末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)干濕變化的模擬研究

江南萱 燕青 王會(huì)軍

摘要 ?利用國際古氣候模擬對比計(jì)劃第四階段的多模式結(jié)果，分析了末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化及機(jī)制。多模式集合平均結(jié)果表明，末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)年降水減少0 7％，其中中亞地區(qū)的年降水減少2 8％，新疆地區(qū)年降水增加1 8％。水汽收支方程表明，末次間冰期中亞地區(qū)在雨季（冬春季）的降水變化主要與垂直動(dòng)力項(xiàng)有關(guān)，新疆地區(qū)在雨季（夏季）的降水變化主要與垂直動(dòng)力與熱力項(xiàng)有關(guān)。此外，基于Penman-Montieth方法計(jì)算的亞洲中部干旱區(qū)的干旱指數(shù)在末次間冰期減小約10 2％，表明末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)氣候明顯變干且存在旱區(qū)擴(kuò)張的現(xiàn)象，這主要受到潛在蒸散變化的調(diào)控。潛在蒸散的增加進(jìn)一步受到有效能量增加與地面風(fēng)速增大的調(diào)控。本研究從模擬的角度揭示了末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)干濕變化的可能特征及機(jī)制，在一定程度上有助于理解旱區(qū)氣候在增暖情景下對軌道參數(shù)的響應(yīng)特征。

關(guān)鍵詞 ?末次間冰期; 亞洲中部干旱區(qū); 干濕變化

亞洲中部干旱區(qū)位于亞歐大陸腹地，主要包括中亞五國（哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦以及土庫曼斯坦）與我國新疆地區(qū)，是“一帶一路”區(qū)域重要的組成部分（Huang et al.，2015）。作為全球最大的干旱區(qū)之一，干濕變化對于亞洲中部干旱區(qū)的淡水資源、生物多樣性、人類生活以及“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的發(fā)展都具有十分重要的影響（Chen et al.，2018;王會(huì)軍等，2020）。在全球變暖背景下，亞洲中部干旱區(qū)對氣候變化具有極高的敏感度（Huang et al.，2015）。已有研究表明，亞洲中部干旱區(qū)的降水在過去五十年呈增長的趨勢（Chen et al.，2018;Yao et al.，2020），并且在未來RCP8 5的排放情境下繼續(xù)增加（Feng and Fu，2013;Jiang et al.，2020）。然而，這種降水的增加伴隨的卻是亞洲中部干旱區(qū)的旱區(qū)擴(kuò)張（Huang et al.，2015;Wei et al.，2019）。這主要?dú)w因?yàn)闈撛谡羯⒌脑黾樱‵eng and Fu，2013）。這些研究結(jié)果有助于理解亞洲中部干旱區(qū)的降水與干濕氣候區(qū)對于CO 2增加引起的全球變暖的響應(yīng)特征。雖然中短期氣候變化的主要外強(qiáng)迫為CO 2，但是在萬年尺度上，溫室氣體的輻射強(qiáng)迫遠(yuǎn)小于由地球軌道參數(shù)變化引起的輻射異常。因此，研究亞洲中部干旱區(qū)干濕變化在軌道參數(shù)引起的增暖情景下的演變特征，有助于理解更長時(shí)間尺度下旱區(qū)氣候的演變特點(diǎn)。

