过去千年中国东部持续性旱涝事件成因机制研究

Severe persistent droughts and pluvials, because of their durations and wide area coverage, can have devastating effects on society and the economy. Work to reconstruct drought status from proxy records analysis over eastern China revealed that severe persistent droughts have occurred many times during the last millennium. Some of such past droughts and pluvials is even more severe than the modern droughts, such as the drought in 1637-1643, called the Event of Ming Dynasty Emperor Chongzhen on his throne. However, the possible mechanism of these events remains unclear because of the complex climate system in eastern China. This project will focus both on simulated and reconstructed/observed records of hydroclimate variability, with the goal of both assessing the ability of fully coupled climate models to simulate persistent droughts and pluvials features and quantify contributions for these events occurred during the last millennium. Additionally, this project propose to use ensemble-based data assimilation with Earth System Models to obtain simulations that is both consistent with the model physics and with the empirical knowledge, with the aim to quantify contributions of external force and internal variability for key events in the past, and investigate the relative physical process that causes persistent droughts and pluvials in East China.

严重的干旱和雨涝灾害特别是持续多年的旱涝灾害对国民经济、生命财产以及生态系统会造成巨大损害。已有重建资料揭示过去千年严重的持续性旱涝事件多有发生，其中许多事件的严重程度甚至超过现代的记录，如1637-1643 年的崇祯大旱。然而这些持续性旱涝事件的发生机制目前却仍不甚清楚。本项目将综合利用重建、观测资料和模拟资料，通过精细对比，获得持续性旱涝事件内部精细结构及其与北半球其它区域干湿变化的联系，评估模式模拟中国东部持续性旱涝事件的能力，对比同时期气候系统内部变率和外强迫因子的演变，进行归因检测。在此基础上，为了减少持续性旱涝事件分析中的不确定性，提高模式模拟持续性旱涝事件的能力，采用将重建和数值模拟有机结合的数据同化方法，开展综合多因子驱动下的持续性旱涝事件数据同化模拟试验，从而进一步分析外强迫、内部变率及两者耦合对持续性旱涝事件的影响及相应的动力物理过程。

认识过去千年持续性旱涝事件的成因机制非常重要，可以为预测未来可能会发生的持续性旱涝事件提供自然背景的理解。本课题利用重建、数值模拟和同化数据对过去千年中国东部持续性旱涝事件发生机理展开了深入的分析。. CESM1.1.1集合模拟试验对中国东部持续性旱涝事件的再现能力提升不大，而目前已构建的古气候数据同化系统再现能力则较优。CESM1.1模式过去千年集合试验结果表明过去千年中国东部共发生了7次持续性严重干旱事件，但仅能再现１４７１-１４８８年干旱事件，模拟的干旱事件受ENSO负位相主导。PHYDA同化数据对中国东部持续性旱涝事件的再现能力较好，能再现1352–139年, 1445–1498年, 1580-1594年 和1626–1665年干旱事件，干旱事件与ENSO正位相、AMO负位相和ITCZ的北移有关。但PHYDA严重高估了18世纪-19世纪的干旱程度。. 太阳辐照度、ENSO和NAO均能影响中国东部降水，其通过大范围大气环流调整，使得中国东部的旱涝事件往往与其它区域干湿变化间存在联系。在中国东部1380-1429年雨涝期间全球大多数区域发生了严重的旱涝事件，对比同时期各强迫因子状况，推断其或许与气候系统内部变率有关，模拟结果表明ENSO负位相是中国东部1380-1429年雨涝的关键因素。中世纪暖期和小冰期中国东部与中亚干旱区降水存在反位相变化特征，模拟结果显示其形成机制是中世纪暖期相较于小冰期高的太阳辐照度一方面改变海陆热力差异导致夏季风增强，使得东亚季风区降水增加，另一方面也导致NAO呈现正位相，使得西风急流位置北移，地中海至中亚干旱区西风减弱，降水减少。另外， 夏季NAO也可以通过北大西洋-欧亚大陆遥相关模态影响从北大西洋至中国东部的降水。. 因此，在未来通过改进同化系统，并立足全球视野研究中国东部旱涝事件与各影响因子间对应关系，或许可以更有效地推断中国东部持续性旱涝事件的成因机制。本项目评估了区域古气候动力学新的研究手段即同化方法，验证了新的研究角度即增强区域间差异机理分析将提升对中国东部旱涝事件发生机理的理解，为未来气候变化预测提供了理论支撑。