基于耦合氣候模式的始新世(40Ma)全球季風(fēng)數(shù)值模擬7-24

1、基于耦合氣候模式的始新世（40Ma）全球季風(fēng)數(shù)值模擬郭衍游1,2國(guó)家973課題（2012CB822000），生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題（GBL21313）郭衍游(1977年-)，男，湖北陽新人，博士，高級(jí)工程師；主要從事古氣候數(shù)值模擬研究。E-mail：guoyanyou 王成善1 楊 杰1張 健1 蔡惠慧31中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球科學(xué)與資源學(xué)院 北京 1000832 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 4300743 成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 成都 610059摘要全球一半以上人口生活在季風(fēng)區(qū)。為了研究溫室氣候時(shí)期全球季風(fēng)氣候的特征，利用耦合

2、氣候數(shù)值模式CESM（Community Earth System Model），模擬了距今最近的溫室氣候時(shí)期（40Ma）始新世的全球季風(fēng)氣候特征。該模式全面考慮了大氣、海洋、陸地、陸冰、海冰、植被等氣候子系統(tǒng)的耦合作用，大氣二氧化碳含量設(shè)為工業(yè)革命前的4倍。模擬結(jié)果表明，在始新世時(shí)期，全球季風(fēng)的范圍、強(qiáng)度與現(xiàn)今大體相當(dāng)，但是區(qū)域上，各季風(fēng)區(qū)的特征與現(xiàn)今有明顯差異。關(guān)鍵詞 始新世；溫室氣候；耦合氣候模式；CESM 0引言季風(fēng)是全球氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是全球大氣能量和水汽循環(huán)最顯著和最重要的區(qū)域，全球超過一半人口生活在季風(fēng)區(qū)1。季風(fēng)是國(guó)際“氣候變異與可預(yù)報(bào)性研究（CLIVAR）” 計(jì)劃，

3、“全球能量和水循環(huán)（GEWEX）”計(jì)劃和“世界氣候研究（WCRP）” 計(jì)劃的重要組成部分，是氣候研究領(lǐng)域最重要的科學(xué)問題之一。當(dāng)前，全球變暖是國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。隨著二氧化碳排放量的持續(xù)增加，地球可能進(jìn)入溫室氣候時(shí)期。在溫室氣候條件下，全球季風(fēng)會(huì)有哪些顯著變化成了人們極為關(guān)心的問題。古氣候研究為這一問題提供了很好的途徑。目前的研究多集中于現(xiàn)代季風(fēng)格局的形成及其與青藏高原隆起等因素的關(guān)系上，對(duì)更早的溫室地球時(shí)期的季風(fēng)特征研究很少。地質(zhì)證據(jù)表明，地球歷史上最強(qiáng)盛的季風(fēng)正發(fā)生于溫室氣候時(shí)期。在二疊紀(jì)至早侏羅世的溫室地球時(shí)期，全球范圍內(nèi)存在強(qiáng)盛的“超級(jí)季風(fēng)(Megamonsoon)”2-3。研

4、究結(jié)果表明，這種超級(jí)季風(fēng)主要與當(dāng)時(shí)的海陸地形有關(guān)。當(dāng)時(shí)，北半球的勞亞大陸和南半球的岡瓦納大陸在赤道附近連接拼命形成聯(lián)合古陸，形成大范圍強(qiáng)烈的海陸差異，雨量集中在特提斯洋附近，聯(lián)合古陸內(nèi)部降雨量幾乎為零2。聯(lián)合古陸解體后，地球仍處于溫室氣候時(shí)期，數(shù)值模擬結(jié)果表明，白堊紀(jì)時(shí)期東亞地區(qū)的盛行風(fēng)向有明顯的季風(fēng)反轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出季風(fēng)特性4。但是，由于溫室時(shí)期地質(zhì)記錄相對(duì)較少、距今時(shí)間久遠(yuǎn)，對(duì)溫室氣候下全球季風(fēng)的范圍、強(qiáng)度和變化機(jī)制等知之甚少，亟待從地質(zhì)記錄和數(shù)值模擬等方面加強(qiáng)研究工作5。耦合氣候模式考慮了不同氣候子系統(tǒng)之間的相互作用，是當(dāng)前氣候模式發(fā)展的方向。本文利用目前最先進(jìn)的耦合氣候模式CESM（Comm