末次間冰期（130—115 ka BP）北半球氣溫比現(xiàn)代高約2 ℃，伴隨著全球冰蓋的縮小與海平面的升高（Andersen et al.，2004;Dutton and Lambeck，2012;Bakker and Renssen，2014;Hoffman et al.，2017;Landais et al.，2016;Turney et al.，2020），是過去80萬年最暖的一個(gè)間冰期（Past Interglacials Working Group of PAGES，2016）。這種增暖主要是地球軌道參數(shù)的變化引起的大氣頂太陽輻射的增加導(dǎo)致的，并且這種增暖可以進(jìn)一步影響大氣環(huán)流等變化從而調(diào)控全球氣候變化（Otto-Bliesner et al.，2017，2021）。末次間冰期與未來低排放情景的外強(qiáng)迫雖然具有一定的差異性，但是二者的增暖幅度較一致（Gulev et al.，2021）。因此，末次間冰期為研究不同氣候變暖情景下亞洲中部干旱區(qū)干濕變化提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的降水重建結(jié)果表明，降水的增加與減少存在較大的區(qū)域／資料差異性?？粕６吹氖S記錄（Cheng et al.，2012;Hu et al.，2015）與Rudak的黃土記錄（Zhang et al.，2020）表明這兩個(gè)地區(qū)在末次間冰期降水偏少，而伊犁河、天山中部以及塔吉克斯坦的黃土記錄均表明這些區(qū)域在末次間冰期降水偏多（Ding et al.，2002;Fang et al.，2002;Yang et al.，2020）。這些重建結(jié)果有助于理解末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的降水變化，然而相關(guān)的動(dòng)力機(jī)制仍不清晰。

數(shù)值模式已廣泛應(yīng)用于探討氣候系統(tǒng)對于不同外強(qiáng)迫的響應(yīng)特點(diǎn)與相關(guān)動(dòng)力機(jī)制的歷史時(shí)期氣候變化研究。已有研究利用多個(gè)階段的國際古氣候模擬對比計(jì)劃（Paleoclimate Modelling Intercomparison Project，簡稱PMIP）探討了亞洲中部干旱區(qū)的降水與干濕氣候區(qū)在地球歷史時(shí)期的響應(yīng)特征及機(jī)理。Xu et al.（2020）基于PMIP3模式，表明末次冰盛期（～21 ka）與中全新世（～6 ka）亞洲中部干旱區(qū)降水分別減少28 2％與5 8％，且亞洲中部干旱區(qū)在這兩個(gè)時(shí)期均存在旱區(qū)擴(kuò)張的現(xiàn)象。Wang et al.（2022）基于PMIP3／4模式進(jìn)一步分析了亞洲中部干旱區(qū)在中全新世降水減少主要受到西風(fēng)急流的減弱導(dǎo)致的水汽輸送減少與局地垂直運(yùn)動(dòng)變化的影響。此外，Liu et al.（2018）與Liu et al.（2021）基于PMIP3模式與TraCE-21ka試驗(yàn)探討了末次冰盛期及末次冰盛期以來亞洲中部干旱區(qū)氣候干濕區(qū)的演變特征及對不同外強(qiáng)迫的響應(yīng)特點(diǎn)。Shi et al.（2016）基于PMIP3模式表明亞洲中部干旱區(qū)的降水在中世紀(jì)異常期（～950—1250 A.D.）較小冰期（～1500—1800 A.D.）偏少主要受到西風(fēng)急流北移與局地異常下沉運(yùn)動(dòng)的調(diào)控。需要強(qiáng)調(diào)的是，盡管中全新世（～6 ka）是一個(gè)太陽輻射異常與末次間冰期（～127 ka）類似的時(shí)期（Fischer and Jungclaus，2010;Otto-Bliesner et al.，2017），末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的干濕氣候變化仍值得進(jìn)一步的研究，原因在于：1）氣候與外強(qiáng)迫之間的相互作用是一種非線性的關(guān)系，末次間冰期與中全新世的氣候響應(yīng)特征并不會(huì)完全一致;2）目前末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的氣候變化尚未有全面、系統(tǒng)的研究。因此，本文擬解決的科學(xué)問題是：末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的降水及干濕氣候區(qū)如何變化？相關(guān)的動(dòng)力機(jī)制又為何？回答這兩個(gè)問題有助于理解地球軌道參數(shù)對亞洲中部干旱區(qū)干濕環(huán)境的調(diào)控作用，同時(shí)也有助于理解不同的變暖情景下亞洲中部干旱區(qū)氣候的響應(yīng)特點(diǎn)，為未來預(yù)估中亞洲中部干旱區(qū)氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)評估提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 方法和資料

1 1 大氣水汽收支方程

利用水汽收支方程來探討末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)降水的變化原因（Seager et al.，2010;Chou et al.，2013）。水汽收支方程的具體形式如下：

