全新世东亚夏季风演变的争议：一种基于机理解析的调和

程 军，刘一陶，吴海斌，刘征宇

1.南京信息工程大学 海气相互作用研究中心，南京 210044

2.中国科学院地质与地球物理研究所 新生代地质与环境重点实验室，北京 100029

3.Department of Geography， Ohio State University， OH 43210， USA

东亚夏季风是维持东亚地区生态、环境基本状态的主导性大气环流系统，其在古气候记录相对丰富的全新世时期的演变是认知长期气候变化下东亚夏季风响应特征、响应机制及其生态、环境影响的基础，对于理解及预测当前全球增暖下东亚夏季风的演变具有重要意义。

全新世时期地质记录对东亚夏季风演变的指示存在系统性差异。如洞穴石笋氧同位素记录指示东亚夏季风于全新世早期最强（Wang et al，2005），东亚夏季风在全新世阶段的持续减弱被该时期北半球夏季太阳辐射的逐渐减少主导（Kutzbach and Street-Perrott，1985）；而北方的黄土（Lu et al，2013）、沙墩（Lu et al，2005；Xu et al，2020）、古土壤（Li et al，2014）及植被（Li et al，2014；Chen et al，2015）等生态、环境记录则指示东亚夏季风于全新世中期最盛，早 — 中全新世阶段东亚夏季风的增强由高纬冰盖/ CO2（Lu et al，2013）、陆面过程反馈（Lu et al，2005）、高纬冰盖/大西洋经向翻转环流（AMOC，Chen et al，2015）等主导。早 — 中全新世阶段东亚夏季风演变的记录间差异严重阻碍了对该时期东亚夏季风演变特征、主导因素等方面的认识（Peterse et al，2011），同时不可避免地引起了对相应东亚夏季风地质记录代表性的质疑（Liu et al，2015）。

在地质记录间存在系统性差异的背景下，如何认识全新世东亚夏季风的实际演变，不仅关系到该时期东亚夏季风演变主导驱动因素及响应动力学机制的重新认识，也涉及东亚夏季风地质记录间的调和问题。能够解析太阳辐射、CO2、冰盖、AMOC等外强迫因素对东亚夏季风的不同影响，并能够再现记录分析所推测的东亚夏季风与生态、环境内部反馈过程（Lu et al，2005；Chen et al，2015）的古气候瞬时模拟（TraCE21ka，Liu et al，2009），为基于季风及生态、环境机理破解该系列难题提供了可能的机会。基于该模拟与记录的有机结合，Cheng et al（2021）针对该系列问题开展了探索性的工作。

如图1所示，TraCE21ka模拟同时再现了石笋氧同位素与北方土壤湿度、植被记录间的非同步演变，并进一步指示早全新世最强的东亚夏季风与中全新世最优的北方生态、环境或许能够同时存在，即早—中全新世阶段可能存在东亚夏季风减弱与北方生态、环境优化的阶段性非同步演变（Cheng et al，2021）。该基于模拟与记录相结合的新认识可有效调和两种记录对东亚夏季风演变指示的分异性特征，但是否成立需解释早全新世东亚夏季风为何最强，以及明确早 — 中全新世阶段东亚夏季风减弱背景下北方生态、环境为何优化的问题。

图1 全新世东亚夏季风及北方生态、环境演变的记录与模拟结果对比Fig.1 Contrast of evolution of Holocene East Asian summer monsoon (EASM)，northern China (NC) rainfall and ecosystem in proxy records and simulation

TraCE21ka模拟单强迫试验的分析表明：前人基于记录间比对及模式敏感性试验所提出的气候变化各强迫因素对东亚夏季风演变的影响确实成立，比如北半球夏季辐射的减弱可导致东亚夏季风的减弱（Wang et al，2005）、高纬冰盖消融及AMOC强度增强可导致东亚夏季风的增强（Lu et al，2013；Chen et al，2015）等，但各自的相对贡献存在差异。TraCE21ka模拟及其单强迫试验间的定量化对比分析表明：早—中全新世阶段东亚夏季风的减弱由太阳辐射的演变主导，其结果与东亚夏季风敏感性的认识相一致（Cheng et al，2019）。太阳辐射减弱导致的东亚夏季风北方降水减少幅度的约2 / 3被高纬冰盖消融导致的降水增多效应抵消（Cheng et al，2021）。

早 — 中全新世阶段北方降水小幅度减少背景下，制约当地植被种属间大幅度更替（Li et al，2014）的关键因素是冬季的大幅升温过程。早全新世时期北半球中高纬地区太阳辐射的冬、夏季差异（即岁差）为近70 ka以来最强（Kutzbach et al，2020）。早 — 中全新世阶段冬季太阳辐射的逐渐增强，以及北半球高纬度地区冰盖的进一步消融，导致北半球冬季气温的大幅升高。当冬季最低温逐渐高于-17°C时，基于温度阈值效应（Bonan et al，2003），北方的温带落叶阔叶林逐渐增多、草逐渐减少。通过模

拟结果中土壤水文平衡过程的定量化分析发现：该植被种属间的大幅转换可导致土壤湿度的显著增大。传统认识认为，北方半干旱区土壤湿度的演变一般应被季风降水的变化主导，但是在早 — 中全新世阶段季风降水平均强度大且减弱幅度小的背景下，模拟结果分析指出，植被更替所导致的植被蒸腾强度的变化可主导该区域土壤湿度变化的方向。此“冬季温度主控的植被演替及其土壤水文影响”的新认识，强调了植被温度阈值效应（Bonan et al，2003）的关键作用，TraCE21ka模拟的结果与相应记录高度一致，且在陆面—动态植被耦合模式的系列敏感性试验中得到进一步的验证（Cheng et al，2021）。

Cheng et al（2021）通过记录与模拟的有机结合，在季风动力学机理及生态、环境机理剖析的基础上，探索性地提出了早 — 中全新世阶段东亚夏季风减弱与北方生态、环境优化非同步演变的观点。该观点有效调和了东亚夏季风记录间的争议问题，加深了对全新世东亚夏季风演变及其与生态、环境演变关系的认识。同时，需强调的是，该非同步演变的背景是早全新世时期冬、夏季太阳辐射及气温的强季节性，以及随后阶段冬、夏季太阳辐射与气温的反向变化（季节性减弱），因此该非同步演变具有阶段性的限制。中 — 晚全新世阶段季节性的影响基本可忽略，北方生态、环境的演化与东亚夏季风同步，记录之间及记录与模拟间高度一致。

Cheng et al（2021）所建立

认识的局限性也相当明显，TraCE21ka模拟中北方生态、环境在全新世阶段的演变幅度较记录偏小，同时没有其他模式模拟结果的对比验证。因此，全新世东亚夏季风的演变及其生态、环境的影响依然是一个开放的问题，需要更多模拟工作在与记录有机结合的基础上开展进一步的研究。即使如此，对于如何理解东亚夏季风记录间的差异问题，以及如何提高基于记录的东亚夏季风演变的反演问题，该工作还是提出了具有参考价值的探索性思路。