轨道尺度下东亚夏季风降水的北方主导演变模态

程 军，张近童，刘一陶，谭亮成

1. 南京信息工程大学 海洋科学学院，南京 210044

2. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

东亚夏季风（East Asian summer monsoon，EASM）是东亚地区降水及生态环境的主控环流系统（An et al，2000）。20世纪中期以来现代观测记录的分析表明：东亚夏季风降水的量值由东南向西北逐渐递减（图1a），同时其随时间的变幅也近似正比于降水的气候态量值，呈现类似的由东南向西北逐渐递减的分布特征（图1b）。我国北方半干旱地区，作为东亚夏季风的北边缘区域，其降水的量值小，同时其在器测时段的随时间变幅也小。

古气候记录的分析表明：我国北方地区的生态、环境系统在轨道尺度气候变化下呈现大幅度的协同演变。比如全新世大暖期，该区域的湖泊水位大幅升高（Goldsmith et al, 2017；Jiang et al，2020）、土壤湿度显著增大（Lu et al，2005；Lu et al，2013；Li et al，2014；Xu et al，2020）及生态系统大幅优化（Li et al，2014；Chen et al，2015）。北方生态、环境记录的综合分析表明：轨道尺度气候变化下该区域的季风降水应发生了大幅演化。基于古气候记录重建的降水（Jiang et al，2020）也证实了该判断，如公海12 ka以来的降水变幅可达250 mm · a-1（Chen et al，2015）。同时，南方地区古气候记录的分析也表明：其降水的演变往往与北方反向（Tan et al，2018；Zhang et al，2018；李彦祯等，2020），但尚无证据表明其演变的幅度大于北方。

基于现代观测数据和古气候记录的对比分析表明：东亚夏季风降水的演变模态可能存在时间尺度上的差异，即其变化中心在现代观测数据指示的年际气候变化下位于南方降水大值区，而在古气候记录指示的轨道尺度气候变化下可能位于北方降水小值区。如果该推测成立，基于现代器测阶段特征对东亚夏季风降水过去演变的推论将面临巨大挑战。

本文基于末次盛冰期（Last Glacial Maximum，LGM，21 ka）以来的连续瞬时古气候模拟结果（TraCE21，Liu et al，2009，21 — 0 ka），结合现代器测数据和古气候记录：分析东亚夏季风降水的演变模态是否存在对气候变化时间尺度依赖的问题，并对其主导驱动机制进行探讨，为过去长时间尺度气候变化下东亚降水演变的理解及全球增暖下其未来可能演变的预估提供参考。

1 数据与方法

器测阶段的降水采用了GPCP（Global Precipitation Climatology Project，Adler et al，2018）2.3版。GPCP降水数据是卫星反演降水及陆地雨量计测量降水的融合，其水平分辨率为2.5° × 2.5°，时段为1979 — 2021年，本文取其夏季（6 — 8月平均）的整时段平均及标准差分别代表观测时段降水的气候态（图1a）及变幅分布（图1b）。为开展降水与季风环流协同演变的分析，本文同时使用了JRA55再分析数据集（Japanese 55-year Reanalysis，Kobayashi et al，2015）的降水与风场数据，水平分辨率为1.25° × 1.25°，时段为1958 — 2021年。

TraCE 模拟（transient climate simulation，Liu et al，2009）是使用全耦合气候系统模式（NCAR CCSM3，Collins et al，2006）在实际气候强迫因素（如轨道辐射、温室气体浓度、冰盖等）驱动下得到的过去21 ka以来全球气候的瞬时模拟结果，水平分辨率为3.75° × 3.75°。该模拟较好地再现了古气候记录所指示的东亚夏季风的长期演变（Liu et al，2014；Wen et al，2016）以及北方季风降水与当地生态环境的演变关系（Cheng et al，2021）。同时，该模拟的4套单强迫模拟试验为解析气候变化驱动因素（轨道辐射、温室气体浓度、冰盖等）对东亚夏季风演变的影响提供了基础（He et al，2013）。

