历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展_宁亮.pdf

第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，宁亮，刘健，刘征宇，等 历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展 第四纪研究，（）：，（）：文章编号：（）历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展宁亮，刘健，刘征宇，严蜜，孙炜毅，陈可凡，覃燕敏，薛姣，王鎏琳，汪琪，李楚鑫，吴芬，李奔月（南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室 江苏省地理环境演化国家重点实验室培育建设点 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，南京师范大学地理科学学院，江苏 南京；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；马萨诸塞大学地球科学系气候系统研究中心，阿默斯特 马萨诸塞州；中国科学院机构地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安；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 ；俄亥俄州立大学地理系，哥伦布 俄亥俄州）摘要：本文总结了历史时期中国东部年代际干旱时空特征及成因机制的最新研究进展。作为典型季风区，中国东部年代际干旱均与典型的弱季风事件相关，空间特征上呈现出南涝北旱或者全区干旱的模态。成因机制方面，年代际干旱由气候系统内部变率（、）和外强迫（包括火山活动、太阳辐射、温室气体、人为气溶胶、土地利用等）共同作用引发，其中，气候系统内部变率主要对年代际干旱起到触发作用，外强迫对干旱强度和持续时间起到加剧作用；此外，外强迫还通过改变气候系统内部变率的频次和强度来改变年代际干旱的频次、强度、持续时间；最后，本文还探讨了历史时期中国东部年代尺度干旱研究中未解决的问题及未来研究方向。关键词：历史时期；年代际干旱；东亚季风；气候模拟中图分类号：文献标识码：开放科学标识码（）收稿，收修改稿 国家自然科学基金项目（批准号：、和）、国家自然科学基金中瑞合作交流项目（批准号：）、中国科学院（类）战略性先导科技专项项目（批准号：）和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开放基金项目（批准号：和）共同资助 第一作者简介：宁亮，男，岁，教授，古气候模拟研究，：通讯作者：刘健，：引言年代际干旱通常定义为持续时间超过 年的干旱，具有持续时间长和严重程度高等特征，对社会经济和生态环境等方面具有重大影响，因此受到国际国内气候学界的广泛关注。例如，过去几十年，在全球增暖的背景下，中国北方地区的干旱面积日益扩大且程度不断加剧，导致了水资源匮乏、生态环境退化等一系列问题。美国西南部也经历了过去 年来最严重的干旱，这种程度干旱的发生频率在未来全球变暖的背景下将明显增加，而且，随着未来增暖的进一步加剧，全球很多区域年代际干旱发生概率都将显著增加。因此，为了提高年代际干旱的未来预估精度，需要对其时空特征和成因机制进行深入的了解。基于观测及重建数据，发现中国东部的年代际干旱与年代尺度弱季风事件直接相关。等发现太平洋年代际振荡（，简称）对中国东部夏季风降水的年代际变率起主要作用，具体表现为当 为正位相时，中国北方的气旋性环流将夏季风南推，造成南涝北旱的降水型；而大西洋多年代际振荡（，简称）也起到辅助作用，当 处于正位相时华北地区降水偏多。此外，北大西洋振荡（，简称）也对中国东部降水年代际变率有显著的影响，其 年的周期与 的 年周期显著相关。而自然外强迫（火山活动和太阳辐射）第 四 纪 研 究 年和人为外强迫（土地利用、温室气体、气溶胶排放）也直接或者通过调制气候系统内部变率而间接影响东亚夏季风的年代际变率。例如，火山喷发通过平流层气溶胶的“阳伞效应”能够导致海陆热力差异减弱，引起东亚季风的减弱，也可以通过影响 和 的位相来影响东亚季风降水。等的研究工作发现，持续较强的太阳辐射时期易在北太平洋上造成较为显著的负 异常，从而东亚夏季风增强，造成北涝南旱的降水型；另外，研究还发现由温室气体排放而造成的全球温度持续升高导致的大气中水汽含量增多，是近年来中国部分区域干旱频次持续增加、干旱强度持续增强、干旱面积持续扩大的主要原因之一。