軌道尺度下東亞夏季風(fēng)降水的北方主導(dǎo)演變模態(tài)

程 軍，張近童，劉一陶，譚亮成

1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210044

2. 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

東亞夏季風(fēng)（East Asian summer monsoon，EASM）是東亞地區(qū)降水及生態(tài)環(huán)境的主控環(huán)流系統(tǒng)（An et al，2000）。20世紀(jì)中期以來現(xiàn)代觀測(cè)記錄的分析表明：東亞夏季風(fēng)降水的量值由東南向西北逐漸遞減（圖1a），同時(shí)其隨時(shí)間的變幅也近似正比于降水的氣候態(tài)量值，呈現(xiàn)類似的由東南向西北逐漸遞減的分布特征（圖1b）。我國(guó)北方半干旱地區(qū)，作為東亞夏季風(fēng)的北邊緣區(qū)域，其降水的量值小，同時(shí)其在器測(cè)時(shí)段的隨時(shí)間變幅也小。

古氣候記錄的分析表明：我國(guó)北方地區(qū)的生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)在軌道尺度氣候變化下呈現(xiàn)大幅度的協(xié)同演變。比如全新世大暖期，該區(qū)域的湖泊水位大幅升高（Goldsmith et al, 2017；Jiang et al，2020）、土壤濕度顯著增大（Lu et al，2005；Lu et al，2013；Li et al，2014；Xu et al，2020）及生態(tài)系統(tǒng)大幅優(yōu)化（Li et al，2014；Chen et al，2015）。北方生態(tài)、環(huán)境記錄的綜合分析表明：軌道尺度氣候變化下該區(qū)域的季風(fēng)降水應(yīng)發(fā)生了大幅演化?；诠艢夂蛴涗浿亟ǖ慕邓↗iang et al，2020）也證實(shí)了該判斷，如公海12 ka以來的降水變幅可達(dá)250 mm · a-1（Chen et al，2015）。同時(shí)，南方地區(qū)古氣候記錄的分析也表明：其降水的演變往往與北方反向（Tan et al，2018；Zhang et al，2018；李彥禎等，2020），但尚無證據(jù)表明其演變的幅度大于北方。

基于現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)和古氣候記錄的對(duì)比分析表明：東亞夏季風(fēng)降水的演變模態(tài)可能存在時(shí)間尺度上的差異，即其變化中心在現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)指示的年際氣候變化下位于南方降水大值區(qū)，而在古氣候記錄指示的軌道尺度氣候變化下可能位于北方降水小值區(qū)。如果該推測(cè)成立，基于現(xiàn)代器測(cè)階段特征對(duì)東亞夏季風(fēng)降水過去演變的推論將面臨巨大挑戰(zhàn)。

本文基于末次盛冰期（Last Glacial Maximum，LGM，21 ka）以來的連續(xù)瞬時(shí)古氣候模擬結(jié)果（TraCE21，Liu et al，2009，21 — 0 ka），結(jié)合現(xiàn)代器測(cè)數(shù)據(jù)和古氣候記錄：分析東亞夏季風(fēng)降水的演變模態(tài)是否存在對(duì)氣候變化時(shí)間尺度依賴的問題，并對(duì)其主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行探討，為過去長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化下東亞降水演變的理解及全球增暖下其未來可能演變的預(yù)估提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

器測(cè)階段的降水采用了GPCP（Global Precipitation Climatology Project，Adler et al，2018）2.3版。GPCP降水?dāng)?shù)據(jù)是衛(wèi)星反演降水及陸地雨量計(jì)測(cè)量降水的融合，其水平分辨率為2.5° × 2.5°，時(shí)段為1979 — 2021年，本文取其夏季（6 — 8月平均）的整時(shí)段平均及標(biāo)準(zhǔn)差分別代表觀測(cè)時(shí)段降水的氣候態(tài)（圖1a）及變幅分布（圖1b）。為開展降水與季風(fēng)環(huán)流協(xié)同演變的分析，本文同時(shí)使用了JRA55再分析數(shù)據(jù)集（Japanese 55-year Reanalysis，Kobayashi et al，2015）的降水與風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，水平分辨率為1.25° × 1.25°，時(shí)段為1958 — 2021年。

