本文利用一个1 km分辨率冰盖模式和11个PMIP4全球气候模式,研究了全新世中期亚洲高山区气候和冰川的变化特征。多模式集合平均结果显示,(1)全新世中期亚洲高山区年平均温度较工业革命前期降低了约0.7 ℃,夏季气温升高约0.7 ℃,冬季气温降低约1.8 ℃,全新世中期年平均降水略微增加(0.5%),但夏季和冬季降水分别增加和减少了约16%;(2)全新世中期亚洲高山区冰川较工业革命前期整体显著退缩,面积减少了约13%,体积减小了约8%。在区域尺度上,全新世中期亚洲高山区北部冰川的面积(体积)减少了约58%(47%),西部冰川的面积(体积)减少了约26%(25%),而南部冰川的面积(体积)增加了约20%(39%);(3)全新世中期夏季升温主导亚洲高山区北部和西部冰川的退缩,而降水增多是亚洲高山区南部冰川扩张的首要控制因子。本研究有助于加深理解全新世中期亚洲高山区冰川的变化格局和驱动因子。

利用国际古气候模拟比较计划(PMIP)最新第四阶段(PMIP4)中14个气候模式的试验数据,集中研究了距今约6 000年的全新世中期中国气候和东亚季风。与早期PMIP第三阶段(PMIP3)多模式结果类似,全新世中期中国年、冬季和春季地表气温较工业革命前期偏冷,而夏季和秋季偏暖,其中年和冬季模拟偏冷与大部分地质记录显示的偏暖不符;所有14个PMIP4模式集合的中国区域平均年和季节温度变化绝对值为0.08~1.69 ℃,较PMIP3多模式平均结果额外偏小0.01~0.45 ℃,这部分源于大气二氧化碳浓度的减少。在用于分析的11个PMIP4模式平均结果中,全新世中期中国年平均降水、蒸发和有效降水(即降水量减蒸发量)相对于工业革命前期分别增加2%、减少1%和增加7%,所有3个物理量在季节上均表现为冬春季减少,夏秋季增加。对比PMIP4模式和PMIP3多模式平均结果,上述3个物理量的中国区域平均值和区域变化差异均在夏、秋季大于年和冬、春季;相比于PMIP3模式,PMIP4模式模拟的年有效降水变化与地质记录更为接近。全新世中期东亚冬、夏季风在14个PMIP4模式中均模拟加强,所有模式平均较工业革命前期分别增强11%和32%;在区域尺度上,与早期PMIP3模式相比,当前PMIP4模式模拟的季风环流增强幅度在东亚北部更强,南部偏弱。

气候重建工作的深入开展极大地促进了全新世亚洲季风变化的研究,然而当前重建结果对亚洲季风的演变特征和机理存在很大争议,开展古气候模拟对理解全新世亚洲季风演变的时空特征和成因机制具有重要意义。为此,本文主要从气候模式模拟的角度回顾全新世亚洲季风百年-千年尺度变化的模拟研究工作,并将从外强迫和气候系统内部变率这两个角度对机制进行探讨。主要有以下进展:全新世瞬变模拟试验结果反映早全新世以来亚洲季风降水呈下降趋势,这主要受到地球轨道参数的影响,并通过改变海陆热力差异和半球间温度梯度来影响亚洲季风降水。在百年尺度弱季风事件上,模拟的8.2 ka BP时期的亚洲季风弱事件主要是由冰川融水触发,引起大西洋经向翻转环流AMOC减弱并通过大气遥相关导致季风降水减少;而4.2 ka BP时期模式模拟的亚洲弱季风事件主要是受内部变率所主导而并非外强迫因子影响。亚洲季风百年尺度变化的模拟研究主要集中在过去2 000年时段,中世纪气候异常期季风明显增强,而在小冰期逐渐减弱,太阳辐射和火山活动是影响其变化的主导因子,它们通过影响海陆热力差异、印—太海温变化来影响季风变化。

第四纪冰期的千年尺度气候突变事件——Dansgaard-Oeschger Event (D-O事件),一直是古气候学领域关注的重点。近年来,数值模拟的研究发现,北大西洋副极地地区年际-年代际气候变率的振幅在D-O事件中的冰阶冷期远大于间冰阶暖期,这一现象为理解该区域海温代理指标的气候学意义提供了重要参考价值,但其动力机制尚不清晰。本文利用海气耦合气候模型(COSMOS),通过模拟氧同位素(MIS)3阶段的一个典型D-O事件过程,探讨了冰阶冷期北大西洋气候变率的放大机制。结果显示,北大西洋副极地海域的季节性海冰通过调控海气间热量交换,影响当地气候变率的幅度。冰阶期,热带暖水向北输送导致海洋次表层逐渐升温,削弱了表层-次表层海水的密度层结,有利于次表层暖水上涌,促进海冰融化及海表温度升高。这将激发出海平面气压的负异常,引起气旋式风切变,并通过Ekman抽吸作用加速表层-次表层海水的垂直混合,进一步促进次表层暖水的上涌。这一正反馈机制造成海洋次表层热量的迅速释放,海表温度快速升高。当次表层热量释放结束后,海表将无暖水补充,导致海表温度下降,海冰增多。该过程激发的海表气压正异常(即反气旋式风切变)将抑制垂直混合发生,促进次表层热量积累,为下一次放热过程提供条件。在间冰阶暖期,随着北大西洋季节性海冰消失,海气间热交换不再受海冰变化影响,海洋次表层与大气间的热交换始终处于准平衡态,气候变率的振幅显著下降。本研究结果显示,北大西洋季节性海冰的存在可以调控海洋次表层热量积累-释放的过程,产生“电容器”效应,这对理解冰期年际-年代际气候变率放大现象有重要启示意义。