P′= -〈 ??· V q〉 ′+E′+ δ= -〈q ?· V 〉 ′- 〈 V· ??q〉 ′+E′+ δ 。 ???（1）

其中： P、q、 V 、E和 δ 分別表示降水、比濕、水平速度矢量、蒸發(fā)和殘差項(xiàng);（）′表示末次間冰期相對于工業(yè)革命前的氣候態(tài)異常;〈〉表示1 000～300 hPa的垂直積分。假設(shè) P坐標(biāo)系的垂直速度（ ω ）在地面與對流層頂均為0 m·s ?-1 ，大氣水汽收支方程可進(jìn)一步分解為：

P′= -〈 ????pq′〉-〈 ω′ ??p 〉-〈 ?· ??q′〉- 〈 V′· ???〉+E′+ δ ?。 ??（2）

其中： （） ?- 表示工業(yè)革命前的氣候態(tài);-〈 ????pq′〉與 -〈 ω ′ ??p 〉分別表示垂直水汽平流的熱力與動(dòng)力項(xiàng);-〈 ?· ??q′〉與-〈 V′· ???〉分 別表示水平水汽平流的熱力與動(dòng)力項(xiàng)。式（2）中，熱力項(xiàng)與大氣中水汽含量（比濕）的變化有關(guān)，動(dòng)力項(xiàng)與速度異常相聯(lián)系。

1 2 干旱指數(shù)（AI）的定義與計(jì)算

利用干旱指數(shù)（Aridity index，AI）來研究末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)干濕氣候分區(qū)的變化。干旱指數(shù)定義為年降水（ P ）與年潛在蒸散量（PET）的比值。用公式表示為：

AI= ?P ?PET 。 ???（3）

根據(jù)Middleton and Thomas（1997）提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)，全球可劃分為5種干濕氣候區(qū)：極端干旱區(qū)（AI<0 05）、干旱區(qū)（0 05≤AI<0 2）、半干旱區(qū)（0 2≤AI<0 5）、半濕潤半干旱區(qū)（0 5≤AI<0 65）與濕潤區(qū)（AI≥0 65）。

在干旱指數(shù)的計(jì)算中，潛在蒸散是一個(gè)重要的變量，具有多種計(jì)算方式。在眾多方式中，利用Penman-Montieth（PM）方程對潛在蒸散的估算效果最佳（Jensen et al.，1990;Allen et al.，1998）。PM方程綜合考慮了能量驅(qū)動(dòng)因子（例如，凈輻射通量、地表氣溫）及大氣動(dòng)力因子（例如，飽和水汽壓差、風(fēng)速）對潛在蒸散變化的影響（Penman and Keen，1948;Monteith，1965）。PM方程具體計(jì)算潛在蒸散方法如下：

PET ?PM = 0.408 Δ（ R ?n -G）+ γ ?900 T ??mean ?+273 U 2（e ?s -e ?a ） ?Δ+ γ（1+0.34 U ?2） 。 ???（4）

其中： Δ 表示飽和水汽壓曲線斜率（kPa·℃ ?-1 ）; R ?n 和G分 別為凈輻射和土壤熱通量（MJ·m ?-2 · d ?-1 ），二者的差值（ R ?n- G ）表示用于蒸發(fā)的有效能量; γ 為干濕表常數(shù)（kPa·℃ ?-1 ）; T ??mean 為2 m處的日均氣溫（℃），由日最高氣溫與日最低氣溫的平均值表示; U ?2為2 m處的風(fēng)速（m·s ?-1 ）; e ?s和 e ?a分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓（kPa），二者的差值（ e ?s- e ?a）表示飽和水汽壓差， e ?s由日最高氣溫與日最低氣溫計(jì)算的飽和水汽壓的平均值表示， e ?a由相對濕度計(jì)算得到。

為了分析干旱指數(shù)變化的可能原因，采用Feng and Fu（2013）給出的定量估算降水和潛在蒸散量對干旱指數(shù)變化的影響的方法，計(jì)算公式如下：

