过去千年中国东部干湿格局变化特征及机制模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 张亮 |
| 答辩日期 | 2023-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 郝志新 |
| 关键词 | 过去千年 中国东部 干湿格局 模式模拟 机制诊断 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 气候变化加速了全球水文循环及季风降水强度，导致区域干湿格局显著变化，从而增加了气候灾害风险，并严重威胁水资源安全。为了更好预测、适应和减缓未来干湿格局的变化可能带来的多方面影响，需在过去千年大背景下，深入研究区域干湿格局的变化特征和机制，尤其是在典型冷暖背景下。这也是当前全球变化研究领域的热点问题之一。然而，受自然强迫、人类活动、气候系统内部变率及各要素相互作用的影响，区域干湿格局变化特征的不确定性更大，影响机制更为复杂。近年来，随着气候模式和地球系统模式的不断发展，数值模拟为解释过去千年区域干湿格局的变化特征和影响机制提供了重要的科学依据。因此，本研究采用多源的模式模拟数据，并设计多个数值模拟试验，以中国东部作为典型研究区域，模拟过去千年以来该区域的干湿格局变化特征，并深入诊断其背后的气候物理机制。 首先，本研究利用通用地球系统模式（Community Earth System Model, CESM）大样本集合的千年模式试验（CESM-Last Millennium Ensemble,CESM-LME）数据集，采用合成分析等方法，详细研究了中世纪气候异常期（Medieval Climate Anomaly,MCA）和小冰期（Little Ice Age,LIA）内，在多种外强迫和气候系统内部变率的协同影响下，中国东部地区的年代际干湿格局变化特征。其次，基于CESM进一步设计了气候敏感性试验，探究了在异常太阳活动驱动下，当以不同太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）位相作为初始条件而非约束条件时中国东部干湿格局的变化特征和环流背景，并分析了太阳活动对北太平洋海表温度异常（Sea surface temperature anomalies,SSTAs）空间分布的调制效应。随后，基于国际耦合模式比较计划第六阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）中的多模式模拟数据，采用最优指纹法，系统地评估了现代暖期内（特别是20世纪中期以来）自然强迫与人类活动对中国东部干湿格局的相对贡献。最后，采用区域气候模式COSMO–CLimate Model（CCLM）设计了全强迫试验，模拟了中国地区的基本气候特征，并评估了CCLM对中国东部干湿格局的模拟潜力。同时，选择了典型历史气候期（1591~1850年）作为代表时段，对中国东部干湿格局特征进行了高分辨率模拟，并深入研究了区域干湿格局与典型火山事件之间的关联机制。本文的主要研究结论包括： （1）根据CESM–LME全强迫试验下的中国东部地表温度距平序列，识别了两个过去千年典型冷暖时段（MCA：950~1200年；LIA：1600~1850年）。在MCA内的强太阳活动下，PDO正位相下的中国东部多数地区偏湿，PDO负位相下中国东部的干湿格局为经向偶极型分布，伴随正位相的东亚–太平洋（East Asia/Pacific, EAP）遥相关型。北大西洋年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO）正位相下的干湿格局和环流背景类似于负PDO位相，AMO负位相下的干湿格局为经向三极型分布。在MCA内的火山活动下，中国东部干湿格局在正PDO/AMO位相下为经向三极型分布，在负PDO/AMO位相下为经向偶极型分布。在LIA内的弱太阳活动下，PDO正位相下的中国东部干湿格局为经向偶极型分布，伴随负位相的EAP遥相关型，而PDO负位相下的干湿格局为经向三极型分布。AMO正位相和负位相下的中国东部干湿格局和环流背景均类似于PDO正位相。在LIA内的火山活动下，PDO正位相下的中国东部多数地区偏旱，PDO负位相下的干湿格局为经向偶极型分布。