TraCE 模擬（transient climate simulation，Liu et al，2009）是使用全耦合氣候系統(tǒng)模式（NCAR CCSM3，Collins et al，2006）在實(shí)際氣候強(qiáng)迫因素（如軌道輻射、溫室氣體濃度、冰蓋等）驅(qū)動(dòng)下得到的過去21 ka以來全球氣候的瞬時(shí)模擬結(jié)果，水平分辨率為3.75° × 3.75°。該模擬較好地再現(xiàn)了古氣候記錄所指示的東亞夏季風(fēng)的長(zhǎng)期演變（Liu et al，2014；Wen et al，2016）以及北方季風(fēng)降水與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的演變關(guān)系（Cheng et al，2021）。同時(shí)，該模擬的4套單強(qiáng)迫模擬試驗(yàn)為解析氣候變化驅(qū)動(dòng)因素（軌道輻射、溫室氣體濃度、冰蓋等）對(duì)東亞夏季風(fēng)演變的影響提供了基礎(chǔ)（He et al，2013）。

EASM各要素指數(shù)的計(jì)算均取北半球夏季（6 — 8月）的平均。季風(fēng)環(huán)流指數(shù)取850 hPa經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)的區(qū)域平均（110° — 120° E，27° — 37° N）。北方季風(fēng)降水指數(shù)取夏季北方區(qū)域（100° —120°E，37° — 45°N）的平均。季風(fēng)區(qū)北邊界定義為850 hPa南風(fēng)的北邊界（V850 = 0所在的緯度），其結(jié)果與基于降水季節(jié)循環(huán)定義的季風(fēng)區(qū)范圍（夏季平均降水相較于冬季高2 mm · d-1，且夏季降水占全年降水50%之上，Wang and Ding，2008）的演變相一致。季風(fēng)區(qū)北邊界指數(shù)取季風(fēng)區(qū)北邊界在110° — 120°E的平均緯度。

2 EASM降水模態(tài)對(duì)時(shí)間尺度的依賴

現(xiàn)代觀測(cè)及TraCE模擬降水演變幅度的對(duì)比分析表明：不同時(shí)期氣候變化下東亞夏季風(fēng)降水的演變模態(tài)顯著不同，現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)中季風(fēng)降水的變化中心位于其氣候態(tài)的大值區(qū)（華南及臨近區(qū)域）（圖1b），而TraCE模擬的過去長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化下季風(fēng)降水的變化中心則位于季風(fēng)區(qū)北邊界附近的半干旱區(qū)域（圖1c）。值得注意的是，TraCE模擬再現(xiàn)了古氣候記錄所指示的北方生態(tài)、環(huán)境系統(tǒng)的大幅度演變（Cheng et al，2020；Cheng et al，2021），且與該區(qū)域季風(fēng)降水的大幅度演變顯著相關(guān)（Cheng et al，2020），說明該模擬所指示的長(zhǎng)時(shí)間尺度氣候變化下季風(fēng)降水的演變模態(tài)具有記錄基礎(chǔ)。

進(jìn)一步的分析表明：東亞夏季風(fēng)降水演變模態(tài)在現(xiàn)代及過去間的差異與季風(fēng)環(huán)流的演變模態(tài)相關(guān)，且季風(fēng)降水與環(huán)流的協(xié)同演變模態(tài)的穩(wěn)定性也顯著不同?，F(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明：季風(fēng)降水與環(huán)流的協(xié)同演變存在多個(gè)近似平行的模態(tài)，單模態(tài)的主導(dǎo)性不高，且其演變皆以年際尺度變化為主（圖2）。年際尺度下季風(fēng)降水演變的各模態(tài)皆對(duì)應(yīng)季風(fēng)環(huán)流的非整體性演變，區(qū)域季風(fēng)環(huán)流的輻合增強(qiáng)可導(dǎo)致局地降水的增多，反之亦然。季風(fēng)環(huán)流的非整體性多模態(tài)演變導(dǎo)致了季風(fēng)降水的多模態(tài)演變。與之相對(duì)應(yīng)的是，TraCE模擬結(jié)果的分析表明：季風(fēng)降水與環(huán)流的協(xié)同演變存在單個(gè)主導(dǎo)模態(tài)，且其演變以軌道尺度變化為主（圖3）。該主導(dǎo)模態(tài)中，季風(fēng)降水的變化中心與其總體變化中心（圖1c）高度一致，進(jìn)一步說明軌道尺度氣候變化下北方季風(fēng)降水大幅演變的顯著性。與該季風(fēng)降水主導(dǎo)模態(tài)相對(duì)應(yīng)的是季風(fēng)環(huán)流的整體性演變，即末次冰消期期間（21 —10 ka）季風(fēng)環(huán)流的整體性增強(qiáng)可將更多水汽輸送至北方地區(qū)，進(jìn)而在該地區(qū)形成季風(fēng)降水的大幅度增多，而全新世期間（10 — 0 ka）的演變與末次冰消期相反（圖3）。

