近21000年地球气候演变的模拟研究

本项目将首先使用最新的完全耦合气候模式NCAR-CCSM3对近21000 年的全球气候演变过程进行一组超长的连续模拟。通过模拟，我们不仅能研究气候的长期时间演变趋势，也能研究重要的气候突变，并理解各种气候强迫因子在其中所起的作用。更进一步，我们可以建立一种全新的"模式-观测"比较方式，即把重点放在时间序列的对比上，这样不仅可以更好地验证模式，还可以利用模式中物理过程的一致性来同化整合观测资料。本项目主要研究全球气候演变，并特别关注亚洲季风系统及其与全球气候的相互作用。拟解决的关键问题包括：1）气候系统对温室气体和其它气候强迫因子的敏感性如何？2）大西洋经向翻转流的突变特征和稳定性如何？3）亚洲季风和水循环对21kaBP以来的气候强迫如何响应？本项目将努力促进气候模拟学者（注重模拟）和古气候学家（注重观测）的交叉合作，致力于集全古气候学界之力进行"模式-观测"比较的工作。

本项目成功采用海气耦合气候模式对过去21000年地球气候的长期演化进行了数值模拟，并对这一时期三大关键气候问题进行了“模拟-观测”对比研究：1）气候系统在2万年尺度上对外强迫的敏感性；2）大西洋经向翻转环流（AMOC）对淡水输入响应和稳定性；3）亚洲季风和水循环对外强迫的内部适应机理。..本项目取得的主要结果包括：1）通过综合的“模式-观测”对比，揭示了地球轨道变化和淡水通量变化对近21000年来El Niño变化起着决定性作用。在轨道时间尺度上，轨道要素（特别是岁差）通过热带海-气耦合反馈作用决定了厄尔尼诺的强度，这种机制在全新世表现得尤为明显，能很好地解释已有的观测证据（在全新世中由弱到强）；在千年尺度上，北大西洋淡水通量通过影响大西洋热盐环流和太平洋赤道年循环来影响厄尔尼诺的变率，该机制在冰消期表现相对显著。2）北大西洋AMOC在古气候的特殊时段（如BA暖期）、在20世纪近百年的时间尺度上、以及在未来全球变暖背景下，都对北半球气候和亚洲季风都有着显著影响。在BA暖期，AMOC显著增强（过冲现象，Overshoot）对北半球快速增暖起主导作用；在20世纪，淡水注入敏感性试验证明AMOC的减弱对冬季风增强和夏季风减弱有所贡献。在未来全球变暖背景下，AMOC将因海洋层结增强和Rossby波传播的加速而减弱（周期变短、方差变小）。3）东亚季风（冬季风和夏季风）在过去21000年里的演变主要受轨道要素和北大西洋淡水通量两个外强迫因子影响，轨道要素主要通过中高纬度接收太阳辐射影响海陆热力性质的季节性差异，淡水通量通过影响AMOC强度影响经向热输送。通过把模式结果与观测中的d18O同位素记录对比，发现d18O记录并不能解释为夏季局地降水，而应该和大尺度东亚季风的经向环流联系起来，特别是华北地区的经向风和降水，这整合并解释了已有观测背后的物理过程。..本项目的成功开展，大大加深了气候学界对近21000年地球气候演变中的关键科学问题（ENSO，AMOC，东亚季风）的理解；为理解未来全球变暖背景下的气候变化提供了基于物理过程的科学基础；为已有的观测记录和代用资料提供了来自数值模拟界的、时空完整的、全要素的、新的比对标准。