5、unity Earth System Model），模擬始新世（40Ma）地球氣候環(huán)境，并與現(xiàn)今氣候作對(duì)比，探討始新世這一典型溫室氣候時(shí)期全球季風(fēng)的分布特征。1 現(xiàn)代全球季風(fēng)傳統(tǒng)上，季風(fēng)被定義為盛行風(fēng)向和降水的季節(jié)性反轉(zhuǎn)，是低緯地區(qū)的主要?dú)夂蛳到y(tǒng)1?，F(xiàn)在一般認(rèn)為季風(fēng)還表現(xiàn)為整個(gè)大氣環(huán)流格局發(fā)生季節(jié)性反轉(zhuǎn)6。季風(fēng)由海陸熱力差異及行星風(fēng)帶的季節(jié)性差異所引起。Wang B和Ding Q H.（2011）根據(jù)夏、冬兩季的降水差異，定義了一個(gè)季風(fēng)降水指數(shù)（Monsoon Precipitation Index，MPI）7：MPI濕季降水率-旱季降水率年平均降水率.(1)根據(jù)MPI值，將現(xiàn)代季風(fēng)劃分為六個(gè)

6、季風(fēng)系統(tǒng)：北美季風(fēng)，南美季風(fēng)，北非季風(fēng)，南非季風(fēng)，亞洲季風(fēng)和澳洲-印尼季風(fēng)（圖1）。其結(jié)果與全球降水氣候?qū)W計(jì)劃(Global Precipitation Climatology Project, GPCP）的全球季風(fēng)區(qū)降水率差異大于3.75×10-8m/s的區(qū)域相符（圖2）。圖1 全球季風(fēng)（據(jù)文獻(xiàn)7修改，轉(zhuǎn)引自文獻(xiàn)5）（a，北美季風(fēng)； b，南美季風(fēng)； c，北非季風(fēng)； d，南非季風(fēng)； e，亞洲季風(fēng)； f，澳大利亞-印尼季風(fēng)）Fig.1 The global monsoon (modified by reference 7, from reference 5)(a, North Amer

7、ican Monsoon; b, South American Monsoon; c, North African Monsoon; d, South African Monsoon; e, Asian Monsoon; f, Australian-Indonesian Monsoon)圖2 GPCP觀測(cè)的全球干、濕季降水率差Fig.2 The precipitation difference between the wet and dry seasons by GPCP observations全球范圍內(nèi)，降水率的季節(jié)差異很好地反映了季風(fēng)的分布和強(qiáng)度。因此，本文主要采用降水這一指標(biāo)來判斷季風(fēng)

8、的存在，將中低緯區(qū)域（30°N30°S）干、濕季降水率差異大于3.75×10-8m/s的地區(qū)劃為季風(fēng)區(qū)。2 模式設(shè)置CESM數(shù)值模式是在美國(guó)國(guó)家大氣科學(xué)研究中心（National Center for Atmospheric Research， NCAR)主導(dǎo)下，集中全球科學(xué)家共同開發(fā)和維護(hù)的氣候模式。該模式從CCSM (Community Climate System Model )演變而來，其目標(biāo)是將地球表層圈層視為一個(gè)系統(tǒng)，通過耦合技術(shù)，模擬大氣圈、水圈、生物圈的相互作用，從而預(yù)測(cè)現(xiàn)代氣候變化或重現(xiàn)地質(zhì)歷史時(shí)期古氣候/古環(huán)境8-9。本次模擬采用的CESM模式

9、版本號(hào)為1.0.3，包含大氣、海洋、陸地、陸冰和海冰等5個(gè)模塊，各模塊之間通過耦合器（coupler）來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、能量的交互傳輸，其中，大氣模塊為NCAR開發(fā)的CAM（Community Atmosphere Model），采用T31譜模式，空間網(wǎng)格約為2°×2°，大氣分層為26層，垂直坐標(biāo)為sigma-p混合坐標(biāo)；海洋模塊為改進(jìn)的POP（Parallel Ocean Program )模式，空間網(wǎng)格約為1°×1°，海水分層為60層，垂直坐標(biāo)為z坐標(biāo)；陸地模塊為CLM2.1 (Community Land Model version

