过去千年特征暖期南北半球降水变化差异及其机理分析

　　摘 要: 为了探究南、北半球降水变化规律，利用 CMIP5 /PMIP3 中多个模式模拟结果( 7 个全强迫模式的算术平均值) 对过去千年 2 个特征暖期南、北半球降水的时空变化差异及其机制进行了研究分析.结果表明: 1) 中世纪气候异常期，北半球平均降水增长要高于南半球; 2) 现代暖期，南、北半球平均降水增长较为一致; 3) 中世纪气候异常期，南、北半球降水变化差异主要是受南、北半球海洋表面温度变化差异的影响; 4) 热带太平洋海区纬向海洋表面温度梯度的减弱削弱了 Walker 环流，促进了现代暖期南、北半球降水的均衡变化.研究结果为进一步认识和预测降水在未来全球增暖背景下多年代际的变化趋势研究提供参考.

　　关键词: 中世纪气候异常期; 20 世纪增暖; 自然因子强迫; 人为因子强迫; 气候模拟

　　观测资料显示，20 世纪后半叶，南、北半球降水面对现代气候的快速增温在不同纬度带上表现出了不同的变化特征[1].而大规模的降水变化往往会增加极端气候事件发生的频率[2]，进而影响社会经济的发展[3].因此，研究南、北半球降水对人为因子强迫和自然因子强迫的响应机制[4-5]，可以更加深入地认识全球降水的变化规律，有利于更好地预估未来增暖背景下降水数十年到数百年的发展趋势，从而针对极端降水做好防灾减灾工作[6].

　　气候变化论文：我国西南地区春季降水对前期青藏高原热力作用的响应

　　研究过去千年气候对理解年代至百年尺度的气候变化具有独特的价值[7].在过去千年时段中存在着一个相对纯粹受自然影响的中世纪气候异常期( medieval climatic anomaly，MCA)[8]及受人为因子强迫和自然共同影响的现代暖期( present warmperiod，PWP)[9].对比研究这 2 个不同气候背景下形成的特征时期，可以更好地理解在多年代际时间尺度上不同强迫因子对南、北半球降水的影响.其中，利用气候模式可以很好地探讨特征暖期南、北半球的降水变化及其机理[10].

　　前人利用各种气候模式对过去千年降水变化特征进行了研究[11-12]，刘斌等[13]依据 CESM( community earth system model) 结果发现，MCA 北半球平均降水增加量要高于南半球; 况雪源等[14]利用 ECMO-G( 全球海气耦合气候模式) 结果发现，MCA 北半球降水的变化幅度比南半球大，而高纬( 度) 地区降水的变幅大于低纬地区; PWP 北半球及南半球低纬地区降水变化为正距平，南半球中高纬地区则呈现降水为负距平的现象; 亦有研究发现，PWP 降水呈“干区→更干，湿区→更湿”的变化特征[15].

　　可以看出，不同气候模式对过去千年特征暖期降水结构特征的模拟有所差异，模拟的气候变化存在一定的模式依赖性[16]，需要对不同模式的气候模拟结果进行对比分析.目前第 6 次国际耦合模式比较计划( coupled model intercomparisonproject，CMIP) 及国际古气候模拟比较计划( paleoclimate modeling intercomparison project，PMIP)第 4 阶段中涉及过去千年时段的数据更新较少，因此，CMIP5/PMIP3 中的大量过去千年气候模拟试验数据成为多模式对比研究过去千年气候变化的更好选择.综上所述，虽然前人针对过去千年的降水变化进行了深入探讨，但是对于特征暖期南、北半球降水变化的认识仍较为缺乏.

　　本文利用 CMIP5 /PMIP3 中多个气候模式模拟结果对南、北半球特征暖期的降水时空变化特征进行对比分析，探究在过去千年不同特征暖期的背景下南、北半球降水差异的成因机制，对了解近千年来全球降水的变化规律，为进一步认识和预测全球降水在未来增暖背景下的多年代际的变化提供理论参考.

