2021, Vol.41
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)
受自然外强迫和人类活动的共同影响，地球系统正经历以变暖为主的气候变化[1]。专家学者为解释现代地表温度急剧上升的成因开展了大量工作，有人提出全球变暖是持续的[2~3]，许多研究认为现代暖期主要由人类活动尤其是温室气体所主导[4~8]，但在1998~2012年间，全球性的线性增暖趋势较之前显著减缓，出现了增暖停滞[1]，这一现象难以用温室气体增加来解释。探究自然外强迫对气候变化的响应逐渐受到重视，许多学者认为除了温室气体外，太阳活动和火山活动也可能对全球温度变化具有重要的贡献[9~12]，甚至有学者提出太阳强迫可能是全球变暖的重要推动力[13~14]。然而，这些自然强迫因子的贡献究竟是多少还难以回答。这需要我们去回溯人类活动较少的自然暖期。
Lamb[15]在“Present，Past and Future”中指出黑暗时代冷期前的公元1~4世纪相对温暖，后有学者将该时期定义为罗马暖期(Roman Warm Period，简称RWP)[16~17]。Lamb[18]还提出了“中世纪暖期”，后由IPCC第五次评估报告将“中世纪暖期”称为“中世纪气候异常期”(Medieval Climate Anomaly，简称MCA)，这是因为此时的增暖缺乏全球一致性[1]。“中世纪暖期”是否作为全球性现象真实存在、它的起讫时间以及不同区域的增温幅度仍存在较大争议[19~27]，因此，本文统一为“中世纪气候异常期”。
在“过去全球变化”(Past Global Changes, 简称PAGES)和“气候变化与可预报性”(Climate Variability and Predictability, 简称CLIVAR)两大国际研究计划的推动下，过去气候变化的研究得到各国学者的广泛关注[28~32]。Lean和Rind[33]认为，太阳辐射是导致小冰期至1850期间气候变化的主控因子，自1900年起，随着人类活动的加剧，太阳活动的贡献在相对减小；Eddy[34]的证据表明自1850年以来地球表面变暖与太阳活动的增加有关；郑景云等[35]提出在百年尺度上，10~13世纪是过去2000年持续时间最长的暖期且其温度和起讫时间存在区域差异；王绍武等[30]认为中世纪气候异常期相对过去千年温度平均来说更暖；Zhou等[36]发现中世纪气候异常期的变暖幅度比20世纪要弱得多。这些工作均只回溯到了中世纪时期，他们重点关注了过去千年，而忽略了罗马暖期这一典型自然暖期。基于前人的工作，我们把目光定格到过去2000年，以研究更长时间尺度历史气候的变化特征，开展关于罗马暖期的研究工作，了解自然暖期和叠加了人类活动的暖期的温度特征和影响机制间的异同，这对于预测未来的气候变化非常重要。
针对整个过去2000年气候变化的研究大部分集中于气候代用资料重建的单点序列或多点集合资料[37~44]。研究使用代用资料和气候模型模拟过去气候均取得了可观的进展：代理数据在时间和空间上都得到了扩展(PAGES2k Consortium 2013，2017)；Smerdon和Pollack[45]讨论了针对过去2000年气候变化研究关注的增加，怎样更精确地重建半球及全球温度；Christiansen和Ljungqvist[46]评估了与代用资料有关的不确定性如何在重建中显示为偏差和方差，并提出了有关未来大规模温度重建的建议；同时改进了校准方法[45~46]以及开发古数据同化技术[47~48]。在检测与归因以及模拟-重建比较研究中表明，外部强迫的变化是响应数十年至百年尺度上温度变化的重要因素。Andres和Peltier[49]提出火山喷发、总太阳辐照度变化、温室气体浓度波动和轨道强迫变化对过去千年地表气温和海冰浓度变化有显著贡献。Otto-Bliesner等[50]发现，所有的强迫作用，特别是大的火山喷发，在工业化之前都具有区域影响力，而人为产生的温室气体与气溶胶变化主导了20世纪中后期的强迫变化。强迫响应的非线性及对背景条件的敏感性证明了需要一组模型模拟来分离强迫响应。
然而代用资料难以揭示自然暖期的成因机制，这些进展促进了越来越多模拟-重建的对比研究。Zhong等[51]提出各种来源的古气候代用资料对统一框架的科学统计及合理地推断提出了严峻的挑战，并在研究北极冷却现象中使用过去2000年的模拟结果来完善对代用资料重建结果的解释。基于前人的工作，我们认识到回溯历史时期典型暖期的成因机制有助于人们去理解现代暖期的成因机制以及认清自然因子的贡献，本文基于CESM的过去2000年气候模拟试验资料，在与PAGES2k-2017代用资料数据集集成得到的重建资料和同化资料(Last Millennium Reanalysis，简称LMR)验证对比的基础上，重点关注罗马暖期、中世纪气候异常期、现代暖期的北半球温度变化特征，并初步探讨了其成因机制。