Δ AI≈ F （ Δ P）+G（ Δ PET）。 ??（5）

F（ Δ P）= ?Δ P ?PET 。 ??（6）

G （ Δ PET）= - ?P ?PET 2 ?Δ PET+ ?P ?PET 3 （ Δ PET） 2≈ ?Δ AI- F （ Δ ?P ）。 ???（7）

此外，我們還采用了Fu and Feng（2014）提出的方法來量化氣溫、有效能量、相對濕度和風(fēng)速對PM方法計(jì)算得到的潛在蒸散量的相對貢獻(xiàn)。令有效能量，AE= R ?n- G ， g = 900 ?T ??mean +273 ，用下標(biāo)“0”和“1”分別代表工業(yè)革命前與末次間冰期的氣候平均值，用 δ 代表兩個(gè)時(shí)期氣候態(tài)的差值，則潛在蒸散量的變化可表示為：

δ PET≈ ?0.408× Δ （ T ??mean1 ）× AE ?0+ γ× g（ T ???mean1 ）× U ?0× e ??s （ ?T ???mean1 ）×（1-RH 0） ?Δ （ ?T ???mean1 ）+ γ ×（1+0.34× ?U ???1 ） -PET 0+

0.408× Δ （ ?T ???mean1 ）× δ AE ?Δ （ ?T ???mean1 ）+ γ ×（1+0.34× ?U ???1 ） + ??γ× g（ T ???mean1 ）× ?U ???0 × ?e ???s （ ?T ???mean1 ）×（- δ RH） ?Δ（ ?T ???mean1 ）+ γ ×（1+0.34× ?U ???1 ） + ?γ× g（ T ???mean1 ）× δ U× e ???s （ ?T ???mean1 ）×（1-RH 1） ?Δ （ T ??mean1 ）+ γ ×（1+0.34× U ???1 ） 。 ???（8）

其中：RH是相對濕度（％）。根據(jù)式（8），氣溫變化造成的潛在蒸散量的變化為公式右側(cè)的前兩項(xiàng)，有效能量、相對濕度以及風(fēng)速變化對潛在蒸散量的貢獻(xiàn)分別為右側(cè)第三、四、五項(xiàng)。該公式表明，增加的平均氣溫、地表風(fēng)速與有效能量有利于潛在蒸散量的增強(qiáng)，進(jìn)而使得干旱指數(shù)減小（氣候變干）;反之，增加的相對濕度會(huì)使得潛在蒸散量減小，從而造成干旱指數(shù)增大（氣候變濕）。

1 3 PMIP4模式

本文利用參加PMIP4的13個(gè)全球氣候模式的末次間冰期模擬試驗(yàn) ?（lig127k）與工業(yè)革命前控制試驗(yàn)（piControl） ?來探討末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化（表1）。在水汽收支的分析中，由于ACCESS-ESM1-5模式風(fēng)場數(shù)據(jù)的問題（Jiang et al.，2022）與NESM3模式蒸發(fā)數(shù)據(jù)的缺失，在計(jì)算集合平均結(jié)果時(shí)未采用這兩個(gè)模式;在計(jì)算干旱指數(shù)時(shí)，由于相關(guān)模式變量的缺失，僅采用7個(gè)模式的集合平均結(jié)果進(jìn)行分析（表1）。利用超過2／3的模式與多模式集合平均結(jié)果具有相同的變化信號(hào)作為多模式集合平均結(jié)果的顯著性檢驗(yàn)（即降水分析中超過9個(gè)模式具有相同的信號(hào)即為顯著，干旱指數(shù)分析中超過5個(gè)模式具有相同的信號(hào)即為顯著）。

地球軌道參數(shù)是末次間冰期主要的外強(qiáng)迫，包括了地軸傾角、偏心率以及歲差。末次間冰期軌道三要素的變化引起不同緯度與季節(jié)的大氣頂太陽輻射分布與數(shù)值的變化，造成亞洲中部干旱區(qū)夏季大氣頂太陽輻射增加約50 W·m ?-2 ，冬季大氣頂太陽輻射減小約25 W·m ?-2 （Otto-Bliesner et al.，2017）。此外，末次間冰期的大氣溫室氣體濃度較工業(yè)革命前偏低，末次間冰期（工業(yè)革命前）的CO 2、CH 4與N 2O濃度分別為275 ppm（284 ppm）（1 ppm=10 ?-6 ）、685 ppb（808 ppb）與255 ppb（273 ppb）（1 ppb=10 ?-9 ）（Otto-Bliesner et al.，2017）。此外，我們校正了末次間冰期的軌道日歷效應(yīng)（Bartlein and Shafer，2019），利用雙線性插值將所有的模式數(shù)據(jù)與再分析資料插值至1°×1°的水平分辨率。

