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中法合作在“中上新世暖期和未来气候预估模拟比较” 研究领域取得显著进展

已有 607 次阅读 2019-7-18 17:06 |系统分类:论文交流

 

中法合作开展了“中上新世暖期和未来气候预估模拟比较” 的系列研究
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  中上新世暖期(mid-Pliocene 或mid-Piacenzian)是距今3百万前的地质暖期,该时期拥有与当今类似的海陆分布、CO2浓度 (405ppm);略低于当前的冰盖以及略高于当前的海平面高度(22米,相对于工业革命前)和地表升温(2~3,相对于工业革命前),因此该时期的气候特征通常被视为当前气候在未来可能出现的气候相似型加以研究(IPCC AR4)。“中上新世暖期和未来气候的相似性”是当前气候领域的热点话题,即从古气候模拟和未来气候预估模拟比较的新视角出发,通过揭示过去地质暖期气候特征、理解其变化机理,并与未来预估结果的比较,是当前减少未来预估的可行途径之一。截止目前,围绕该地质时期的气候特征与未来气候预估的可比性,相关研究尚处于起步阶段。

  中国科学院大气物理研究所孙咏博士、周天军研究员与法国气候与环境科学实验室(LSCE)Ramstein Gilles教授、Contoux Camille博士以及法国国家科研中心动力气象实验室(LMD)李肇新教授合作开展了中上新世暖期和未来气候预估(RCP4.5)的模拟比较,重点关注热带大气环流和东亚季风动力学。

  早前,中法双方合作研究揭示了中上新世暖期和未来预估的Hadley环流呈现共同的变化特征为:强度减弱、边界向极扩展(图1)。机制分析表明,两个时期热带对流层高层大于低层的非均匀升温,抑制对流令环流减弱;与此同时,热带地表升温明显弱于高纬地表升温,这有利于两个时期Hadley环流边界向极扩展 (Sun et al. 2013 Climate of the Past)。

  近期,围绕中上新世暖期和未来气候预估的模拟比较,落实到东亚季风区,中法双方基于中上新世气候模拟国际比较计划(PlioMIP1)两类试验(单独的大气环流模式:AGCM和耦合气候系统模式:CGCM)模拟的东亚夏季风降水和环流变化的分析,侧重于将现代气候动力学方法拓展到古气候模拟研究领域,理解中上新世暖期东亚夏季风降水增强的热力成因和动力机制 (图2a-b)。这是开展中上新世暖期与未来预估模拟结果比较的第一步。首先,基于水汽收支方程指出东亚季风降水增强源于大气中水汽含量对中上新世地表升温的响应(热力成因)。接着,基于湿静力能方程,揭示了纬向热力对比加强东亚季风环流及与之相关的水汽输送,并经局地定常经向风辐合增加,因而使中上新世暖期东亚夏季风降水增加(动力机制)。此外,湿静力能诊断还可较好地用于解释两类试验模拟的降水空间分布差异。(图2c-d)(Sun et al. 2016 Climate Dynamics) 

  日前,中法合作开展的中上新世暖期和未来预估的东亚夏季风降水变化,既有共同特征,也有不同之处(图3a-b)。具体表现为模拟的降水均增加,但增加的区域不同。中国南方陆地降水在中上新世暖期显著增加(图3a);未来降水显著增加则出现在海洋上(图3b)。物理过程诊断分析表明(图3c-d),热力控制下的大尺度水汽输送的增加是这两个暖期东亚夏季风降水增加的大尺度背景,而湿静力能调控下的东亚季风区垂直运动有差异是两个时期降水空间分布呈现差异的主要原因(Sun et al. 2018, Geophysical Research letters)。

  图1IPSL-CM5A-LR模式耦合模拟的年平均Hadley环流强度和南北边界(灰色柱:工业革命前参照试验;蓝色柱:中上新世气候模拟试验;红色柱:未来气候预估试验)

  图2 第一轮中上新世气候模拟国际比较计划(PlioMIP1)试验设计框架下,IPSL-CM5A-LR (a) 单独的大气模块(AGCM)和 (b)耦合(CGCM)模拟的中上新世暖期东亚夏季风降水变化;(c) 以两类试验模拟的降水差异和(d)干焓平流的差异。其中红色方框为东亚季风区范围:(105~135E,25045N);MP表示中上新世暖期(下同)

  图3相对于工业革命前参照试验(PI),过去和未来暖期东亚夏季风降水变化的模拟比较:(a)中上新世暖期和(b)未来气候预估;以及影响东亚夏季风降水变化物理过程的模拟比较:(c)气候平均的水汽收支诊断(从左至右依次为:水汽辐合、水汽的水平输送和垂直输送、降水、蒸发、残差项),(d)过去和未来水汽收支各项变化,其中水汽垂直输送的变化又可进一步分解为:由水汽含量变化导致的热力贡献(TC)和环流变化引力的动力贡献(DC)

  参考文献

  1. Sun Yong, Ramstein Gilles, Contoux Camille, and Zhou Tianjun, 2013: A comparative study of large-scale atmospheric circulation in the context of a future scenario (RCP4.5) and past warmth (mid-Pliocene). Clim. Past, 9, 1613-1627, doi:10.5194/cp-9-1613-2013(原文链接:http://www.clim-past.net/9/1613/2013/cp-9-1613-2013.html

  2. Sun Yong, Zhou Tianjun, Ramstein Gilles, Contoux Camille, and Zhang zhongshi, 2016: Drivers and mechanisms for enhanced summer monsoon precipitation over East Asia during the mid-Pliocene in the IPSL-CM5A. Climate Dyn., 46,1437-1457 DOI: 10.1007/s00382-015-2656-4(原文链接:https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00382-015-2656-4

  3. Sun Yong, Ramstein Gilles, Li Laurent. Z X, Contoux Camille, Tan Ning, and Zhou Tianjun, 2018: Quantifying East Asian summer monsoon dynamics in the ECP4.5 scenario with reference to the mid-Piacenzian warm period. Geophysical Research Letters,45,523-533,DOI: 10.1029/2018GL080061 (原文链接:https://doi.org/10.1029/2018GL080061



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