1 模拟试验与重建资料 1.1 模拟试验介绍CESM(Community Earth System Model)是由美国国家大气研究中心(NCAR)推出的通用地球系统模式，该模式由大气[52]、海洋[53]、陆面[54]、陆冰[55]和海冰[56]这5个子模式通过“中央耦合器”耦合而成，而陆冰模式则单向耦合到陆面模式上。
本文采用CESM的低分辨率版本(CESM1.0.3，T31_g37，即水平分辨率为3.75°×3.75°；海洋模式在全球范围内经向116格点，纬向100格点，垂直方向分为60层)进行了6个过去2000年瞬变积分气候模拟试验，包括控制试验(Control experiment，简称Ctrl)、全强迫试验(All forcings experiment，简称AF)和4个单因子驱动的敏感性试验，分别为太阳辐射敏感性试验(Total solar irradiation experiment，简称TSI)、火山活动敏感性试验(Volcanic eruptions experiment，简称VOL)、温室气体敏感性试验(Greenhouse gases experiment，简称GHGs)和土地利用/覆盖敏感性试验(Land use and land cover change experiment，简称LUCC)。本文暂时仅考虑全强迫试验和4个单因子敏感性试验结果(表 1)。试验的外强迫条件为地球轨道参数[57]、太阳辐射[58]、火山活动[59~60]、温室气体浓度[61]和土地利用/覆盖[62]，具体的试验设计见文献[63]。需要说明的是，全强迫试验和火山活动敏感性试验均未考虑1~500年的火山喷发，本文将Sigl等[59]的1~500年火山序列进行了时空拓展并与Gao等[60]的501~2000年火山强迫进行拼接，共同驱动CESM并得到了过去2000年的全强迫试验和火山活动敏感性试验[64]。
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表 1 过去2000年模拟试验设计 Table 1 Design of the past 2000 years experiments |
本文使用的同化资料(The Last Millennium Reanalysis，简称LMR)是Tardif等[65]利用集成方法来处理古气候数据，以产生共同时段的年分辨率气候场重建数据。古气候数据同化包括3个主要组成部分：1)代用资料，提供过去气候状况的间接记录，LMR使用的代用数据库为最新的PAGES2k集合(PAGES2k-2017)；2)气候模型，提供对气候的事先估计；3)代理系统模型，提供模型先验和重建值之间的联系。LMR基于第5阶段耦合模型比较项目(CMIP5)气候模式模拟中的静态整体样本作为气候变量的先验估计，并结合代用资料，采用线性单变量正向模型(Proxy System Models，简称PSMs)构建格网化数据。结果表明，在与Hakim等[66]提出的上千年再分析原型相比，有显著改进。此外，所用的代用资料数据均进行蒙特卡洛抽样，以在协方差估计中加入不确定性，从蒙特卡洛的实现中再进行集合平均可以得到更准确的结果[65]。文章将蒙特卡洛迭代结果的范围作为LMR资料的不确定性范围。
1.3 重建资料PAGES2k-2017数据库包括所有大陆地区和主要海洋盆地[67]，记录来自树轮、冰芯、湖泊沉积物、珊瑚、洞穴石笋、历史文献等。它们的时间长度从50年到2000年不等，中位数为547年，而时间分辨率从每两周到百年不等。在1850~2014 A.D. 期间，近一半代用资料的时间序列与HadCRUT4.2表面温度显着相关[68]。从PAGES2k-2017数据库[67]统计，得到涵盖整个过去2000年的数据仅21条，涵盖0~1000年的代用资料占比仅为17 %，尤其在亚洲和北美两个陆地地区以及海洋区域，大部分代用资料的时段仅包含1500年以来。本文从PAGES2k-2017数据库中挑选了25条代用资料(欧洲区域仅包含夏季代用资料)，选择标准规定为：北极、欧洲、北美与亚洲区域的代用资料，因PAGES2k-2017数据库的海洋代用资料时间跨度较短，不进行挑选，选择的代用资料为年分辨率，且表征为年均温度，资料的时间跨度至少涵盖1200~2000 A.D.。
为了更全面的表现北半球地表温度，本文参考Ljungqvist等[69]以及额外收集了15条代用资料[70~83](表 2)，总共为40条代用资料，并按照Zhong等[51]和Mann等[84]的方法，对每条代用资料进行标准化处理(相对1500~1900 A.D. 的标准差)，并在时间上进行30年平均。在代用资料的集成处理中，将选取的代用资料填写进1°×1°分辨率的空间网格中，例如(30.0°~30.4°N，100°E)这个范围内的代用资料均放入(30°N，100°E) 这个网格里，位于同一个网格的资料对共同时间段进行集合平均，数据缺失的地方设置为缺省值，求区域平均时进行纬向加权平均。