10、2.1)，植被參數(shù)根據(jù)Dickinson et al.（2006）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)按緯向分布設(shè)置10。更詳細(xì)的模式信息請(qǐng)參照CESM網(wǎng)頁。模式中地形和水深數(shù)據(jù)來自美國(guó)PALEOMAP Project的重建資料（圖3）11。根據(jù)浮游有孔蟲的硼同位素測(cè)量結(jié)果，40Ma大氣二氧化碳濃度在8001400ppm之間12，因此，模式中大氣二氧化碳濃度設(shè)為工業(yè)革命前的4倍，為1120ppm。模式模擬了1200年，取最后30年的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。圖3 始新世（40Ma）古地形和古水深Fig.3 The topography and bathymetry of Eocene (40Ma)3 結(jié)果本次研究工作模擬了始新

11、世（40Ma）時(shí)的溫室氣候背景以及在此背景下的全球季風(fēng)區(qū)的降水和盛行風(fēng)分布，重現(xiàn)了當(dāng)時(shí)全球季風(fēng)的分布和強(qiáng)度特征。3.1 始新世（40Ma）溫室氣候背景地質(zhì)記錄表明，始新世時(shí)期全球地表溫度明顯高于現(xiàn)今，特別是極地地區(qū)比現(xiàn)今溫暖得多，溫帶森林已經(jīng)擴(kuò)展到了極地地區(qū)13。我國(guó)主要陸塊為熱帶、亞熱帶植物覆蓋，氣候溫暖濕潤(rùn)14。本次模擬結(jié)果顯示，總體上當(dāng)時(shí)全球年平均氣溫比現(xiàn)今高4.28（表1）。其中，低緯地區(qū)年平均溫度為27.61，比現(xiàn)今溫度高2.32；但是在南半球高緯地區(qū)，溫度高出接近20。在局部地區(qū)存在溫度比現(xiàn)今低的情況，在北緯60°65°之間，溫度比現(xiàn)今低0.10.5（圖4）,

12、這可能與局部熱量輸送以及植被分布有關(guān)。表1. 始新世（40Ma）與現(xiàn)今氣溫對(duì)比Table 1 the Eocene (40Ma) and modern surface air temperature地區(qū)始新世()現(xiàn)今()與現(xiàn)今偏差()90°N-60°N-8.53-10.48 1.9560°N-30°N13.639.17 4.4630°N-30°S27.6125.28 2.3230°S-60°S16.0611.53 4.5360°S-90°S 2.86-17.08 19.94全球平均氣溫18.86

13、14.584.28圖4 始新世(40Ma)模擬年平均氣溫值與日本氣象廳25年（1979-2004年）觀測(cè)值Fig.4 The simulated annual air temperature of Eocene (40Ma) and the Japanese 25-year Reanalysis (JRA-25) observations for the period from 1979 to 2004. 將模擬的始新世（40Ma）全球表面氣溫分布與美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心 ( National Centers for Environmental Prediction，NCEP)觀測(cè)資料對(duì)比，可以

14、進(jìn)一步看出始新世與現(xiàn)今全球表面氣溫的變化情況。圖5是模擬的始新世（40Ma）氣溫值減去NCEP觀測(cè)的氣溫值的全球分布圖，從圖上可以看出，高值主要分布南極大陸、青藏高原和格陵蘭島，局部升溫達(dá)30。南極大陸和格陵蘭島由于地處高緯，在地球升溫過程中，受地球經(jīng)向熱量輸送加強(qiáng)的影響，易于升溫，且升溫幅度大。青藏高原地區(qū)的升溫則是由于始新世時(shí)期青藏高原還未隆起，其地面氣溫比現(xiàn)今高原地面氣溫高。在赤道及低緯地區(qū)，在溫室氣體含量高的條件下，熱量增加不會(huì)直接導(dǎo)致該地區(qū)溫度升高，而是通過水汽蒸發(fā)、對(duì)流增強(qiáng)的方式，將熱量輸送至高緯地區(qū)。在亞歐大陸以及赤道大洋等部分地區(qū)，溫度比現(xiàn)今低14，局部低56。究其原因，亞歐大

