论文部分内容阅读
研究和理解东亚季风异常的产生机制，在科学和社会经济效益上均具有重要价值。此前的研究多关注东亚季风的年际和年代际尺度变率，对近千年东亚夏季风长期变化规律关注较少。围绕着过去千年东亚夏季风和中国地区降水变化，本论文首先基于季风指数和再分析环流资料，检验中国哪些石笋δ18O记录能够代表东亚夏季风变化，利用有代表性的记录，重建过去千年东亚夏季风指数序列。进一步将全国进行分区，利用根据历史文献确定的干湿等级以及根据自然证据的降水代用资料，逐区讨论过去千年中国地区的干湿演变以及干湿与温度变化的关系。在重建事实的基础上，利用德国马普气象研究所地球系统模式(MPI-ESM)及中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室(LASG/IAP)气候系统模式FGOALS-gl开展的千年气候模拟试验，考查过去千年东亚夏季风及中国地区降水变化，指出由有效太阳辐射变化造成的海陆热力差异是造成东亚夏季风百年际尺度变化的重要原因。最后考查了过去千年强火山爆发对全球和中国区域温度和降水变化的影响，及其影响机制。主要结论如下：
(1)基于季风指数和再分析环流资料，检验中国地区哪些石笋δ18O记录能够代表东亚夏季风变化，利用有代表性的记录，重建过去千年东亚夏季风指数序列。董哥洞、和尚洞和黄爷洞石笋记录与过去百年Guo指数变化表现出显著的正相关；莲花洞和万象洞记录与Guo指数表现为显著的负相关。基于NCEP/NCAR和ERA-40的环流资料分析表明，在过去50年时段上，当δ18O偏轻时，董哥洞、和尚洞和黄爷洞的低层风场为异常偏北风，可以代表东亚夏季风变化；莲花洞、九仙洞和万象洞的低层风场为异常偏南风，不能代表东亚夏季风变化。基于20CR-v2再分析资料的分析表明，在过去百年时段上，除莲花洞和九仙洞以外，δ18O偏轻时低层风场均为异常偏北风，能够代表季风变化。选取董哥洞、和尚洞和黄爷洞的石笋序列合成过去千年东亚夏季风指数序列，结果表明，AD1000-1300年东亚夏季风偏强，并在AD1150-1250年之间有一个夏季风相对减弱的时期；AD1400-1700年东亚夏季风减弱；AD1800-1960年又是一个强夏季风时期，AD1960年之后夏季风减弱，与观测资料的分析一致。在过去千年东亚夏季风演变背景下，20世纪后期的东亚夏季风减弱并非前所未有。过去千年东亚夏季风强度与地表气温及太阳活动均有一定关系，太阳活动强，北半球地表气温偏高，夏季风强，反之亦然。
(2)将全国进行分区，利用根据历史文献确定的干湿等级以及根据自然证据的降水代用资料，逐区讨论过去千年中国地区干湿演变及温度与干湿变化的关系。基于历史记录重建的中国东部降水变化与石笋记录反映的近千年来东亚夏季风的强弱变化与在低频趋势上几乎一一对应，在东亚夏季风增强的时期，中国东部气候湿润，而在夏季风减弱时期，中国东部气候干旱。利用EOF分析方法对中国东部10年以上尺度旱涝型进行划分，EOF1表现为整个中国东部一致偏涝；EOF2表现为南方降水偏多、北方降水偏少的南北向偶极子分布；EOF3(EOF4)表现为长江流域降水偏多(少)、华南和华北降水偏少(多)的“三极型”分布。相应的主成分(PC)序列显示，PC1和PC2的百年际尺度特征明显，PC3和PC4均表现为显著的年代际变化特征。中国东部降水在各区域之间存在差异，单个地点的降水不能用于代表中国东部降水变化。过去千年中国地区的干湿格局各不相同，暖期中国东部以暖干为主，但江南亦有暖湿气候，存在“北干-南湿”的分布格局；冷期中国东部以冷湿为主，但各区域亦有冷干气候。西北地区温湿格局较为稳定，暖期以干旱为主，冷期以湿润为主。青藏高原地区干湿变化波动频繁，暖期暖湿和暖干气候交替出现，冷期冷干和冷湿气候交替出现。