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表 2 15条代用资料信息 Table 2 Information of 15 reconstructions |
前期已有不少工作验证了CESM模式的模拟性能及其对过去千年气候变化的模拟[63, 85~88]，但缺少对罗马暖期北半球温度变化的研究，本文根据时间序列结果，选取北半球区域3个偏暖时期，以比较区分自然暖期和现代暖期。由图 1可知，重建资料、LMR与AF时间序列的相关系数分别为0.60和0.67，均通过99 % 的显著性检验，AF试验和重建资料，显示经历了“暖-冷-暖-冷-暖”的多百年波动变化，其中在中世纪气候异常期，两组资料显示温度相对偏暖，而在LMR中未能体现。结合PAGES2k-2019[89]，模拟结果与重建资料在上一个千年更暖，同时在1200 A.D. 之后温度变冷。考虑LMR资料，综合温度距平序列结果，我们选取0~300 A.D. 为罗马暖期，800~1100 A.D. 为中世纪气候异常期，1850~2000 A.D. 为现代暖期。
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图 1 过去2000年北半球温度距平(℃，相对于整个过去2000年)的30年插值序列 包括全强迫试验(AF，黑线)、同化资料(LMR，红线，阴影表示不确定性范围)和重建资料(Proxy，蓝线)；橙色阴影部分为划分的3个特征时期(RWP、MCA和PWP) Fig. 1 30-year interpolation time series of surface temperature anomalies of Northern Hemisphere(℃, relative to the entire past 2000)over the past 2000. Including the all forcing experiment(AF, black line), the last millennium reanalysis(LMR, red line, the shading denotes the range of uncertainties)and reconstruction integration data(Proxy, blue line). The orange shaded part is divided into three characteristic periods(RWP, MCA and PWP) |
我们利用过去2000年AF试验、重建资料和LMR研究罗马暖期、中世纪气候异常期、现代暖期这3个时期北半球温度空间变化特征，其中PWP时期同化资料与观测资料的对比情况较好[90~91]，本文中不再考虑PWP时期的重建资料。由图 2a，重建资料显示出一致的高纬增温，同时在格陵兰岛区域增温的幅度更大；LMR在RWP时期出现以高纬度地区为主的增温现象，在冰岛附近增温明显；AF试验模拟出更广范围的增温现象，增温中心转移到加拿大北部以及欧洲中部地区(图 2d)。在MCA时期，重建资料显示在格陵兰岛附近、北欧地区、青藏高原和菲律宾附近存在增温点，地中海西北部、蒙古、柬埔寨附近出现降温，见图 2b，可见MCA并非全球同步增暖，与IPCC第五次评估报告[1]的结果一致，但LMR北半球温度变化呈现出区域不一致性，在欧洲北部和格陵兰岛附近出现增温，而在整个亚洲中部和阿留申群岛附近存在较大范围的降温。图 2e中，AF试验呈现与RWP时期较为一致的增温，但其增暖中心从格陵兰岛延伸至阿拉斯加附近。Tardif等[65]指出LMR在MCA时期偏冷，并将870~1000 A.D. 划分为MCA，与本文选取时段有一定区别，可能会加剧LMR与模拟结果的差异，同时LMR数据本身具有不确定性，可能导致AF模拟与LMR重建结果的不一致。AF和LMR均显示在PWP时期北半球增温幅度更大，波及范围更广，据图 2c，北美成为新的增温中心，同时亚欧大陆北缘大范围增温；AF试验显示在PWP时期各纬度带均分布有增温中心，且影响范围广。对比两个自然暖期和现代暖期的温度振幅情况，AF试验和重建资料在两个自然暖期的增温振幅平均值接近且均显著小于现代暖期增温幅度。图 2a~2f右上角数据显示，PWP期间，AF平均增温0.37 ℃，重建结果0.34 ℃，LMR为0.14 ℃；同时RWP时期的温度振幅情况为：AF为0.12 ℃，LMR为0.11 ℃，重建资料为0.24 ℃；在MCA期间，AF为0.15 ℃，重建结果为0.16 ℃，而LMR显示MCA温度异常值为0.01 ℃，并不显著。其中，重建资料显示在青藏高原和菲律宾附近出现明显增温(图 2b)，与LMR结果有所差异，可能是同化过程中的不确定性导致[65]以及重建资料具有季节依赖性和不确定性[65~67]。