圖1 夏季降水（6 — 8月平均）的氣候態(tài)分布及其年際/軌道尺度的變幅分布Fig. 1 Climatology and stand deviation of summer rainfall (June to August mean)

圖2 現(xiàn)代東亞夏季風(fēng)環(huán)流（850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)，UV850）與降水協(xié)同演變的主導(dǎo)演變模態(tài)Fig. 2 MV- EOF analysis of modern EASM circulation (UV 850 hPa) and rainfall

圖3 LGM以來東亞夏季風(fēng)環(huán)流（850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)，UV850 hPa）與夏季降水的協(xié)同演變Fig. 3 MV- EOF analysis of past EASM circulation(UV 850 hPa) and rainfall since LGM

3 北方季風(fēng)降水軌道尺度大幅演變的成因

3.1 季風(fēng)環(huán)流的整體性演變

軌道尺度氣候變化下東亞夏季風(fēng)環(huán)流的整體性演變是北方季風(fēng)降水大幅度演變的重要原因（圖4a、4b），其機(jī)制為該時(shí)間尺度下海陸熱力差異的整體性變化（Cheng et al，2019）。LGM以來東亞臨近區(qū)域的海陸熱力差異發(fā)生了顯著的變化，如末次冰消期增溫過程中該區(qū)域的夏季海陸熱力差異顯著增強(qiáng)而全新世顯著減弱（Cheng et al，2019）。通過海陸熱力差異的調(diào)控，東亞夏季風(fēng)環(huán)流主導(dǎo)水汽輸送的強(qiáng)度，進(jìn)而影響北方降水自LGM以來的大幅演變。

圖4 LGM以來東亞夏季風(fēng)環(huán)流、北邊界緯度及北方季風(fēng)降水的協(xié)同演變，a — c分別為TraCE21模擬的北方季風(fēng)降水、東亞夏季風(fēng)環(huán)流及季風(fēng)區(qū)北邊界緯度Fig. 4 Coherent variations between northern China monsoon rainfall (a), EASM circulation (b) and northern boundary (c)from TraCE simulation

東亞夏季風(fēng)環(huán)流在年際尺度氣候變化下演變模態(tài)的非整體性特征來源于ENSO現(xiàn)象的調(diào)控作用。ENSO信號(hào)通過波動(dòng)傳播至東亞地區(qū)，由于波動(dòng)位相的區(qū)域差異，導(dǎo)致季風(fēng)環(huán)流及降水的局地響應(yīng)差異顯著（Wen et al，2019）。同時(shí)，由于ENSO的位相顯著影響東亞地區(qū)相關(guān)波動(dòng)的位相分布，因此ENSO不同位相下該地區(qū)季風(fēng)環(huán)流的響應(yīng)及對(duì)應(yīng)的季風(fēng)降水的演變模態(tài)也會(huì)不同（符淙斌，1987；Zhang et al，1996），導(dǎo)致該地區(qū)季風(fēng)降水模態(tài)在年際尺度氣候變化下的多樣性及單模態(tài)的低主導(dǎo)性。相對(duì)而言，軌道尺度氣候變化下東亞夏季風(fēng)環(huán)流的演變更具規(guī)律性，其對(duì)應(yīng)的北方季風(fēng)降水隨時(shí)間的演變也更具持續(xù)性。

3.2 季風(fēng)區(qū)北邊界的擺動(dòng)