　　1 模拟试验设计与检验

　　1.1 资料简介

　　本文选用了 CMIP5/PMIP3 提供的 6 个研究过去千年( 公元 850—2005 年) 的模拟试验结果 ，同时使用由美国国家大气研究中心开发的通用地球系统模式( CESM) 进行的过去千年全强迫模拟试验结果[17-18]，其 中 多 模 式 集 成 ( multi-model ensemblemean，MME) 为 所 有 模 拟 结 果 ( CESM，CCSM4，GISS-E2-R，MPI-ESM-P，CSIRO-Mk3L，BCC-CSM1，MRI-CGCM3) 的算数平均集合.另外，本文利用观测/再分析资料来验证气候模式对全球年平均地表气温和降水空间分布的模拟能力.

　　地表气温资料选用了美国国家环境预测中心 ( National Centers for Environment Prediction，NCEP) 再分析资料的逐月地表气温数据[19]; 降水资料使用的是全球降水气候项目资料[20]和气候预报中心降水集合分析资料( climate prediction centermerged analysis of precipitation，CMAP)[21].

　　为方便比较，采用双线性插值的方法将模拟结果和观测/再分析数据统一插值成 2.5°×2.5°的空间分辨率.此外，本文使用 9 条过去千年北半球温度重建序列来验证过去千年模拟结果的可信度，其中重建序列分别为 Esp02，Mann03，Mob05，D'Arrigo06，Heg07，Mann08-cps，Sch15，Wli16 和Gui17.另外，本文如果没有特殊说明，距平时段均为公元 851—1850 年.

　　1.2 模拟结果验证

　　本文利用泰勒图分析评估各个气候模式及MME 对南、北半球年平均( 公元 1979—2000 年) 地表气温和降水空间分布的模拟能力.泰勒图能够直观地比较各模式的模拟结果与观测/再分析资料的对应程度，其中离红色圆点( 观测场) 越近，模式的模拟结果与观测/再分析资料的相近度就越高.从 中可以观察到各模式对南、北半球降水的模拟效果不及地表气温，然而，CMAP 观测/再分析资料所呈现的降水空间分布状况与 GPCP 观测/再分析资料同样存在差异.可见，虽然不同模式对南、北半球地表气温和降水分布的模拟结果存在一定的偏差，但均较合理地描述了年平均地表气温和降水的空间分布特征.

　　此外，MME 比任何单一模式都更真实地刻画出全球地表气温和降水的空间分布形态，说明将所有模式的模拟结果进行算数平均处理能够有效提高模拟结果的可信度[22].各个过去千年北半球温度重建资料体现了过去千年 MCA 和 PWP 这 2 个特征暖期的存在[23]，结合前人的研究成果[14-15，23]，本文选取了公元 851—1250 年和公元 1901—2000 年这 2 个时段分别作为中世纪气候异常期和现代暖期.

　　此外，进一步分析北半球地表气温的 MME 模拟序列与各温度重建序列在 2 个特征暖期的对比情况，MCA的 MME 模拟序列与各重建序列的相关性较低，这可能是受各模式模拟试验设计方案不同及 MCA 原始代用资料较少的影响[24]，尽管如此，MCA 地表气温的 MME 模拟曲线仍然处于各重建序列的不确定范围之内; 而 PWP 的 MME 模拟结果与各重建序列一致性较强.总体而言，MME 可以较好地模拟北半球过去千年地表气温的 2 个特征暖期，采用MME 来研究过去千年气候变化是可靠的.

　　2 结果与分析

　　2.1 特征暖期降水的时空变化

　　给出了 MME 模拟的过去千年半球/全球年平均地表气温和降水距平序列的 31 年滑动平均值.从中可以观察到，MCA 和 PWP 南、北半球均表现为降水增多，然而，南、北半球降水距平的时间变化在 2 个特征暖期具有不同的表现特征.

　　在南半球和北半球之间的降水变化差异方面，MCA 降水在同一年的变化差异最大为 0. 02 mm/d，而 PWP 则为0.01 mm/d.表明 MCA 南半球和北半球之间降水的变化幅度要大于 PWP.在南、北半球降水距平的振幅变化方面，MCA 北半球降水距平的振幅变化为0.02 mm/d，南半球为 0.01 mm/d; 而 PWP 南、北半球降水距平的振幅变化基本一致，可见，MCA 和 PWP的北半球降水距平变幅均略高于南半球，但是对比 2个特征暖期可发现，PWP 南、北半球降水距平变幅要远大于 MCA.