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图 2
LMR、重建资料和AF试验在3个典型暖期的温度距平场(相对于0~2000 A.D.)
(a)、(b)、(c)分别表示LMR在RWP、MCA、PWP时期的温度距平场(℃)，其中(a)和(b)图中的圆表示对应时期重建资料温度距平；(d)、(e)、(f)分别表示AF在RWP、MCA、PWP时期的温度距平场(℃) (a~f)右上角的值代表温度振幅平均值，括号内数值表示对应时期收集的重建资料数目；打点区域代表通过95 % 的显著性检验 Fig. 2 Surface temperature anomaly fields of AF, reconstruction integration data and LMR in three periods(anomaly from 0~2000 annual mean). (a, b, c)The temperature anomaly field of LMR in RWP, MCA and PWP(℃), respectively, where (a) and (b) indicate the temperature anomaly of reconstruction data in corresponding period; (d, e, f)The temperature anomaly field of AF in RWP, MCA and PWP(℃), respectively; (a~f)The values in the upper right corner represent the average temperature amplitude, and the values in brackets indicate the collected data in corresponding periods number of reconstructed data. The dotted area represent the 95 % significance test |
为了更直观的比较两个自然暖期与现代暖期的区别，解释各时期地表温度变化的主要机制，图 3展示了过去2000年全强迫试验、LMR同化资料以及各个单因子敏感性试验在3个时期的温度箱型图。由图 3可知，在RWP期间，AF与LMR均体现出北半球的增温现象，AF模拟的增温幅度更大；在MCA期间，AF模拟显示出与RWP期间一致的增温，而LMR表现出增温现象存在区域性，并非大范围至全局现象；AF与LMR在PWP均显示出区别于两个自然暖期的大幅度增温，且增温最大值显著高于RWP、MCA时期。总体来说，CESM的全强迫试验能很好的模拟出LMR所反映的两个自然暖期(RWP和MCA)以及PWP的温度变化情况，在MCA期间，LMR显示其并非全球同步增暖而AF试验模拟的增暖现象显著。
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图 3 AF试验、LMR及各个单因子敏感性试验在3个时期的北半球平均地表温度箱型图 黑、蓝、红色箱型图分别表示RWP、MCA、PWP时期，从左至右依次为LMR、AF、VOL、TSI、GHGs、LUCC，其中箱子长度表示四分位数范围，箱子中间的横线表示中位数，两端分别表示第十和第九十(P10、P90)的百分位数；*号表示平均值 Fig. 3 Box plot of the surface temperature in the Northern Hemisphere for AF, LMR and single forcing sensitivity experiments in three periods. The black, blue, and red box diagrams represent the RWP, MCA, and PWP respectively. From left to right, they are LMR, AF, VOL, TSI, GHGs, and LUCC, in which case length represent the quartile range, the horizontal line in the middle of the box represent the median, and the two ends represent the 10th and 90th percentiles (P10 and P90), *represent the average |