EASM各要素指数的计算均取北半球夏季（6 — 8月）的平均。季风环流指数取850 hPa经向风场的区域平均（110° — 120° E，27° — 37° N）。北方季风降水指数取夏季北方区域（100° —120°E，37° — 45°N）的平均。季风区北边界定义为850 hPa南风的北边界（V850 = 0所在的纬度），其结果与基于降水季节循环定义的季风区范围（夏季平均降水相较于冬季高2 mm · d-1，且夏季降水占全年降水50%之上，Wang and Ding，2008）的演变相一致。季风区北边界指数取季风区北边界在110° — 120°E的平均纬度。

2 EASM降水模态对时间尺度的依赖

现代观测及TraCE模拟降水演变幅度的对比分析表明：不同时期气候变化下东亚夏季风降水的演变模态显著不同，现代观测数据中季风降水的变化中心位于其气候态的大值区（华南及临近区域）（图1b），而TraCE模拟的过去长时间尺度气候变化下季风降水的变化中心则位于季风区北边界附近的半干旱区域（图1c）。值得注意的是，TraCE模拟再现了古气候记录所指示的北方生态、环境系统的大幅度演变（Cheng et al，2020；Cheng et al，2021），且与该区域季风降水的大幅度演变显著相关（Cheng et al，2020），说明该模拟所指示的长时间尺度气候变化下季风降水的演变模态具有记录基础。

进一步的分析表明：东亚夏季风降水演变模态在现代及过去间的差异与季风环流的演变模态相关，且季风降水与环流的协同演变模态的稳定性也显著不同。现代观测数据的分析表明：季风降水与环流的协同演变存在多个近似平行的模态，单模态的主导性不高，且其演变皆以年际尺度变化为主（图2）。年际尺度下季风降水演变的各模态皆对应季风环流的非整体性演变，区域季风环流的辐合增强可导致局地降水的增多，反之亦然。季风环流的非整体性多模态演变导致了季风降水的多模态演变。与之相对应的是，TraCE模拟结果的分析表明：季风降水与环流的协同演变存在单个主导模态，且其演变以轨道尺度变化为主（图3）。该主导模态中，季风降水的变化中心与其总体变化中心（图1c）高度一致，进一步说明轨道尺度气候变化下北方季风降水大幅演变的显著性。与该季风降水主导模态相对应的是季风环流的整体性演变，即末次冰消期期间（21 —10 ka）季风环流的整体性增强可将更多水汽输送至北方地区，进而在该地区形成季风降水的大幅度增多，而全新世期间（10 — 0 ka）的演变与末次冰消期相反（图3）。

图1 夏季降水（6 — 8月平均）的气候态分布及其年际/轨道尺度的变幅分布Fig. 1 Climatology and stand deviation of summer rainfall (June to August mean)

图2 现代东亚夏季风环流（850 hPa水平风场，UV850）与降水协同演变的主导演变模态Fig. 2 MV- EOF analysis of modern EASM circulation (UV 850 hPa) and rainfall

图3 LGM以来东亚夏季风环流（850 hPa水平风场，UV850 hPa）与夏季降水的协同演变Fig. 3 MV- EOF analysis of past EASM circulation(UV 850 hPa) and rainfall since LGM

3 北方季风降水轨道尺度大幅演变的成因

3.1 季风环流的整体性演变

轨道尺度气候变化下东亚夏季风环流的整体性演变是北方季风降水大幅度演变的重要原因（图4a、4b），其机制为该时间尺度下海陆热力差异的整体性变化（Cheng et al，2019）。LGM以来东亚临近区域的海陆热力差异发生了显著的变化，如末次冰消期增温过程中该区域的夏季海陆热力差异显著增强而全新世显著减弱（Cheng et al，2019）。通过海陆热力差异的调控，东亚夏季风环流主导水汽输送的强度，进而影响北方降水自LGM以来的大幅演变。