(3)利用MPI-ESM过去千年气候模拟试验，考查过去千年东亚夏季风及中国地区降水变化的模拟，并与代用记录进行比较。在自然和人为因子共同强迫下，模式可以较好的模拟出东亚夏季风的百年际尺度变化特征，如AD1000-1300年东亚夏季风整体偏强，AD1400-1700年东亚夏季风减弱，AD1700年以后夏季风增强并维持在相对较强阶段，AD1960年之后夏季风减弱。模拟的中国东部干湿演变与重建记录较为一致。在10年尺度上，各区域之间降水变化存在差异，在更低频的变化趋势上，各区域间的一致性增加。模拟的温度与降水变化的关系表明，在AD1000-1300年，中国东部地区以暖干气候为主；在AD1600-1900年，中国东部冷干、冷湿交替出现，其中AD1600-1800年为冷干时段，AD1800-1900年为冷湿时段。模拟的西北地区和青藏高原温湿变化显示，过去千年西部地区温湿组合没有明显的规律，在AD1000-1350年，由于中世纪暖期不是稳定的暖期，除暖干和暖湿时段外，同时存在冷干和冷湿时段；在AD1500-1850年，由于AD1800年以前冷期不明显，除冷干和冷湿时段外，同时存在暖干和暖湿时段。
(4)利用MPI－ESM千年气候模拟试验，关注两个特征时段－中世纪暖期(AD1000－1100年)和小冰期(AD1600－1700年)东亚夏季风环流和中国东部降水变化。中世纪暖期东亚夏季风增强，中国东部降水呈“北涝南旱”型变化，即长江流域降水减少，华北地区降水增加；小冰期东亚夏季风减弱，中国东部降水呈“南涝北旱”型变化，即长江流域降水增加，华北地区降水减少。在中世纪暖期，东亚地区风场变化表现为异常偏南风，向北的水汽输送容易到达华北地区，造成华北地区降水增多而长江流域降水减少；小冰期期间，东亚地区风场变化表现为异常偏北风，向北的水汽输送较难到达华北地区，有利于水汽辐合和降水发生在长江流域同时华北地区变干。在中世纪暖期，东亚对流层温度偏暖、热带西太平洋和北太平洋对流层温度偏冷，这令“陆地暖－海洋冷”的夏季平均气候态进一步加强，有利于强的东亚夏季风形成；小冰期期间，东亚对流层温度偏冷、热带西太平洋和北太平洋对流层温度则偏暖，这令“陆地暖－海洋冷”的夏季平均气候态削弱，有利于弱的东亚夏季风形成。
(5)利用MPI－ESM千年气候模拟试验，考查过去千年强火山活动对全球和中国气候的影响。强火山爆发后，全球表面温度显著下降，冷距平在近乎全球范围内存在，近地面全球平均温度下降0.24℃。火山爆发造成的降温在北半球比南半球大，陆地降温大于海洋。降水变化显示，除热带降水在日界线附近增加外，全球热带和副热带地区降水以减少为主。强火山爆发导致中国地区地表气温显著下降，大部分地区降温可达0.4℃；东亚地区夏季低层风场主要表现为偏北风异常，东亚夏季风减弱，整个中国东部降水以偏少为主。火山爆发次年夏季，东亚大陆及热带大洋和北太平洋对流层温度下降，东亚地区降温幅度在中高纬度强于低纬度、陆地强于海洋，海陆热力对比减弱，东亚夏季风减弱。对地表热平衡的分析表明，中国东部地区和热带海洋潜热通量均减少，其中热带海洋潜热减少显著，中国东部的热带水汽来源减少，导致中国东部降水减少；对于感热变化而言，东亚陆地地区感热通量减少较热带海洋显著，表明陆地降温强于海洋，海陆热力差异减弱，东亚夏季风减弱。
(6)利用LASG/IAP气候系统模式FGOALS-gl千年气候模拟试验，考查过去千年东亚夏季风变化及强火山活动对中国区域气候的影响，将模拟结果与MPI－ESM进行比较。在百年际尺度上，受有效太阳辐射变化所引起的东亚地区夏季低层风场变化，在110°E以东表现为偏南风异常，中世纪暖期相对于小冰期东亚夏季风增强，对应的降水距平型表现为“北多南少”的分布型，该特征与MPI－ESM模式基本一致。随着有效太阳辐射的增多，温度异常表现为东亚大陆的整体增暖，东亚大陆的增暖幅度在中高纬度强于热带海洋地区，海陆热力对比增加，导致低层异常偏南风增强。不同特征时期东亚夏季风年际变率模态的空间分布受背景气候态的影响不大，但年际变率的周期在三个特征期存在显著不同。火山爆发次年夏季，中国地区气温显著下降，东亚地区低层风场主要是异常偏北风，东亚夏季风减弱，整个中国东部降水以偏少为主。中国区域地表气温及低层风场和降水距平对强火山活动的响应与MPI－ESM的结果相似。地表热通量分析表明，火山爆发次年夏季热带海洋潜热通量减少，中国东部水汽来源减少；此外，由于海陆不同的热力性质，导致陆地降温强于海洋，海陆热力差异减弱，东亚夏季风减弱。