其中，LUCC主要促进了RWP时期的增温，此时太阳活动和火山活动对地表温度有一定调节作用；到了MCA时期，火山活动频率相对较小，且太阳活动稳定，此时LUCC的调节作用相比RWP时期减弱；PWP期间在GHGs强迫驱动下，地表温度增加显著，其贡献超过了VOL、TSI两个外强迫因子，此时土地利用/覆盖强迫对增温显示出负向影响。
对于短波辐射，图 4a中AF试验模拟结果显示在两个自然暖期短波辐射通量更大。其中，土地覆盖与火山活动主要影响RWP时期短波辐射通量，太阳辐射与温室气体均有一定调节作用；MCA时期，呈现出与RWP较为一致的强迫响应，但土地覆盖的影响减弱，火山活动成为主要影响因子；温室气体的增加以及下垫面对短波辐射的反照率加强导致PWP时期短波辐射的相对减少。同时指向地表的长波辐射(正值)在PWP时期显著增加，主要受温室气体浓度影响(图 4b)，而在RWP、MCA两自然暖期长波辐射通量更低。
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图 4 AF试验及各个单因子敏感性试验在3个时期的短波(a)和长波(b)辐射箱型图 黑、蓝、红色箱型图分别表示RWP、MCA、PWP时期，从左至右依次为AF、VOL、TSI、GHGs、LUCC，其中箱子长度表示四分位数范围，箱子中间的分割线表示中位数，两端分别表示第十和第九十(P10、P90)的百分位数，*号表示平均值；正值均为方向向下的地表辐射通量 Fig. 4 Box plots of the shortwave (a) and longwave (b) radiation in three periods of AF and single forcing sensitivity experiments. The black, blue, and red box diagrams represent the RWP, MCA, and PWP respectively. From left to right, they are AF, VOL, TSI, GHGs, and LUCC. The box length represent the interquartile range and the dividing line in the middle of the box represent the median, the two ends represent the 10th and 90th percentiles(P10 and P90), and the *sign represent the average. Positive values are the downward radiative flux |
由图 4a，统计得到罗马暖期火山活动相比中世纪气候异常期火山活动较强烈，但火山喷发平均强度较低，短波辐射易到达地表；同时太阳活动相对较强，而温室气体浓度低，促进短波辐射通量增加；在该时期自然植被多，下垫面吸收的短波辐射多，反照率较小，整体表现在地表接受的更多的短波辐射。中世纪气候异常期火山活动少，太阳活动稳定[92]，地表吸收的短波辐射多，同时温室气体浓度较低，下垫面植被较多，表现出一定范围的增温现象，与罗马暖期较为一致，两个时期的增温现象主要由短波辐射增强导致。
在现代暖期阶段，短波辐射通量低于两个自然暖期(图 4a)，主要受到地表反照率增强造成短波辐射损失的影响，温室气体浓度对短波辐射有一定削弱作用，但TSI、VOL对促进PWP时期短波辐射通量的增加有一定贡献。同时长波辐射通量明显上升(图 4b)，这是由于温室气体的大量堆积，对流层大气中的水汽和CO2吸收了大量的长波辐射增温，同时也向外放出长波辐射，其中大部分朝向地面，补偿了地面辐射损失，导致地表温度迅速升温。此外，太阳活动对长波辐射通量的增加有一定贡献，自然植被的减少对其表现为负向反馈。
已有研究发现北极涛动(Arctic Oscillation，简称AO)在现代暖期表现为显著的正位相，与观测结果一致，且PWP时期的AO变率主要受人为外强迫的影响[93]。图 5所示，在RWP、MCA两个自然暖期北极低压异常与中纬度高压异常现象并不显著，而PWP时期AF试验显示出明显的北极低压与中纬度高压的模态，即显著的AO正位相。AO正位相模态的形成，不利于北极冷空气的南下，有助于PWP时期进一步的增温。在中纬太平洋区域出现显著的反气旋异常，阻塞冷空气南下。一些学者认为近年来AO的变化趋势主要受温室气体排放增加导致[94~95]。本文采用Thompson和Wallace[96]的方法，将过去2000年冬季北半球中高纬(20°N以北)海平面气压距平场进行经验正交函数分解(Empirical Orthogonal Function，简称EOF)的PC1定义为AO指数，计算得出在RWP、MCA、PWP时期AO强度比值约为1.0 : -2.6 : 29.1，发现了PWP期间AO在过去2000年以来的重要作用。
