中国过去2000年典型暖期成因机理的模拟研究

Improvement on the understanding of the mechanisms of typical warming periods is the key to improve the future projection of regional climate over China for next several decades to centuries. Climate modeling experiment over the last 2 millennia is an important method to investigate the spatial-temporal structures of the typical warming periods, and to distinguish the influences from natural factors and anthropogenic factors. Using the state-of-the-art regional climate model, the Weather Research and Forecasting Model (WRF), driven by the Community Earth System Model (CESM), which is forced by combined natural forcing (i.e., solar radiation and volcanic aerosol) and combined anthropogenic forcing (i.e., greenhouse gases and land use change), two high-resolution transient experiments on regional climate changes over China will be conducted for the last 2 millennia. The modeling results will be first verified through comparison with the observation data and proxy data. Then, based on the modeling results, the spatial-temporal structures of typical warming periods will be analyzed, and the contributions on the mechanisms of typical warming periods from natural forcing and anthropogenic forcing will be compared. This study will contribute to improvement of understanding regional climate variability over China, and also help to investigate the historical role of 20th warming period and find the similarities and differences on mechanisms of 20th warming period and historical warming periods. This study will also improve the ability on regional climate projection, and have significant meanings for sustainable development of Chinese society and economy.

提高对我国典型暖期成因机理的认识是改进我国未来数十至数百年区域气候变化的预测的关键。区域气候模式对过去2000年的模拟是揭示我国典型暖期时空变化特征，区分自然因子和人为影响信号的重要方法。本课题拟采用先进的区域气候模式（WRF）在地球系统模式（CESM）分别在自然强迫（太阳辐射和火山活动）组合变化以及人为强迫（温室气体和土地利用）组合变化的驱动下所得到的结果的嵌套下， 进行过去2000年瞬变积分的我国区域气候模拟试验；在利用观测资料和重建资料对模拟结果进行验证的基础上，依据模拟结果分析我国过去2000年典型暖期的时空特征，辨识自然和人为因子对我国典型暖期的影响机理。该研究对于深入理解我国区域气候变化规律，探寻20世纪暖期的历史地位，判别20世纪暖期与历史暖期成因的异同，提高我国未来区域气候变化的预测能力，促进我国社会经济的可持续发展具有重要的现实意义。

为深入理解中国区域气候变化规律，辨别20世纪暖期与历史暖期成因机制的异同，提高中国历史气候变化研究水平及区域气候变化预测预估能力，本研究利用地球系统模式（CESM）及高分辨率的区域气候模式（WRF），构建单项耦合的全球-区域嵌套模式，在自然和人为强迫驱动下进行了过去2000年中国区域的全球-区域嵌套气候模拟试验，在利用观测资料和重建资料对模拟结果进行验证的基础上，依据模拟结果分析在年代-百年际时间尺度上中国过去2000年的气候变化特征以及典型暖期的空间特征差异，揭示了自然和人为因子对中国典型暖期的影响机理。研究结果表明，自然和人为因子通过影响赤道太平洋的海温梯度对中国百年际典型暖期的形成带来不同的影响。具体表现为，在自然强迫和人为强迫共同驱动下，赤道太平洋海温呈现整体一致升温的模态。在自然强迫下，赤道西太平洋显著增温（类－拉尼娜模态）；而在温室气体强迫下，赤道东太平洋显著增温（类－厄尔尼诺模态）。持续的火山喷发（自然强迫)通过北大西洋的海温降低造成亚洲季风的年代际减弱，从而导致中国东部地区夏季降水的年代际减弱。此外，还研究了，在不同典型暖期中气候系统内部变率对中国区域气候的影响。结果显示，现代暖期中，当南亚高压位置偏西北时，中国华北地区的极端降水偏多，而中国江淮流域地区的极端降水偏少。当南亚高压强度增强并扩展到更大区域时，中国江淮流域地区的极端降水偏多。当春季北极涛动处于正位相时，长江中游流域夏季极端降水事件偏少，但极端暖事件偏多。最后，基于前面的分析，我们选择现代暖期中与中国区域气候有显著关系的印度洋北部的春季海平面温度和北太平洋西部同阿留申群岛的春季海平面气压差，建立了基于物理的经验模型（PEM），用于预测未来长江中下游流域夏季极端降水。