除了温室气体排放，对流层中的人为气溶胶（主要包括硫酸盐气溶胶、黑碳气溶胶等）可通过直接吸收和散射太阳辐射，以及影响云的微物理特征、光学特征、降水效率等，直接对区域降水造成影响，也可以通过改变 和 的位相来影响东亚夏季风降水，。我们首先展示了基于重建和模拟数据的历史时期中国东部年代际干旱的时空特征，然后从气候系统内部变率、自然外强迫、人为外强迫 个方面综述了最近几年关于中国东部年代际干旱成因机制模拟的研究进展，最后对中国东部年代际干旱的未来研究方向进行了初步探讨。时空特征 整合多组重建数据显示，历史时期（本文中指过去 年时段）中国东部发生过很多次年代际干旱，包括 、等时段（图）。这些时段同前人发现的历史时期极端干旱多发时段重合，且涵盖了历史文献中记载的多次重大干旱事件，例如北宋 年干旱、明朝 年干旱、年干旱、年干旱、年干旱以及清朝 年干旱、年干旱等、年干旱和过去几十年的华北干旱。以上这些干旱对中国的社会发展及朝代更替有一定的影响，。其中，干湿指数（）序列（图）显示，年期间中国东部共发生了 次年代际干旱，干旱的强度均超过了 倍标准差，部分干旱的强度可超过 倍标准差，其中最严重的干旱图 历史时期中国东部（，）年代际 干旱的时空变化（）年中国东部干湿指数（，简称）序列；（）年中国东部帕尔默干旱严重性指数（，简称）；（）年 年滑动平均的中国东部 月降水量距平（单位：）；（）年 年滑动平均的中国东部 月降水量距平（单位：）黄色阴影表示年代际干旱事件，定义为至少有 年降水距平（或干旱指数）小于 倍标准差，且该年前后 年的降水距平（或干旱指 数）均小于.（，）（）（）；（）（）；（）（：）；（）（：）（），（）期宁亮，等：历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展为发生在明朝末年 年的崇祯大旱，；指数序列（图）显示，年期间中国东部共发生了 次年代际干旱，持续时间和强度与干湿指数表征的干旱类似，但最严重的干旱发生于最近几十年，说明全球变暖导致的土壤湿度下图 年中国东部 干旱指数（）、年中国东部 月降水量（，单位：）以及 年中国东部 月降水量（，单位：）数据中干旱事件集合平均的距平空间分布.，（），（）（，：），（）（，：）降是 干旱强度的主导因素；月和 月降水序列（图 和）显示，年至今中国东部共发生了 次年代际干旱，持续时间与前面两个指数类似，强度也在 倍标准差左右，且最严重的干旱也是明末的崇祯大旱。整体而言，组数据显示的中国东部年代际干旱的平均持续时间为 年，平均强度均达到 倍标准差。从空间场（图）来看，中国东部年代尺度干旱均呈现南涝北旱或者全区一致干旱的模态，说明与弱季风事件显著相关。其中，距平空间场（图）显示，年代际干旱主要发生于华北地区，强度在.范围内；而 月和 月降水距平场（图 和）显示，年代际干旱的范围包括整个中国 东 部 地 区，强 度 分 别 在 和 范围内，其中干旱最严重的区域位于华北到长江中下游地区。这种空间场上的差别也说明不同变量表征的干旱时空特征有所不同。基于 多模式模拟的过去千年华北地区年代际干旱结果，（图）显示，干旱的强度在 倍标准差左右，持续时间在 年左右，与重建数据结果类似。这说明模式在干旱的时空特征的模拟方面表现较好，可以用来对历史时期中国东部年代际干旱进行机制研究。但模拟的年代际干旱位相同重建结果不一致，说明过去千年中国东部的年代际干旱由内部变率而非外强迫触发。第 四 纪 研 究 年图 年华北地区重建干湿指数（）与 多模式模拟年降水距平（）时间序列其中灰色阴影为年代际干旱事件，黑色虚线分别表示序列的.倍标准差（）与.倍标准差（）；复制于文献.（）（），.（）（）物理机制 等和 等发现，很多区域年代际干旱是由大气内部变率和陆气相互作用共同导致的；等基于一个简单的线性倒数模型（）重现出与历史时期干旱特征接近的年代际干旱，进一步说明内部变率是触发区域年代际干旱的主导机制；等研究了 期宁亮，等：历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展过去千年海气耦合模态对全球的年代际干旱的影响，发现 （简称）强度增加会减少美国西南部、萨赫勒、亚洲季风区和澳大利亚的干旱强度和持续时间，但会增加墨西哥和亚马逊地区的干旱强度和持续时间，而 会改变加勒比海和亚马逊地区的干旱风险。在中国东部地区，等也发现，通过大尺度环流调制中国东部降水，特别是华北地区的降水，即当 处于正位相时，华北地区的降水显著偏少；并且，等进一步发现，相比 的主导作用，对中国东部降水的影响主要起到辅助作用；历史时期的模拟结果也显示，的正位相将直接导致中国东部年代际干旱的发生；并且，考虑外强迫后，模拟的年代际干旱的时空特征比控制试验的结果更接近重建数据中的年代际干旱的时空特征，说明外强迫在年代际干旱的持续和发展过程中具有重要影响；等发现，由于人为外强迫的原因，年北美西南部的干旱是过去 年中最强的一次干旱；等指出，在未来全球变暖的背景下，美国中西部的干旱将会进一步加剧。