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图 5 AF试验在3个时期的海平面气压场(单位：hPa)和通过90 % 显著性检验850 hPa风场(单位：m/s) (相对于0~2000 A.D.) Fig. 5 Sea level pressure field(unit: hPa)and 850 hPa wind field(unit: m/s)passing 90 % significance test of AF in three periods(anomaly from 0~2000 A.D. annual mean) |
综合来看，过去2000年全强迫试验显示在3个时期出现大范围的增温现象(LMR显示在MCA时期增温不同步)。其中，两个自然暖期主要受太阳活动、火山活动影响，土地覆盖也起到一定的辅助作用。原因为火山活动较少而太阳活动稳定使更多的短波辐射到达地表，同时在RWP和MCA时期自然植被保留较完整，降低反照率，对温度增加有一定促进作用。土地覆盖对RWP时期温度增高的贡献相对MCA时期更大，成为该时期增温主要影响因素。在PWP时期，温度升高很大程度受温室气体浓度的影响，同时太阳活动和火山活动也有一定贡献。主要原因是排放的温室气体使地表吸收大量大气逆辐射，表现为长波辐射通量的迅速升高，这与Lean和Rind[33]提出随着人类活动影响的增大、太阳活动对现代地表增温的影响在减小的结论一致。而人类活动影响下的现代暖期，AO事件显著增强，进一步加剧PWP时期的增温。
3 结论与讨论为了更好的将两个自然暖期(RWP、MCA)与叠加了人类活动的现代暖期(PWP)的温度变化特征进行对比，本文从PAGES2k-2017数据库挑选了多个地点、多种反映温度变化的代用指标进行集成处理得到重建数据集(其中增加了一些近海/海温代用资料，视为近地表温度指标[97])，同时考虑LMR同化资料，与基于CESM的过去2000年气候模拟结果进行对比分析。在模拟与重建资料的对比中，模式模拟显示出较好的模拟性能，同时发现以下主要结论：
(1) 过去2000年AF试验与重建资料、LMR在北半球的地表温度距平序列均显示出较高的相关性，其相关系数分别为0.67和0.60，均通过99 % 的显著性检验。AF试验和重建资料，显示经历了“暖-冷-暖-冷-暖”的多百年波动变化，其中在中世纪气候异常期，AF与重建资料显示温度相对偏暖，而在LMR中未能体现。
(2) 3组资料均显示在PWP时期更为强烈的增温，其中AF平均增温0.37 ℃，重建结果为0.34 ℃，LMR为0.14 ℃。AF和重建资料在两个自然时期的温度振幅平均值接近且相对于现代暖期增温幅度更低，其中，RWP时期温度振幅情况：AF为0.12 ℃，LMR为0.11 ℃，重建资料为0.24 ℃；在MCA期间，AF为0.15 ℃，重建结果为0.16 ℃，LMR显示MCA温度异常值为0.01 ℃，并不显著。同时重建资料与LMR在MCA表现出增温现象存在区域不一致性。
(3) 初步分析得到，LUCC主要促进RWP增温，考虑是由于RWP和MCA时期自然植被保留较完整，降低反照率，对温度增加有促进作用，同时TSI、VOL有一定调节作用。在MCA时期，VOL、TSI为主要强迫因子，LUCC对气温有一定调节作用。两自然暖期均表现为下垫面接收到更多的短波辐射；在PWP时期，GHGs成为地表温度迅速上升的主导因子，同时VOL和TSI也有一定贡献，主要原因是排放的温室气体使地表吸收大量大气逆辐射，影响长波辐射更多地被地表吸收。文章还讨论了AO的影响，在RWP、MCA、PWP时期AO强度比值约为1.0 : -2.6 : 29.1，发现现代暖期AO在2000年以来的重要作用。
然而，本工作还存在以下几个方面的不足：
(1) 关于重建资料、LMR的不确定性，首先考虑到代用资料本身的季节依赖和不确定性[65~67]，同时Tardif等[65]讨论了LMR本身具有不确定性，指出LMR在MCA时期偏冷，并将870~1000 A.D. 划分为MCA，与本文选取的时期不同，可能加大了LMR与模拟结果的差异。
(2) 文章暂时未考虑轨道参数变化。基于CESM-LME结果[50]估算了轨道在850~2000 A.D. 的作用大约为0.06 ℃，因此在后续研究中，需要设计相关单因子敏感性试验进行进一步的讨论。另外，太阳辐射的驱动因子选择的为Shapiro等[58]2000年重建结果，该序列振幅较大，序列选择会影响模式运行的结果，且全强迫和每个单因子敏感性试验均只开展一组试验，在今后的研究中，应考虑模式模拟的不确定性，使用分析更多的模拟结果，并进行评估对比。
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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, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, 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