2 結(jié)果分析

2 1 模式評估

首先基于CRU（Climatic Research Centre）降水資料（Harris et al.，2020），利用泰勒圖評估了PMIP4末次間冰期模式對應(yīng)的工業(yè)革命前控制試驗(yàn)（ piControl ）對亞洲中部干旱區(qū)（50°～95°E，35°～50°N）

降水的模擬能力（圖1）。CRU降水資料已被廣泛用于PMIP3／4降水模擬的評估（Jiang et al.，2021;Wang et al.，2022）。

泰勒圖的結(jié)果表明，雖然PMIP4模式對于亞洲中部干旱區(qū)的季節(jié)降水的模擬能力不一且對于夏季降水的模擬能力具有較大差別（模式相對于CRU的標(biāo)準(zhǔn)差從小于0 75至大于 1 5 不等），大多數(shù)PMIP4模式仍能較好地模擬出亞洲中部干旱區(qū)降水的空間特征，模式與觀測降水的年平均、春季平均、夏季平均、秋季平均與冬季平均的空間相關(guān)系數(shù)分別為（0 90±0 04）（0 87±0 04）（0 86±0 05）（0 89±0 03）與（0 90±0 03）。相較于大多數(shù)PMIP4模式，多模式集合平均結(jié)果對于亞洲中部干旱區(qū)的降水模擬效果更優(yōu)。多模式集合平均結(jié)果與CRU的年平均、春季平均、夏季平均、秋季平均與冬季平均的空間相關(guān)系數(shù)分別為0 93、0 91、0 91、0 93與0 93，均方根誤差均小于0 75。因此，我們進(jìn)一步給出了PMIP4多模式集合平均結(jié)果模擬得到的工業(yè)革命前亞洲中部干旱區(qū)的降水空間分布特征，并根據(jù)降水中心將亞洲中部干旱區(qū)劃分為中亞地區(qū)（50°～75°E，35°～50°N）與新疆地區(qū)（75°～95°E，35°～50°N）（圖2a—o）?？傮w來說，雖然多模式平均結(jié)果與觀測相比仍存在一定偏差（對亞洲中部干旱區(qū)的降水量存在一定的高估且多模式集合平均結(jié)果模擬得到的新疆地區(qū)春季降水較夏季降水偏多），但是多模式集合平均結(jié)果仍能夠較好地再現(xiàn)觀測資料中中亞地區(qū)降水集中在冬春季節(jié)、新疆地區(qū)的夏季降水對年降水量有重要貢獻(xiàn)的特征（圖2p、q）。

2 2 末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)降水變化

PMIP4多模式集合平均結(jié)果表明末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的年平均降水相對于工業(yè)革命前減少0 7％。其中，降水在中亞北部增加，南部減少，整體減少2 8％;在新疆中部減少，在南北部增加，整體增加1 8％（圖3）。末次間冰期中亞地區(qū)降水的減少與中全新世的變化類似，而末次間冰期新疆地區(qū)年降水增加，與中全新世新疆地區(qū)年降水減少存在一定的差異（Wang et al.，2022）。這種差異可能是由于末次間冰期夏季太陽輻射增加幅度較中全新世更明顯造成的新疆地區(qū)夏秋季節(jié)降水增加幅度更大所導(dǎo)致的。