图4 LGM以来东亚夏季风环流、北边界纬度及北方季风降水的协同演变，a — c分别为TraCE21模拟的北方季风降水、东亚夏季风环流及季风区北边界纬度Fig. 4 Coherent variations between northern China monsoon rainfall (a), EASM circulation (b) and northern boundary (c)from TraCE simulation

东亚夏季风环流在年际尺度气候变化下演变模态的非整体性特征来源于ENSO现象的调控作用。ENSO信号通过波动传播至东亚地区，由于波动位相的区域差异，导致季风环流及降水的局地响应差异显著（Wen et al，2019）。同时，由于ENSO的位相显著影响东亚地区相关波动的位相分布，因此ENSO不同位相下该地区季风环流的响应及对应的季风降水的演变模态也会不同（符淙斌，1987；Zhang et al，1996），导致该地区季风降水模态在年际尺度气候变化下的多样性及单模态的低主导性。相对而言，轨道尺度气候变化下东亚夏季风环流的演变更具规律性，其对应的北方季风降水随时间的演变也更具持续性。

3.2 季风区北边界的摆动

轨道尺度气候变化下影响北方季风降水大幅演变的另外一个因素为季风区北边界的大幅度摆动。古气候记录的分析表明：东亚夏季风区北边界在末次冰消期（Yang et al，2015）及全新世大暖期（Goldsmith et al，2017）期间都发生了显著的南北摆动。TraCE模拟再现了古气候记录所指示的东亚夏季风区北边界自LGM以来的南北摆动现象（图4c；Cheng et al，2020）。进一步的研究表明：季风区北边界的摆动可在其临近区域产生季风降水的大幅度演变（Sun et al，2019；Wu et al，2021）。末次冰消期期间季风区北边界向北移动，季风区北边界附近区域的季风降水增多，而全新世期间的演变与之相反（Cheng et al，2020）。

LGM以来东亚夏季风环流与北边界的演变具有同步性特征（图4b、4c）。末次冰消期期间季风环流增强（Liu et al，2014；Wen et al，2016；Cheng et al，2019）、北边界北拓（Yang et al，2015；Cheng et al，2020），两者对北方季风降水演变的影响相互叠加，导致该期间北方季风降水的大幅度增多（图4a）。全新世期间的过程与末次冰消期完全相反（Sun et al，2019；Wu et al，2021），北方季风降水大幅度减少。

4 轨道尺度气候变化驱动因素的相对影响

全球气候系统自LGM以来的演变主要由轨道辐射（Berger，1978）、温室气体（Joos and Spahni，2008）、陆 地 冰 盖（Peltier，2004）及大西洋经向翻转环流（AMOC，McManus et al，2004）驱动，东亚夏季风系统的演变也往往归因于这4种外强迫因素，但各种季风指标研究所提出的主控因素不同。比如，基于洞穴石笋氧同位素记录的东亚夏季风研究中，北半球夏季辐射的演变往往被认为是驱动东亚夏季风演变的主导因素（Wang et al，2005；Tan et al，2020），而北方生态、环境记录的相关研究中则提出高纬冰盖、AMOC及温室气体对东亚夏季风演变的显著影响（Lu et al，2005；Lu et al，2013；Chen et al，2015；Xu et al，2020）。针对轨道尺度气候变化下北方季风降水的大幅度演变现象，定量化评估各外强迫因素的相对贡献对理解东亚夏季风系统长期演变的机制具有重要意义。