There are 3 typical warm periods, i.e. the Roman Warm Period(RWP), the Medieval Climate Anomaly(MCA), and the Present Warm Period(PWP) during the past 2000 years. The predecessors paid relatively little attention to the Roman warm period. In order to better compare the characteristics and mechanisms of temperature changes over the Northern Hemisphere in the natural warm periods and the warm period supercharged with human activities, We compared the simulation experiment data from the Community Earth System Model(CESM) with the reconstruction data, including the Last Millennium Reanalysis(LMR) and the reconstruction integration results(Proxy). In addition, the simulation experiment data include the all forcing experiment(AF) and four single forcing sensitivity experiments. The results show that the AF can well simulate the two natural warm periods(RWP and MCA) and PWP as reflected by the LMR and Proxy.This paper draws the following main conclusions. In the Northern Hemisphere, the temperature of the PWP is obviously higher than that of the RWP and MCA. The temperature increase during the RWP was similar to the MCA. By comparing the results from the single forcing sensitivity experiments, it is found that the temperature increase in the RWP is mainly affected by land cover, while solar and volcanic activity modulate the surface temperature increase. While in the MCA, the frequency of volcanic activity was lower than that in the RWP, while the solar activity was stable, which are the main controlling factors to promote warming. In the MCA, the regulatory effect of land cover forcing was weaker than that in the RWP. During the PWP, driven by the greenhouse gas forcing, the surface temperature increased significantly, and its contribution exceeded the two external forcing factors of volcanic and solar activity. In the PWP, the land use/cover forcing showed a negative effect on warming, and the Arctic Oscillation(AO) events intensified, further exacerbating the warming during the PWP.