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气候系统外部因子和内部因子对过去千年气候变化影响的模拟研究

彭友兵  
【摘要】: 本文利用完全耦合的三维全球气候系统模式CCSM2.0.1和中等复杂程度地球系统模式CLIMBER-2探讨了气候系统外部和内部强迫因子对过去千年全球和中国东部气候变化的影响。在自然和人类活动外部强迫条件下驱动CCSM2.0.1进行了六组过去千年气候变化的敏感性模拟试验。首先,根据重建和模拟数据分析了过去千年北半球和中国温度、降水变化的特征,研究外部强迫因子对这些区域气候变化的影响。其次,主要针对中国东部夏季降水对大火山活动的响应及机制进行分析,进一步又研究了模拟的过去千年气候系统内部变率太平洋年代际振荡(PDO),并分析了PDO对中国东部气候的影响。论文的另外一部分内容,是利用CLIMBER-2模拟研究了全新世(9kyrBP-OkyrBP)青藏高原冰雪覆盖率这一气候系统内部因子变化对亚非季风区域及其他地区气候变化的影响。主要结论如下: (1)模拟的北半球、中国、中国东部温度千年变化序列与相应区域重建序列基本吻合,但模拟的中国东部(105°E以东,25-40°N)和长江中下游(106-122°E,26-34°N)降水千年变化序列与重建序列相比只是在某些时期相似。重建和模拟温度序列均显示公元1300年以前气候偏暖,之后温度缓慢回复正常。14世纪末期开始降温,17世纪至19世纪早期,气候偏冷,这个时期是近千年中最冷的时期,也被称为小冰期。偏冷的气候到19世纪结束,温度在20世纪逐渐增加,气候偏暖。虽然中国区域重建序列显示20世纪增温幅度未超过中世纪增温幅度,但其他温度序列均显示20世纪增温幅度在过去千年是异常的。模拟数据显示中世纪暖期中国东部干湿交替变化,小冰期气候干旱,1890年后气候变得湿润。长江中下游降水变化序列与重建序列的吻合要较之于中国东部好,特别是1850年前。过去千年中国东部温度变化区域差异明显,且气候变化没有明显的固定模式(暖湿,冷湿,暖干或冷干)。对重建序列和模拟序列的小波分析结果显示温度和降水存在显著的年代际至百年尺度上的波动变率。过去千年中国东部气候变化主要受太阳活动和火山活动的控制,然而对近100多年气候增暖温室气体起了更为重要的作用。 (2)通过分析自然和人类活动共同作用下的过去千年模拟试验去探讨中国东部夏季降水对大火山活动的响应。时序叠加方法分析结果显示,中国东部夏季降水在18个大火山爆发的当年和之后几年显著减少。模式结果表明中国东部夏季降水的减少主要是因为大火山活动导致夏季季风减弱和热带海洋水汽减少。 (3)对全球海表面温度距平进行EOF分析,结果显示EOF第三模态即为PDO模态,对应的过去千年时间序列显示11-14世纪PDO为负位相,15、16世纪PDO为正位相,18世纪为负位相,19世纪为正位相,并存在年际2-8a周期,年代际10-15a和35-70a周期和百年尺度80-130a周期变化,并且不同的时期周期变化不同。PDO通过影响大气环流东亚夏季风强弱变化,进一步影响中国东部气候变化。PDO暖位相,华南、华北干旱,长江中下游湿润,中国东部气候寒冷。在华北,PDO的影响在过去千年始终存在,尤其当PDO变化较强时更加明显。影响长江中下游降水变化的因子较为复杂,PDO的影响没有像对华北的影响那么明显(尤其是当PDO变化较弱时)。研究结果表明过去千年中国东部气候变化不仅受外部因子影响,同时也受气候系统内部变率的影响。 (4)模拟结果表明,中全新世青藏高原上增加冰雪覆盖后,会引起全球夏季降温,尤其是在欧洲、亚洲北部和北美的部分地区,夏季降水在北非、南亚与中国东北显著减少,而在东南亚、地中海地区增加。在整个全新世时期(9kyrBP-OkyrBP),南亚和北非植被覆盖对青藏高原冰雪覆盖率变化的响应并不同步,北非植被比南亚植被减少的时间要早,减少也要更剧烈,北非植被在9-6kyrBP剧烈减少,而在南亚植被在5 kyrBP前变化较小。青藏高原逐渐增加的冰雪覆盖率将导致在6-0 kyrBP期间南亚温度增加而北非和东南亚温度降低。北非和南亚降水显著减少,但在6-0kyrBP期间降水缓慢减少或者不变。青藏高原冰雪覆盖率不同的变化方式将导致北非、南亚和东南亚温度、降水和植被不同的变化。青藏高原冰雪覆盖对亚-非季风区的影响机制在于冰雪反照率增大了植被的反馈作用,并最终放大了轨道强迫的作用。


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