15、陸由于其廣闊的陸地，在北極冷空氣影響下，受全球升溫影響較小，表現(xiàn)了與全球性升溫不一樣的氣溫變化。赤道大洋局部地區(qū)的溫度降低則可能與強(qiáng)烈的對(duì)流活動(dòng)有關(guān)。與前人的溫室氣候模擬結(jié)果相比，本次模擬出赤道地區(qū)總體上有明顯的升溫（圖5），這與地質(zhì)記錄相一致15。圖5 始新世(40Ma)地表溫度與現(xiàn)今觀測(cè)值的差Fig.5 The difference between the simulated Eocene (40Ma) and modern surface temperature模擬的降水量緯向年平均與GPCP觀測(cè)的現(xiàn)今降水量相比，明顯偏高。這是由于溫室氣候條件下，水汽蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水也隨之增加。因而，全球

16、總降水量也高于現(xiàn)今（圖6）。圖6 始新世(40Ma)模擬降水量緯向年平均與GPCP觀測(cè)值Fig.6 The simulated annual precipitation of Eocene (40Ma) and GPCP observations3.2 季風(fēng)區(qū)的分布及特征通過對(duì)比始新世（40MA）與GPCP觀測(cè)的干、濕季降水分布（6月至8月平均降水率減去12月至次年2月平均降水率）（圖7，表2），可以看出：始新世時(shí)期，全球低緯地區(qū)存在明顯的季風(fēng)氣候特征，以干、濕季降水率差異3.75×10-8m/s為閥值，也可以劃分為六大季風(fēng)區(qū)。其中由于海陸地形的不同，印尼-澳大利亞季風(fēng)被古印度季風(fēng)所

17、取代，其他季風(fēng)區(qū)的位置與現(xiàn)今基本一致。從區(qū)域上看，各季風(fēng)區(qū)的范圍及強(qiáng)度有所不同。始新世時(shí)，北非季風(fēng)范圍和強(qiáng)度比現(xiàn)今大；北美和南美季風(fēng)則比現(xiàn)今弱；澳大利亞地處高緯地區(qū)，季風(fēng)特征不明顯，可以認(rèn)為不存在季風(fēng)；亞洲季風(fēng)比現(xiàn)今弱，其原因與當(dāng)時(shí)青藏高原還未全面隆起有關(guān)。從統(tǒng)計(jì)的季風(fēng)區(qū)分布面積以及降水季節(jié)差異反映的季風(fēng)強(qiáng)度來看（表2），始新世時(shí)期北美季風(fēng)和北非季風(fēng)的分布面積與現(xiàn)今有很大差異，全球季風(fēng)區(qū)總面積比現(xiàn)今多20%，季風(fēng)強(qiáng)度與現(xiàn)今大體相當(dāng)。從各季風(fēng)區(qū)的降水來看，始新世時(shí)期降水沿緯向分布的特征較明顯，北半球的亞洲季風(fēng)區(qū)與北非季風(fēng)相連，在低緯地區(qū)形成了廣闊的季風(fēng)帶，是當(dāng)時(shí)最重要的季風(fēng)區(qū)，而現(xiàn)今亞洲季風(fēng)，季

18、風(fēng)帶來的降水主要沿經(jīng)向分布于東亞地區(qū)。圖7 全球干、濕季降水差異（左：始新世；右：GPCP）（a，北美季風(fēng)；b，南美季風(fēng)； c，北非季風(fēng)； d，南非季風(fēng)； e，亞洲季風(fēng)； f，左：印度季風(fēng)，右：澳大利亞-印尼季風(fēng)）Fig.7 The global precipitation difference between the dry and humid seasons (left: Eocene; right: GPCP)(a, North American Monsoon; b, South American Monsoon; c, North African Monsoon; d, South

19、African Monsoon; e, Asian Monsoon; f, Left: India Monsoon, Right: Australian-Indonesian Monsoon)表2. 始新世（40Ma）與現(xiàn)今季風(fēng)區(qū)對(duì)比Table 2. the Eocene (40Ma) and modern monsoons始新世（40Ma）現(xiàn)今季風(fēng)區(qū)面積（km2）降水率季節(jié)差（mm/day）季風(fēng)區(qū)面積（km2）降水率季節(jié)差（mm/day）北美季風(fēng)1.66×1065.48北美季風(fēng)5.66×1067.10南美季風(fēng)7.42×1066.78南美季風(fēng)5.32×1