進(jìn)一步分析末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)在四個(gè)季節(jié)降水的變化特征（圖4）。多模式集合平均結(jié)果表明，末次間冰期中亞地區(qū)降水在春季減少1 8％，在夏季減少1 3％，在秋季減少1 5％，在冬季減少10 3％;新疆地區(qū)的降水在春季減少5 9％，在夏季增加14 1％，在秋季增加8 6％，在冬季減少3 8％?？梢钥吹?，中亞地區(qū)年降水的減少主要是由于冬季降水減少主導(dǎo)，新疆地區(qū)年降水的增加主要是由于夏季降水增加主導(dǎo)。此外，由于中亞地區(qū)降水集中在冬春季節(jié)，新疆地區(qū)降水集中在夏季。因此，進(jìn)一步分析冬春季節(jié)中亞地區(qū)降水變化與夏季新疆地區(qū)降水變化的原因。

多模式集合平均結(jié)果表明，末次間冰期中亞的冬春季節(jié)降水在約45°N以南減少（10％～50％），在約45°N以北稍有增加（5％～10％）（圖5a）。根據(jù)水汽收支方程，中亞南部的降水減少主要與水平動(dòng)力項(xiàng)與垂直動(dòng)力項(xiàng)相關(guān);中亞北部的降水增加主要與垂直動(dòng)力項(xiàng)相關(guān)，同時(shí)水平與垂直的熱力項(xiàng)也有一定的正貢獻(xiàn)（圖5b、c）。此外，末次間冰期，對于夏季新疆降水變化而言，在約43°N以南顯著增加（可達(dá)約200％），在約43°N以北減少（10％～25％）（圖6a）。根據(jù)水汽收支方程，新疆南部的降水增加與垂直動(dòng)力與熱力項(xiàng)有關(guān)，北部的降水減少主要與水平熱力項(xiàng)相關(guān)，同時(shí)垂直動(dòng)力項(xiàng)與熱力項(xiàng)也有正貢獻(xiàn)（圖6b、c）。這種環(huán)流與比濕的變化進(jìn)一步與地球軌道參數(shù)變化引起的太陽輻射的變化造成的溫度的變化相聯(lián)系（即末次間冰期，地球軌道參數(shù)的變化造成的亞洲中部干旱區(qū)在夏季／冬春季節(jié)的增溫／降溫，可通過熱成風(fēng)關(guān)系影響大氣環(huán)流;同時(shí)，這種增溫／降溫對蒸發(fā)及空氣熱容的影響造成了末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)比濕的增加／降低）。

2 3 ?末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的干濕氣候區(qū)變化

基于PMIP4多模式集合平均結(jié)果，PM方法計(jì)算得到的亞洲中部干旱區(qū)干旱指數(shù)在末次間冰期減小（約10 2％），并且這種減小在塔吉克斯坦與新疆北部最為明顯，表明末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)氣候明顯變干（圖7a）。此外，干旱指數(shù)的變化表明亞洲中部干旱區(qū)存在旱區(qū)擴(kuò)張的現(xiàn)象，包括半干旱區(qū)向干旱區(qū)轉(zhuǎn)變、半濕潤半干旱區(qū)向干旱區(qū)轉(zhuǎn)變與濕潤區(qū)向半濕潤-半干旱-干旱區(qū)轉(zhuǎn)變（圖7b、c）。

干旱指數(shù)的變化主要受到降水與潛在蒸散量的影響，而潛在蒸散量是氣溫、有效能量、相對濕度和風(fēng)速的函數(shù)。因此，干旱指數(shù)的變化受到降水、氣溫、有效能量、相對濕度和風(fēng)速的共同影響。在末次間冰期，PM方法計(jì)算得到的亞洲中部干旱區(qū)的降水變化會(huì)造成干旱指數(shù)增加約0 3％，潛在蒸散量的變化會(huì)造成干旱指數(shù)減小約10 5％（圖8）。這表明亞洲中部干旱區(qū)潛在蒸散的變化對干旱指數(shù)的減?。▍^(qū)域氣候變干）有主要貢獻(xiàn)。此外，末次間冰期，平均氣溫的降低與相對濕度的增加對亞洲中部干旱區(qū)潛在蒸散的增加有負(fù)貢獻(xiàn)，有效能量的增加與地表風(fēng)速的增大對潛在蒸散的增加均有正貢獻(xiàn)（圖9）。此外，這些變量的變化進(jìn)一步與地球軌道參數(shù)變化造成的太陽輻射的變化引起的溫度變化直接或間接相關(guān)（即末次間冰期，氣溫與有效能量的變化與地球軌道參數(shù)變化引起的大氣頂太陽輻射變化直接相關(guān)，而地球軌道參數(shù)變化造成的溫度變化改變了大氣的熱容與蒸發(fā)從而間接影響了大氣相對濕度的變化，地表風(fēng)速的變化也受到邊界層內(nèi)溫度變化造成的熱力結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響）。