千年尺度气候突变事件是第四纪冰期普遍存在的气候现象。这些事件可以被分为两类,一类为Dansgaard-Oeschger Event (DO事件),另一类为海因里希(Heinrich Stadial,HS)事件,后者有时也被认为是一种特殊的DO事件,因此也被称为 HS-DO事件。HS事件期间北大西洋冰架的融化一般对应DO振荡的冷相位,这与通常认为的冰架在较冷气候下体积增加并不相符。这两类事件在北大西洋重建数据中表现得最为明显,但其气候影响具有全球性。由于没有显著的外强迫驱动这两类气候突变事件,自20世纪90年代首次被确认以来,HS-DO事件一直是古气候界关注的重点,且人们对其触发机理仍没有定论。本文基于目前对这两类千年事件的研究现状,集中总结了目前已有的可反映千年事件的重建数据,利用已有的模拟工作,重点回顾了现有的机制理论,评述了目前研究DO事件以及HS-DO事件的局限性,并对其后续工作,尤其是模拟部分,进行了展望。

上新世早—中期是巴拿马海道关闭及印度尼西亚海道收缩的关键时期。目前,针对这两个海道关闭的气候效应已有不少研究,但多数研究关注巴拿马海道、洋流变化及其与北半球高纬冰盖发育的联系,缺乏两大热带海道关闭/收缩对东亚气候影响及机理的研究。我们基于挪威地球系统模型(NorESM-L)探讨了印尼海道收缩及巴拿马海道的浅关闭对东亚气候的影响。结果表明,热带海道的关闭/收缩加强了北太平洋的经向梯度,进一步导致夏季近地表气温在东亚北部降低,东亚南部升高;降水在长江流域至中国东海一线显著增加,但在东亚南部至西南部显著减少。冬季,近地表气温在东亚大陆地区升高,降水减少。上述变化主要由印尼海道的收缩导致,除冬季温度外,巴拿马海道浅关闭对东亚气候的影响较弱。此外,结合定性的记录-模拟对比,我们进一步揭示出热带海道的关闭/收缩可在一定程度上影响东亚气候在中上新世的转型,但不是主要驱动力。

青藏高原隆升作为新生代的重大地质事件对亚洲乃至全球气候环境变化产生了深远的影响,因而高原隆升的气候环境效应一直是备受关注的重要科学问题。在过去近半个世纪中,国内外学者利用气候数值模式开展了大量高原地形气候效应的数值模拟研究,这些研究结果极大地提升了对地形抬升影响气候的物理机制以及高原隆升对古气候演化驱动作用的认识。本文简要回顾了过去有关青藏高原隆升气候效应数值模拟研究的进展,并按照高原隆升模拟研究发展的3个阶段总结了目前取得的主要研究成果。从数值模拟结果看,新生代以来青藏高原在隆升、生长和北移过程中其动力和热力作用对东亚季风的形成、南亚季风的演化、内陆干旱化的发展以及亚洲季风-干旱环境格局的变迁都具有深远的影响。青藏高原及其周边不同区域地形隆升的气候效应不同,青藏高原隆升的气候效应与大陆漂移背景下海陆分布和古地理格局的变化密切相关。南亚热带季风的建立是由大陆漂移的位置和热带辐合带季节性移动共同决定的,而东亚季风的建立则主要取决于青藏高原的隆升和北移。亚洲副热带干旱区的存在取决于大陆的位置和行星尺度副热带高压的控制,而亚洲内陆中纬度干旱区的形成则是青藏高原隆升的结果。本文最后简要梳理了高原隆升气候效应数值模拟研究目前存在的问题和未来可能的改进。

大气中的沙尘通过对太阳光的吸收和散射对地表温度产生影响,进而对大气环流和降水等也产生影响,但是在地球的不同历史时期尤其是深时地球大气中的沙尘量如何变化以及如何影响气候还有很多不清楚的地方。本文通过模式模拟对地球上4个不同时期的沙尘变化及其气候影响进行了研究,这4个时期分别是陆地植被还没有出现的前寒武时期、有植被且全球气温较高的盘古超大陆时期、大陆分布接近现代但气候较寒冷的末次盛冰期和气候较温暖的中全新世。在前寒武时期,由于陆地起沙面积大,大气中的沙尘含量可以达到现代地球的近10倍,使得全球地表温度下降也有近10 ℃。在盘古超大陆时期,由于在副热带的陆地面积比现代稍大,因此大气沙尘量也比现代稍大,对全球平均温度的影响很小。在末次盛冰期,由于寒冷干燥,沙尘量是现代的约两倍,但是它对全球有强烈的增温作用,如果没有沙尘,全球温度可能降低约2.5 ℃。在中全新世,观测显示全球沙尘量比现代少很多,模拟显示,采用现代沙尘和把沙尘全部去掉对全球平均温度的影响可以忽略,但是大西洋经向翻转流有显著变化。