軌道尺度氣候變化下影響北方季風(fēng)降水大幅演變的另外一個(gè)因素為季風(fēng)區(qū)北邊界的大幅度擺動(dòng)。古氣候記錄的分析表明：東亞夏季風(fēng)區(qū)北邊界在末次冰消期（Yang et al，2015）及全新世大暖期（Goldsmith et al，2017）期間都發(fā)生了顯著的南北擺動(dòng)。TraCE模擬再現(xiàn)了古氣候記錄所指示的東亞夏季風(fēng)區(qū)北邊界自LGM以來的南北擺動(dòng)現(xiàn)象（圖4c；Cheng et al，2020）。進(jìn)一步的研究表明：季風(fēng)區(qū)北邊界的擺動(dòng)可在其臨近區(qū)域產(chǎn)生季風(fēng)降水的大幅度演變（Sun et al，2019；Wu et al，2021）。末次冰消期期間季風(fēng)區(qū)北邊界向北移動(dòng)，季風(fēng)區(qū)北邊界附近區(qū)域的季風(fēng)降水增多，而全新世期間的演變與之相反（Cheng et al，2020）。

LGM以來東亞夏季風(fēng)環(huán)流與北邊界的演變具有同步性特征（圖4b、4c）。末次冰消期期間季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)（Liu et al，2014；Wen et al，2016；Cheng et al，2019）、北邊界北拓（Yang et al，2015；Cheng et al，2020），兩者對(duì)北方季風(fēng)降水演變的影響相互疊加，導(dǎo)致該期間北方季風(fēng)降水的大幅度增多（圖4a）。全新世期間的過程與末次冰消期完全相反（Sun et al，2019；Wu et al，2021），北方季風(fēng)降水大幅度減少。

4 軌道尺度氣候變化驅(qū)動(dòng)因素的相對(duì)影響

全球氣候系統(tǒng)自LGM以來的演變主要由軌道輻射（Berger，1978）、溫室氣體（Joos and Spahni，2008）、陸 地 冰 蓋（Peltier，2004）及大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC，McManus et al，2004）驅(qū)動(dòng)，東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的演變也往往歸因于這4種外強(qiáng)迫因素，但各種季風(fēng)指標(biāo)研究所提出的主控因素不同。比如，基于洞穴石筍氧同位素記錄的東亞夏季風(fēng)研究中，北半球夏季輻射的演變往往被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)?xùn)|亞夏季風(fēng)演變的主導(dǎo)因素（Wang et al，2005；Tan et al，2020），而北方生態(tài)、環(huán)境記錄的相關(guān)研究中則提出高緯冰蓋、AMOC及溫室氣體對(duì)東亞夏季風(fēng)演變的顯著影響（Lu et al，2005；Lu et al，2013；Chen et al，2015；Xu et al，2020）。針對(duì)軌道尺度氣候變化下北方季風(fēng)降水的大幅度演變現(xiàn)象，定量化評(píng)估各外強(qiáng)迫因素的相對(duì)貢獻(xiàn)對(duì)理解東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)長(zhǎng)期演變的機(jī)制具有重要意義。

基于TraCE模擬全強(qiáng)迫試驗(yàn)及4個(gè)單強(qiáng)迫試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明：4種單強(qiáng)迫因素都可對(duì)東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)，特別是對(duì)北方季風(fēng)降水，LGM以來的演變產(chǎn)生幅度不等的影響（圖5），其各自對(duì)東亞夏季風(fēng)的影響與記錄分析的結(jié)論相一致（Lu et al，2005；Wang et al，2005；Lu et al，2013；Chen et al，2015；Xu et al，2020）。比如，歲差主導(dǎo)的北半球夏季太陽輻射在末次冰消期期間的增強(qiáng)可導(dǎo)致季風(fēng)環(huán)流的加強(qiáng)以及季風(fēng)區(qū)北邊界的北拓，進(jìn)而導(dǎo)致北方季風(fēng)降水的大幅度增多，全新世期間的演變相反（圖5紅線）。溫室氣體濃度在末次冰消期期間的增大可導(dǎo)致季風(fēng)環(huán)流的增強(qiáng)、季風(fēng)區(qū)北邊界的北拓及北方季風(fēng)降水的增多（圖5綠線）。陸地冰蓋的影響主要是在末次冰消期期間，其消融可導(dǎo)致季風(fēng)環(huán)流的減弱、季風(fēng)區(qū)北邊界的南移及北方季風(fēng)降水的減少（圖5紫線）。陸地冰蓋的消融通過AMOC也可對(duì)東亞夏季風(fēng)產(chǎn)生影響，比如東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)百年至千年尺度的振蕩（H1事件、新仙女木事件及8.2 ka事件）都與 AMOC的減弱（McManus et al，2004）有關(guān)。AMOC的減弱可導(dǎo)致季風(fēng)環(huán)流的減弱、季風(fēng)區(qū)北邊界的南移及北方季風(fēng)降水的減少（圖5藍(lán)線）。