　　MCA 降水增长幅度最大的为热带西太平洋及喜马拉雅山以南的印度半岛地区; 降水减少最明显的是赤道中东太平洋、热带大西洋及南美洲巴西高原的部分地区.PWP 热带西太平洋降水增加最为显著; 南、北半球 30°附近则有 2条降水减少的纬度带，其中北美洲南部地区和南美洲北部地区降水减少幅度最大.总体而言，降水变化率较大区域主要集中在 60° N—60° S，这可能是因为降水主要集中在中低纬( 度) 地区[13-14].

　　给出了全球纬圈降水的平均变化，可以看出，全球降水变化具有“正—负—正”的带状分布现象，结合全球降水变化的特点，将南、北半球各划分为 4 个纬度带进行统计，分别为寒带地区60° N( S) —90° N ( S) 、温带地区 40° N ( S) —60° N( S) 、亚热带地区 20° N( S) —40° N( S) 及热带地区 0°—20° N( S) .所示为 MME 模拟的特征暖期南、北半球各纬度带降水变化率.MCA 北半球平均降水增加幅度为南半球的近 2 倍，其中，MCA 北半球热带及南、北半球温带地区和寒带地区降水增幅较大.

　　PWP 南半球降水增加幅度为北半球的近 1.5 倍，除了南、北半球的亚热带地区降水显著减少以外，其他地区降水均显著增加，其中南、北半球的寒带地区及南半球的热带地区降水增幅最为明显.综上所述，MCA 和PWP 南、北半球的降水距平分布在不同纬度带上表现出了显著的区别，2 个特征暖期，南、北半球降水距平的这种变化差异可能是降水对不同外强迫因子响应的一种体现[25]，各个外强迫因子对南、北半球降水的具体影响机制仍需进一步深入探讨.

　　2.2 不同特征

　　暖期南、北半球降水与地表气温的关系在模式结果中，PWP 的温暖程度明显高于MCA .为探讨在升温幅度相同的条件下南、北半球降水对 MCA 与 PWP 地表气温的响应状况， 给出了 MME 模拟的 2 个特征暖期南、北半球地表气温与降水的回归系数.

　　在相同升温幅度下，MCA 北半球平均降水变化量为 PWP 的近 3 倍;MCA 南半球平均降水变化量为 PWP 的近 1.5 倍.由于 MCA 气候变化主要受自然因子强迫( 如太阳辐射和火山活动等) 的影响，PWP 气候变化则为人为因子强迫( 如温室气体等) 所主导[9，26]，表明当气温升高一致时，南、北半球平均降水对自然因子强迫的响应要大于对人为因子强迫的响应，这与前人的研究结论较为一致[15，25-27].

　　此外，在气温变幅相同的情况下，MCA 北半球降水变化量为南半球的近 2 倍，PWP 南、北半球降水变化量则几乎一致，即北半球降水对自然因子强迫的响应比南半球降水强烈，而人为因子强迫对南、北半球降水的影响基本相同.可见，南、北半球平均降水对不同气候背景下的增温具有不同的响应特征，与之相对应的是，MCA 在自然因子强迫的影响下，南半球和北半球之间降水差异较大 ，同时北半球平均降水增加量要高于南半球; 而PWP 受人为因子强迫的影响，南、北半球之间降水差异较小，南半球平均降水增加量高于北半球 .

　　从北半球热带地区降水与 SST 及 850 hPa 风场的相关系数图中可以发现，南、北半球的热力差异较大，对应着较强的南、北半球低纬地区的偏南风，为北半球带来了更多的降水; 而在南半球热带地区降水与 SST 及 850 hPa 风场的相关系数图中，南半球低纬地区的偏南风削弱了北半球低纬地区较强的偏北风，导致了北半球降水变化量高于南半球.这可能与热带辐合带( intertropicalconvergence zone，ITCZ) 季节性的南、北移动有关[30].MCA 处于太阳活动剧烈期，具有更强的太阳辐射[9，26]。

　　因此，当太阳直射在北半球的时候，北半球SST 因吸收更多的太阳短波辐射而偏高，南、北半球SST 温差加大，由此产生的跨赤道气压梯度有利于进一步推动 ITCZ 带向北移动，为北半球带来更多的降水; 反之，当太阳直射点向南半球移动时，南半球SST 因接受更高的太阳短波辐射而偏高，此时向南偏移的 ITCZ 带使南半球降水偏多，然而由于 ITCZ带在东太平洋和大西洋的移动位置偏北[31]，导致了南、北半球降水变化量的差异.