AMO正位相下的干湿格局为经向三极型分布，环流背景与PDO负位相类似，AMO负位相下的干湿格局和环流背景类似于PDO负位相。太阳辐射对长江中下游以南的干湿变化影响显著，而不同内变率下的中国东部干湿格局存在相关性，且该相关性受外强迫调制。 （2）CESM气候敏感性试验结果表明，中国东部干湿格局与太阳活动强度及PDO初始位相均有显著联系。对于强太阳活动，当初始条件为PDO负位相时，中国东部呈现一致型干旱分布，这可能与较强的西太平洋副热带高压导致的水汽输送异常减少有关。当以中间或正PDO位相为初始条件时，中国东部为经向三极型干湿格局，可能与正位相的EAP遥相关型及水汽输送路径有关。对于弱太阳活动，当以PDO负位相或正位相为初始条件时，中国东部干湿格局为经向偶极型分布，其中长江中下游北部偏旱，南部偏涝，这与较弱的西太平洋副热带高压有关。当初始条件为PDO中间位相时，受削弱的西太平洋副热带高压和增强的印度季风影响，中国东部干湿格局为经向三极型分布（涝–旱–涝）。以不同PDO位相作为初始条件时，中国东部区域的气流垂直速度分布与干湿格局呈现较好的对应关系。北太平洋SSTAs的空间分布受太阳活动和PDO位相的调节，是影响中国东部干湿格局变化的关键因素。 （3）基于观测结果和CMIP6多模式模拟结果可知，全强迫试验可捕捉到中国东部多数区域的整体湿润趋势，温室气体可能控制了这一趋势变化，而气溶胶则可能削弱了温室气体的影响。相对而言，自然外强迫对中国东部干湿变化的影响较小。观测的中国东部夏季区域平均干湿年代际变化在全时段内呈明显的湿润趋势，这可能与温室气体密切相关。研究从中国东部的干湿变化中提取了主要的经验正交函数（Empirical Orthogonal Function, EOF）空间模态，选定了四个涉及干湿格局的关键区域进行检测和归因分析。最优指纹结果表明，无法将中国东部整体区域的干湿变化明确归因于人类活动或温室气体的影响。然而，在中国东部Ⅲ区（102~123°E, 20~30°N）可检测到干湿变化对温室气体的响应，说明长江中下游以北地区可能主要受气候系统内部变率的影响，而温室气体则可能影响了长江中下游以南地区的干湿变化，并据此进一步影响了中国东部干湿格局中的经向偶极型（EOF第一模态）和经向三极型（EOF第二模态）分布。 （4）CCLM在模拟中国地区的气温和降水方面表现出良好的潜力，其中，模拟的中国地区春、夏季干湿格局与观测结果较为一致，特别是在中国东部地区。在1591~1850年，研究选取了5个典型火山事件，通过比较模拟的中国东部夏季降水距平序列和重建的干湿等级序列，发现除了Mount Parker火山外，在其他典型火山事件期间，模拟和重建结果之间存在一致性。在火山爆发当年，中国东部多数地区轻微偏暖，并呈现明显偏旱的特征，可能与其同时受海平面气压和500hPa位势高度正距平的控制有关；在火山爆发后第一年，中国东部地区气温迅速下降，整体明显偏冷，干湿格局逐渐形成“南涝北旱”的经向偶极型分布。这一变化可能与正位相的EAP遥相关型以及北太平洋显著的正位相PDO型SSTAs空间分布相关；在火山爆发后第二年，中国东部偏冷区域逐渐减少，气温呈现经向偶极型分布。尽管“南涝北旱”的干湿格局仍然存在，但不如前一年明显。采用CCLM对中国东部地区的降水进行模拟时，模型的系统误差和参数化方案的选择可能都是不确定性的重要来源。与重建结果对比可知，CCLM能够较好地模拟1591~1850年中国东部干湿格局，且模拟结果与重建结果在1670~1750年存在稳定和显著的正相关关系。而在其他时段，模拟结果与重建结果存在一定差异，这可能与CCLM采用的外强迫序列和重建结果本身的不确定性有关。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 140 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209305]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张亮. 过去千年中国东部干湿格局变化特征及机制模拟[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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