本文我们将从火山活动、太阳辐射、土地利用、人为气溶胶和温室气体这 个方面，针对外强迫同内部变率共同作用对中国东部年代际干旱的影响和机制进行阐述。.火山活动 火山喷发作为重要的自然外强迫因子，通过平流层气溶胶的“阳伞效应”影响全球温度，通过直接和间接过程在不同时间尺度上对中国东部的季风降水产生重要影响，且在未来全球增暖情景下，火山对东亚季风降水的影响会进一步加剧。单次火山影响方面，研究发现，火山与干旱线性叠加能够在年代际时间尺度上对干旱起到延长和增强作用。例如，中国历史上最严重的干旱之一，即崇祯大旱（年）最初来源于气候系统内部变率，并被热带火山喷发加剧和延长。具体机制为，火山喷发引起的直接降温使得水汽蒸发减少，大气中水汽含量下降，；与此同时，温度降低也导致大气层结稳定、对流减少，因而降水减少；海陆间热力差异减弱以及西太副高东移也是季风衰退的直接原因之一；此外，火山喷发通过影响 的位相、的强度变化和大西洋经向翻转流（，简称）的强度，重置和调制北大西洋海温，触发厄尔尼诺南方涛动变化等等，进而均影响中国东部的季风降水。基于以上发现，等，进一步使用通用地球系统模式（，简称）开展了不同强度火山喷发以及不同干旱位相下火山喷发的模拟试验。结果显示，喷发于干旱末期的火山更能激发出持续时间长、强度大的干旱；反之干旱初期喷发的火山难以形成年代际大旱。这与不同干旱位相下土壤湿度对火山的非线性响应有关；此外，是火山喷发能够增强干旱的临界量级，当火山强度大于 时，干旱的强度和持续时间随火山量级的增加线性变化，。在不同纬度火山喷发的影响方面，等基于敏感性试验发现，北半球和赤道火山喷发都可以对 造成显著的重置和调制作用，并且北半球火山的影响强于赤道火山，但南半球火山的影响较小。相比于热带火山，北半球高纬度火山喷发所在的季节会显著影响 的发展，即冬季的高纬度火山喷发更容易引起 事件。由于 和 对中国东部的年代际干旱均有影响，因此高纬度火山喷发对中国东部年代际干旱影响更加显著，赤道火山喷发次之，南半球火山喷发最弱。持续火山的影响方面，研究发现，持续的火山喷发能够对中国东部年代际干旱强度起到加剧作用，火山活跃期的东亚夏季风降水明显低于非火山活跃期，。其具体机制为，持续火山喷发期，北大西洋海温显著偏低，呈现出 负位相的海温模态，与此同时，赤道东太平洋呈现出类拉尼娜的年代际海温模态，东亚季风环流和相应的水汽输送减弱，导致东亚夏季风降水显著减少。.太阳辐射 前人研究发现，太阳辐射本身对中国东部年代际降水有直接影响，表现为当太阳辐射较强（弱）时，中国东部呈现较强的正（负）降水异常。等进一步对比中世纪气候异常期（）和小冰期（）中国东部年代际干旱的特征时发现，在这两个特征时段中，中国东部的年代际干旱在强度和持续时间上并无显著差别，而在频次上有显著差别，表现为 中的年代际干旱显著多于。这种频次上的差异主要与降水对太阳辐射所造成的大尺度环流场的非线性响应有关。等还分析了太阳辐射和 对中国东部年代际降水的共同影响，发现随着太阳辐射强度第 四 纪 研 究 年的不断增大，正负 之间的降水差异也逐渐增大，降水差异与太阳辐射强度之间存在着线性相关关系。例如，年时段，太阳辐射偏弱，且重建资料显示 处于正位相，中国东部的降水显著偏少。机制分析表明：在负 期间，随着太阳辐射强度的不断增大，海陆气压梯度逐渐增大，导致中国东部的南风异常在持续增强，南风的增强为中国东部地区带来了更多的降水；同时，在正 期间，东亚大陆上的气压梯度力是中国东部风场异常的主要因素，随着太阳辐射的不断增强，陆（北）陆（南）气压梯度逐渐增大，导致中国东部地区偏北风加强，降水减少。.土地利用 历史时期，特别是最近几百年，全球范围内经历了土地利用与植被覆盖（）的显著变化。前人已通过数值模式证明了 会在年代际尺度上调制中国东部降水。例如，等发现，年人为土地利用发生显著变化，全球森林面积减少而耕地和牧场面积增加，导致中国东部夏季降水主模态由偶极型变成了三极型。机制分析方面，前人研究的结果显示当 和 为异位相时，会激发出北半球中高纬纬向遥相关波列，造成中国东部夏季降水的三级型分布，而当 和 为同位相时，易造成中国东部夏季降水的偶极型分布。等基于单因子敏感性试验结果发现，年后土地利用的变化导致了 和 异位向的发生概率由 年前的.增加至.，而 和 同位向的发生概率由 年前的 减少至。