　　PWP 南、北 半 球 降 水 序 列 与 SST 具有普遍的显著正相关关系，其中北半球降水与赤道太平洋 SST 的相关系数可达0.60( 通过 99%的显著性检验) ; 而南半球降水与西太平洋 SST 的相关系数最高，说明南、北半球降水与太平洋 SST 的关系密切.此外，从 PWP 南、北半球不同纬度带降水与全球 SST 的相关系数图来看 。

　　除了北半球亚热带地区降水与 SST 的相关系数图以外，南、北半球其他纬度带降水各自相关的 SST 场与相对应的南、北半球降水各自相关的 SST 场具有极高的相似度( 相关系数的绝对值为 0.83～0.96，均通过 99%的显著性检验) ，表明太平洋 SST 的变化影响南、北半球各纬度带降水的变化特征.进一步对比 MCA 与 PWP 南、北半球及其各纬度带降水与全球 SST 的相关系数，MCA 热带太平洋海区纬向 SST 梯度较大，而PWP 热带太平洋海区纬向 SST 变化相对一致.

　　因此结合 MME 模拟的结果，MCA 热带太平洋海区在自然因子强迫的影响下具有较强的纬向SST 梯度，对应着较强的偏东风 ; 而受人为因子强迫的影响，PWP 热带太平洋海区纬向 SST 梯度减弱[27]，对应着偏西风，同时南、北半球的 850 hPa 风场较为相似.由于增强的热带太平洋海区纬向 SST 梯度有利于加强Walker 环流，使得水汽更多地辐合于西太平洋暖池区域[15，26-27]，低纬度地区的降水增加显著; 减弱的热带太平洋海区纬向 SST 梯度则削弱了Walker环流，推动了南、北半球降水的均衡变化.

　　3 结 论

　　本文利用 CMIP5/PMIP3 中多个模式的模拟结果对过去千年 2 个特征暖期，也就是中世纪气候异常期( 公元 851—1250 年) 和现代暖期( 公元 1901—2000 年) 的南、北半球降水时空分布特征进行了对比分析，探讨了全球海温场在不同特征暖期的背景下对南、北半球降水变化的影响机制.主要结论如下：

　　1) 通过与观测/再分析资料的对比，笔者发现MME 能较好地再现公元 1979—2000 年南、北半球地表气温和降水的空间分布状况; 另外，各个过去千年北半球温度重建资料与 MME 模拟的地表气温在 2个特征暖期的变化较为一致，这说明采用 MME 来研究过去千年 2 个特征暖期的气候变化是可靠的.

　　2) MCA 南半球和北半球之间降水距平的差异要大于 PWP.而 PWP 南、北半球降水距平各自的变幅要远大于 MCA.此外，MCA 北半球平均降水增长要高于南半球; PWP 南、北半球平均降水增长则较为一致.3) MCA 南、北半球降水的变化差异受南-北半球 SST 温差变化的影响，南、北半球温差增大有利于推动 ITCZ 带向南、北半球移动，而 ITCZ 带在东太平洋和大西洋的移动位置偏北，导致了北半球降水变化量高于南半球.

　　4) 2 个特征暖期的南、北半球降水均受热带太平洋海区纬向 SST 梯度的影响，MCA 热带太平洋海区比 PWP 具有更强的纬向 SST 梯度，较强的热带太平洋海区纬向 SST 梯度有利于加强Walker 环流，使得水汽更多地辐合于西太平洋暖池区域，增加低纬地区的降水量; 而 PWP 减弱的热带太平洋海区纬向 SST 梯度则削弱了 Walker环流，促进南、北半球降水均衡变化.

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　　作者：王思思， 朱丽东， 潘春华， 李凤全