3 結(jié)論與討論

本文通過PMIP4的 ?lig127k ?試驗(yàn)的多模式集合平均結(jié)果研究了末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化。得到的主要研究結(jié)論如下：

1）降水：末次間冰期中亞地區(qū)的年降水減少2 8％，新疆地區(qū)年降水增加1 8％。其中，中亞地區(qū)降水在春季減少1 8％，在夏季減少1 3％，在秋季減少1 5％，在冬季減少10 3％;新疆地區(qū)的降水在春季減少5 9％，在夏季增加14 1％，在秋季增加8 6％，在冬季減少3 8％。根據(jù)水汽收支方程，垂直動(dòng)力項(xiàng)對中亞冬春季節(jié)與新疆夏季降水變化均有重要貢獻(xiàn)（圖10）。

2）干濕氣候區(qū)：PM方法計(jì)算得到的亞洲中部干旱區(qū)干旱指數(shù)在末次間冰期減小約10 2％，表明末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)氣候明顯變干，且存在旱區(qū)擴(kuò)張的現(xiàn)象。這種干旱指數(shù)的減小主要受到潛在蒸散增大的調(diào)控。潛在蒸散的增加主要與有效能量的增加與地面風(fēng)速的增大有關(guān)（圖10）。

此外，我們的研究仍存在一些不確定性。從重建的角度出發(fā)，PMIP4模式模擬的亞洲中部干旱區(qū)的降水減少與Rudak（67 1°E，39 0°N）的黃土記錄（Zhang et al.，2020）、科桑洞（81 8°E，42 9°N）的石筍記錄（Cheng et al.，2012;Hu et al.，2015）一致。此外，PMIP4模式模擬的蒙古的降水減少與青藏高原的降水增加也與Kurtak（91 5°E，55 1°N）的黃土記錄（Chlachula，2003）、納木錯(cuò)（91°E，30 3°N）的孢粉記錄（Zhao et al.，2003）、天門洞（90 7°E，30 9°N）的石筍記錄（Cai et al.，2010）一致。然而， 伊犁河（83 3°E，43 4°N）、天山中部（85 6°E， 44 2°N ;87 5°E，44 0°N）以及塔吉克斯坦（69 8°E，38 4°N） 的黃土記錄均表明這些區(qū)域在末次間冰期降水偏多（Ding et al.，2002;Fang et al.，2002;Yang et al.，2020），而模式模擬結(jié)果表明這些區(qū)域的降水偏少。重建與模式的不確定性共同造成了二者在末次間冰期的差異。對于重建而言，不確定性主要來源于重建的指標(biāo)可能包含了除了降水之外的其他氣候信息（如溫度等），且可能更多地受到局地氣候的影響，而非大尺度環(huán)流的影響。此外，不同記錄的定年方法與結(jié)果存在一定的差異性，對于模式選定的127 ka時(shí)間點(diǎn)的描繪可能不完全一致。對于模式而言，模式的參數(shù)化方案與分辨率均有可能影響模式中降水的模擬結(jié)果。同時(shí)，PMIP4末次間冰期試驗(yàn)是基于127 ka開展的平衡模擬試驗(yàn)，對末次間冰期的氣候演變特征的描繪能力有限。未來高分辨率代用資料的構(gòu)建與末次間冰期高時(shí)空分辨率的瞬變試驗(yàn)的開展有助于進(jìn)一步理解末次間冰期亞洲中部干旱區(qū)的氣候演變特征。