圖5 氣候變化驅(qū)動(dòng)因素對(duì)LGM以來東亞夏季風(fēng)環(huán)流、北邊界緯度及北方季風(fēng)降水演變的影響，a — c分別為TraCE21模擬的北方季風(fēng)降水（Pr NC）、東亞夏季風(fēng)環(huán)流及北邊界緯度；TraCE21模擬全強(qiáng)迫試驗(yàn)的結(jié)果以黑線顯示，4個(gè)單強(qiáng)迫試驗(yàn)（溫室氣體CO2、軌道輻射Orb、冰蓋融水強(qiáng)迫MWF及冰蓋強(qiáng)迫IcSt）分別以綠線、紅線、藍(lán)線和紫線表示；MWF試驗(yàn)主要表征AMOC的氣候影響Fig. 5 Solo-impact of each external forcing factor on northern China monsoon rainfall (a), EASM circulation (b) and northern boundary (c) from all-forcing and solo-forcing experiments in TraCE simulation; the results from all-forcing and greenhouse gases (CO2) / orbital insolation (Orb) / melt water flux(MWF) / Ice sheet (IcSt) are labeled with black, green, red, blue and purple lines; MWF experiment indicate the climatic impact of AMOC

相較而言，軌道輻射對(duì)LGM以來北方季風(fēng)降水的演變起到主導(dǎo)作用，其對(duì)季風(fēng)環(huán)流及季風(fēng)區(qū)北邊界演變的影響也遠(yuǎn)大于其他外強(qiáng)迫因素。溫室氣體對(duì)東亞夏季風(fēng)演變的影響次之，然后是陸地冰蓋的影響。季風(fēng)環(huán)流及季風(fēng)區(qū)北邊界對(duì)北方季風(fēng)降水演變的相對(duì)貢獻(xiàn)在外強(qiáng)迫因素之間也存在顯著差異，溫室氣體主要是通過季風(fēng)區(qū)北邊界的擺動(dòng)作用于北方季風(fēng)降水，而陸地冰蓋主要是通過季風(fēng)環(huán)流影響北方季風(fēng)降水的演變?；赥raCE模擬的定量化評(píng)估，各外強(qiáng)迫因素對(duì)東亞夏季風(fēng)，特別是對(duì)北方季風(fēng)降水，影響的相對(duì)重要性得以明確，為進(jìn)一步理解季風(fēng)記錄間的差異，以及理清各記錄對(duì)東亞夏季風(fēng)要素的確切表征提供了參考。

5 結(jié)論與展望

本文從北方古氣候記錄在軌道尺度氣候變化下的大幅度協(xié)同演變出發(fā)，在古氣候模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)該尺度氣候變化下東亞夏季風(fēng)降水的變化中心位于季風(fēng)北邊緣區(qū)附近的半干旱區(qū)，其與現(xiàn)代觀測(cè)中以年際尺度變率為主的南方季風(fēng)降水變幅中心明顯不同。進(jìn)一步的分析表明：軌道尺度氣候變化下北方季風(fēng)降水的大幅演變是季風(fēng)環(huán)流整體性演變及季風(fēng)區(qū)北邊界擺動(dòng)的綜合結(jié)果，與年際尺度氣候變化下降水模態(tài)的成因完全不同。同時(shí)，通過對(duì)比表明：軌道尺度氣候變化下東亞夏季風(fēng)降水的演變模態(tài)單一且穩(wěn)定。本文得到的新認(rèn)識(shí)也對(duì)改進(jìn)基于古氣候記錄的季風(fēng)降水定量化重建有意義，季風(fēng)降水的定量化重建應(yīng)考慮氣候變化下東亞夏季風(fēng)降水演變模態(tài)在不同時(shí)間尺度下的差異。

本文同時(shí)分析了軌道尺度氣候變化各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)東亞夏季風(fēng)北方降水的影響，其中軌道輻射是驅(qū)動(dòng)?xùn)|亞夏季風(fēng)北方降水演變的主導(dǎo)因素，溫室氣體的影響也相對(duì)重要。本文所解析的溫室氣體的影響與未來氣候預(yù)估中北方降水的增多相一致，為理解未來預(yù)估中降水的演變提供了依據(jù)。