's precession parameters characterized by a quasi ca.20 ka cycle is the main driving force of the changes to the Asian monsoon on a 10 ka time scale. Although the Earth's perihelion currently falls in December, during the Early Holocene and by 10 ka after present, the perihelion is in June, representing the strongest precession forcing on the climate of the Northern Hemisphere. Over the next 10 ka, it is generally accepted that emissions of greenhouse gases from human activities in combination with a change in solar radiation resulting from the Earth's orbital forcing will be the main drivers of the global climate. Under natural conditions, changes in atmospheric greenhouse gas concentrations would follow the pattern of the glacial-interglacial cycle; however, human activities have resulted in elevated atmospheric greenhouse gas concentrations that far exceed the range of natural changes. The United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) Fifth Assessment Report(AR5) points out that at current concentrations, even if greenhouse gases emissions were to be constrained to fall within the medium representative concentration pathway(RCP4.5), atmospheric CO2 concentrations would reach 543 ppm by 2100.The current study used the global climate model CESM 1.2 to complete five sensitivity experiments:(1) The Early Holocene(EH); (2) Pre-Industrial Revolution(PI); (3) Present-day(PD); (4) Future under the natural forcing only(FN); (5) Future with natural and anthropogenic impacts(FA). The current study compared and analyzed the possible impacts of changes in solar radiation and greenhouse gases resulting from both natural processes and human activities on the climate of East Asia. The simulation results showed that changes in solar radiation resulting from changes caused by precession could lead to an increase and decrease in the surface temperature of the East Asian region in summer and winter, respectively, during in the EH and FN relative to that in the PI. Besides, the simulation showed significant enhancement of the winter and summer monsoons and that summer precipitation in East Asia during the EH is significantly increased. However, low concentrations of greenhouse gases resulting from natural forcing in FN will result in a decrease in summer precipitation. The increase in greenhouse gas concentration resulting from human activities will result in a significant increase in surface temperature, which will strengthen and weaken the East Asian summer and winter monsoons, respectively. A combination of climate forcing from natural processes and human activities will result in an increase in summer precipitation in East Asia by 9.87% in the FA relative to the PI levels, but only by 2.66% in the EH. At the same time, under the joint climate forcing by natural processes and human activities, the East Asian winter monsoon will weaken during the FA, whereas the East Asian winter monsoon under only natural forcing will be strengthened in the early Holocene. This result suggests that human activities may disturb the natural evolution of the climate of East Asia on the precession scale, even during the period of maximum precession forcing.