為了更好地理解亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化在暖期的變化特點(diǎn)，進(jìn)一步比較了亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化在不同增暖情境下的響應(yīng)特征。對于年降水而言，末次間冰期與中全新世的亞洲中部干旱區(qū)的降水異同點(diǎn)主要來自于末次間冰期與中全新世大氣頂太陽輻射異常的分布類似然而幅度更大所導(dǎo)致的。此外，末次間冰期的氣候明顯變干與旱區(qū)擴(kuò)張的現(xiàn)象在中全新世也存在，只是幅度較中全新世偏大（Xu et al.，2020）。然而，在未來預(yù)估的不同排放情景與增溫目標(biāo)下，雖然亞洲中部干旱區(qū)降水與潛在蒸散均增加，但是中亞地區(qū)旱區(qū)擴(kuò)張，新疆地區(qū)旱區(qū)收縮，這可能與二者的氣候敏感度不同有關(guān)（Feng and Fu，2013;Wei et al.，2019）。末次間冰期與未來排放情景預(yù)估中降水與氣候干濕區(qū)變化的差異性可能來源于亞洲上空大尺度環(huán)流系統(tǒng)對軌道參數(shù)與溫室氣體濃度的響應(yīng)特征不一致所導(dǎo)致的（He and Zhou，2020）。綜上，亞洲中部干旱區(qū)的干濕變化對不同外強(qiáng)迫引起的增暖情景的響應(yīng)特征的差異性可為未來預(yù)估中不同變暖情景下亞洲中部干旱區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)評估提供科學(xué)依據(jù)。

致謝： PMIP4模式結(jié)果與CRU資料可在https：／／esgf-node.llnl.gov／projects／cmip6／與https：／／sites.uea.ac.uk／cru／在線下載，謹(jǐn)致謝忱。

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Deciphering the variations of wet-dry conditions over Arid Central Asia during the Last Interglacial based on PMIP4 models

JIANG Nanxuan ?1，2 ，YAN Qing ?1，3 ，WANG Huijun ?1，3

1Nansen-Zhu International Research Centre，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;

2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;

3Key Laboratory of Meteorological Disaster／Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044，China

Climate change over drylands in a warmer climate and its responses to Earths orbit can be better understood by an investigation of climate change across arid Central Asia during the Last Interglacial （LIG）.Based on the Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase 4 （PIMP4），we analyze variations in wet-dry conditions and associated mechanisms over arid Central Asia during the LIG.The results show that during the LIG，the annual precipitation is reduced by 0 7％ over arid Central Asia，with precipitation decreasing by 2 8％ over Central Asia while increasing by 1 8％ over Xinjiang compared to the preindustrial period.Over Central Asia，the precipitation decreases by 1 8％，1 3％，1 5％，and 10 3％ in the spring，summer，autumn，and winter，respectively，indicating that the reduced annual precipitation is mainly due to changes in winter.According to the moisture budget equation，variations in precipitation over Central Asia during the rainy season （winter and spring） are mainly caused by the vertical dynamic term.Moreover，precipitation over Xinjiang is reduced by 5 9％ and 3 8％ in spring and winter，respectively，and increased by 14 1％ in summer and 8 6％ in autumn，indicating that the majority of the rise in annual precipitation is a result of precipitation in summer.Consequently，the moisture budget analysis suggests that the vertical dynamic and thermodynamic terms contribute most to the variations in precipitation over Xinjiang.In addition，the aridity index over arid Central Asia decreases by approximately 10 2％ during the LIG based on the Penman-Montieth method，which indicates that arid Central Asia experience a drier condition.Furthermore，drylands over arid Central Asia had expanded during that period，including the transition from semi-arid to arid regions，from sub-humid and semi-arid to arid regions，and from humid to sub-humid，semi-arid and arid regions.Hence，the reduced aridity index over arid Central Asia is a result of increased potential evaporation at that time.This increased evaporation is further linked with negative contributions from decreased surface air temperature and increased relative humidity，as well as positive contributions from enhanced surface wind speed and available energy.Our study provides a possible map for changes in wet-dry conditions over arid Central Asia in a warmer climate induced by the Earths orbit and sheds light on risk assessments for arid Central Asia in different warming scenarios.

Last Interglacial;Arid Central Asia;wet-dry conditions

doi：10 13878／j.cnki.dqkxxb.20220620001

（責(zé)任編輯：劉菲）