基于TraCE模拟全强迫试验及4个单强迫试验结果的对比分析表明：4种单强迫因素都可对东亚夏季风系统，特别是对北方季风降水，LGM以来的演变产生幅度不等的影响（图5），其各自对东亚夏季风的影响与记录分析的结论相一致（Lu et al，2005；Wang et al，2005；Lu et al，2013；Chen et al，2015；Xu et al，2020）。比如，岁差主导的北半球夏季太阳辐射在末次冰消期期间的增强可导致季风环流的加强以及季风区北边界的北拓，进而导致北方季风降水的大幅度增多，全新世期间的演变相反（图5红线）。温室气体浓度在末次冰消期期间的增大可导致季风环流的增强、季风区北边界的北拓及北方季风降水的增多（图5绿线）。陆地冰盖的影响主要是在末次冰消期期间，其消融可导致季风环流的减弱、季风区北边界的南移及北方季风降水的减少（图5紫线）。陆地冰盖的消融通过AMOC也可对东亚夏季风产生影响，比如东亚夏季风系统百年至千年尺度的振荡（H1事件、新仙女木事件及8.2 ka事件）都与 AMOC的减弱（McManus et al，2004）有关。AMOC的减弱可导致季风环流的减弱、季风区北边界的南移及北方季风降水的减少（图5蓝线）。

图5 气候变化驱动因素对LGM以来东亚夏季风环流、北边界纬度及北方季风降水演变的影响，a — c分别为TraCE21模拟的北方季风降水（Pr NC）、东亚夏季风环流及北边界纬度；TraCE21模拟全强迫试验的结果以黑线显示，4个单强迫试验（温室气体CO2、轨道辐射Orb、冰盖融水强迫MWF及冰盖强迫IcSt）分别以绿线、红线、蓝线和紫线表示；MWF试验主要表征AMOC的气候影响Fig. 5 Solo-impact of each external forcing factor on northern China monsoon rainfall (a), EASM circulation (b) and northern boundary (c) from all-forcing and solo-forcing experiments in TraCE simulation; the results from all-forcing and greenhouse gases (CO2) / orbital insolation (Orb) / melt water flux(MWF) / Ice sheet (IcSt) are labeled with black, green, red, blue and purple lines; MWF experiment indicate the climatic impact of AMOC

相较而言，轨道辐射对LGM以来北方季风降水的演变起到主导作用，其对季风环流及季风区北边界演变的影响也远大于其他外强迫因素。温室气体对东亚夏季风演变的影响次之，然后是陆地冰盖的影响。季风环流及季风区北边界对北方季风降水演变的相对贡献在外强迫因素之间也存在显著差异，温室气体主要是通过季风区北边界的摆动作用于北方季风降水，而陆地冰盖主要是通过季风环流影响北方季风降水的演变。基于TraCE模拟的定量化评估，各外强迫因素对东亚夏季风，特别是对北方季风降水，影响的相对重要性得以明确，为进一步理解季风记录间的差异，以及理清各记录对东亚夏季风要素的确切表征提供了参考。

5 结论与展望

本文从北方古气候记录在轨道尺度气候变化下的大幅度协同演变出发，在古气候模拟结果中发现该尺度气候变化下东亚夏季风降水的变化中心位于季风北边缘区附近的半干旱区，其与现代观测中以年际尺度变率为主的南方季风降水变幅中心明显不同。进一步的分析表明：轨道尺度气候变化下北方季风降水的大幅演变是季风环流整体性演变及季风区北边界摆动的综合结果，与年际尺度气候变化下降水模态的成因完全不同。同时，通过对比表明：轨道尺度气候变化下东亚夏季风降水的演变模态单一且稳定。本文得到的新认识也对改进基于古气候记录的季风降水定量化重建有意义，季风降水的定量化重建应考虑气候变化下东亚夏季风降水演变模态在不同时间尺度下的差异。

本文同时分析了轨道尺度气候变化各驱动因素对东亚夏季风北方降水的影响，其中轨道辐射是驱动东亚夏季风北方降水演变的主导因素，温室气体的影响也相对重要。本文所解析的温室气体的影响与未来气候预估中北方降水的增多相一致，为理解未来预估中降水的演变提供了依据。