20、067.09北非季風(fēng)9.52×1067.30北非季風(fēng)5.46×1066.49南非季風(fēng)5.09×1066.22南非季風(fēng)6.19×1065.71亞洲季風(fēng)1.82×1076.32亞洲季風(fēng)1.10×1077.31印度季風(fēng)4.32×1066.22澳大利亞-印尼季風(fēng)4.97×1066.15模擬的盛行風(fēng)表明，季風(fēng)區(qū)盛行風(fēng)的季節(jié)變化明顯（圖8）。6月至8月，亞洲東部及南部大部分以南風(fēng)為主，12月至次年2月，則為東北風(fēng)或西風(fēng)；非洲北部6月至8月吹南風(fēng)或西南風(fēng)，12月至次年2月冬季時(shí)則為東北風(fēng)。圖8 模擬的始新世（40Ma）全球表面風(fēng)

21、速（左：6月8月；右：12月次年2月）Fig.8 The simulated Eocene (40Ma) global surface wind (left: June-August; right: December-February)4 結(jié)論本文利用當(dāng)前最先進(jìn)的耦合氣候模式CESM，在始新世（40Ma）古地形和大氣二氧化碳濃度條件下，模擬了當(dāng)時(shí)的全球氣候及季風(fēng)特征，可以得出如下結(jié)論：（1） 始新世時(shí)期，全球平均溫度、降水量高于現(xiàn)今，為典型溫室氣候；（2） 全球存在季風(fēng)，季風(fēng)分布范圍及強(qiáng)度與現(xiàn)代氣候相當(dāng)，但是區(qū)域上季風(fēng)特征有明顯差異；（3） 亞洲季風(fēng)沿緯向分布，表現(xiàn)出與現(xiàn)今東亞季風(fēng)沿經(jīng)向分布的

22、不同特征；（4） 澳大利亞地處高緯，季風(fēng)特征不明顯；（5） 北非季風(fēng)比現(xiàn)代強(qiáng)，范圍大；（6） 北美和南美季風(fēng)比現(xiàn)今弱。討論全球季風(fēng)的變化受大陸分合的“威爾遜旋回”、地球運(yùn)行軌道、太陽活動(dòng)周期、全球冰量（ice volume）等多種因素調(diào)控5,16。由于資料缺乏，目前的古季風(fēng)研究著重探討現(xiàn)代格局的季風(fēng)的產(chǎn)生時(shí)限、發(fā)展變化及其影響因素等，對(duì)于新生代早期或“深時(shí)（Deep Time）”季風(fēng)的研究很少。雖然現(xiàn)代季風(fēng)的起源認(rèn)為出現(xiàn)很晚，但是，季風(fēng)本質(zhì)上是由于行星風(fēng)帶的季節(jié)性偏移和海陸熱力差異所引起的，而這兩個(gè)因素在地質(zhì)歷史上一直存在，因此，季風(fēng)是貫穿整個(gè)地質(zhì)歷史的永恒現(xiàn)象，只有具體某一區(qū)域的季風(fēng)系統(tǒng),

23、才可以談?wù)撈湫纬蓵r(shí)間和消亡歷史5。本次模擬表明，在始新世這一溫室時(shí)期，就有類似于現(xiàn)今的全球季風(fēng)存在，其范圍及強(qiáng)度與現(xiàn)今氣候大體相當(dāng)?，F(xiàn)代氣候研究表明，在當(dāng)前全球變暖背景下，印度夏季季風(fēng)趨于增強(qiáng)17，東亞夏季季風(fēng)則只發(fā)生位置的偏移而不是強(qiáng)度的增強(qiáng)18。在始新世時(shí)期，出現(xiàn)與現(xiàn)今相似的全球季風(fēng)是合理的。由于缺乏更精確的古地形、古植被、古二氧化碳含量等數(shù)據(jù)以及更高分辨率的模擬，目前還難以將模擬結(jié)果與地質(zhì)記錄進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比。要弄清地質(zhì)歷史中全球季風(fēng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和演變規(guī)律還需要在地質(zhì)記錄、數(shù)值模擬和理論分析等方面加強(qiáng)研究。參 考 文 獻(xiàn)1 Ramage C. Monsoon Meteorology. Int

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