因此，年后中国东部夏季风降水三极型模态增加，而两极型模态减少。这也说明，早在温室气体含量升高前 年，人类活动就已经通过大规模土地利用来显著影响区域气候了。.人为气溶胶和温室气体 自 世纪 年代至今，人为气溶胶排放量在全球范围内显著增加，尤其是在东亚和南亚地区。许多研究利用气候模式模拟出气溶胶在区域或全球的分布可激发、，的位相转换；而 和 的位相转换又会调制中国东部的降水模态，从而间接地触发年代际干旱的产生。等对比分析了 年以来的华北年代际干旱事件与历史时期华北经历的年代际干旱事件，发现由于温室气体导致的温度上升，年以来的华北年代际干旱事件的持续时间更长、干旱强度更大，特别是表现在土壤湿度相关的干旱指标方面；这与 等发现的，温室气体造成的全球变暖导致当前美国西南部干旱强度在过去千年干旱中最强的结论一致。进一步分析其成因机制发现，与 位相的转换是触发此次干旱的主要原因，而 与 的位相转换与人为气溶胶的排放有关。在未来随着全球温室效应的不断增强，未来中国东部的年代际干旱事件的发生同样值得高度关注，前人基于模拟结果发现，随着温室气体浓度的升高，中国区域年均降水量增加，但温度升高的同时潜在蒸散发加剧，使得我国气候整体变干。图 历史时期外强迫影响中国东部年代际干旱机制示意图.结论与展望 众所周知，古气候研究可以为现代气候变化过程提供背景条件、边界约束和理论框架。近年来，在国内外科学家的共同努力下，针对历史时期中国东部年代际干旱时空特征的模拟研究取得了可喜进展，对年代际干旱的成因机制取得了创新认识。本文针对历史时期中国东部年代际干旱的时空特征以及火山活动、太阳辐射、土地利用、人为气溶胶及温室气体对年代际干旱的影响机制方面的研究进展，进行了粗略的探讨（图）。这些研究有助于加深我们对年代际干旱变化规律和成因机制的理解。但是，如何通过降低对年代际干旱模拟的不确定性来提高未来干旱预估的精度，这一关键问题仍然没有得到完美的回答。除了模式结构、内部变率、外强迫所带来的不确定性之外，代用资料在反映干旱发生时间、强度、持续性等特征方面的不确 期宁亮，等：历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展定性也给研究带来了一定的困难。未来可以在这几个方面进行深入研究：模式模拟性能的评估与改进、更加精确的重建数据的获取、更加精准的外强迫驱动数据的制作、基于同位素模拟和古气候资料同化的模拟和重建的结合。例如，通过高分辨率模拟对年代际干旱的时空特征和演化过程进行更加细致的复现；通过同化重建数据和模拟结果，进一步明晰年代际干旱发生时的关键海温模态；结合同位素模拟与重建，区分降水氧同位素对局地降水和季风环流的表征，从而识别更长时段中的年代际干旱事件等等。此外，因为年代际干旱是一个涉及多学科的复杂问题，还有很多相关科学问题值得进一步深入研究。例如，如何构建基于不同指标（降水、土壤湿度、径流等）的统一的干旱指标体系？如何预估历史时期发生的典型极端干旱在未来不同温室气体排放情景下发生的可能性并构建早期预警机制？如何系统评估年代际干旱对区域社会经济和生态环境的影响并制定相关的应对措施？这些问题需要借助更加丰富的重建、观测、模拟资料及多学科间的交叉合作进一步深入研究。致谢：感谢 位审稿专家和编辑部杨美芳老师、赵淑君老师的意见和建议！参考文献（）：，（）：，（）：，：马柱国，符淙斌 年中国北方干旱化的基本事实 科学通报，（）：，（）：符淙斌，马柱国 全球变化与区域干旱化 大气科学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：第 四 纪 研 究 年 ，：，（）：，：，：，？，（）：，：，：，：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，：，：，：.（），：，：，（）：郑景云，郝志新，方修琦，等 中国过去 年极端气候事件变化的若干特征 地理科学进展，（）：，（）：张德二 中国历史气候记录揭示的千年干湿变化和重大干旱事件 科技导报，（）：，（）：张德二，梁有叶 年中国大范围持续干旱事件气候变化研究进展，（）：，（）：，：，：，：，：，（）：，：期宁亮，等：历史时期中国东部年代际干旱模拟的研究进展 ：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，：刘威，史锋，肖国桥，等 世纪中叶火山喷发对青藏高原和北极水热组合的影响 第四纪研究，（）：，（）：，：，（）：周雪城，姜大膀 过去千年年代和百年尺度东亚夏季风变化的模拟分析 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