蒙古高原隆升后,数值模拟已经成为定量研究气候及其变化的主要方法

 科技前沿     |      2020-01-02 20:07

什么是气候数值模拟?气候数值模拟可以概括为在实验室里一定的控制条件下模拟自然界的气候状况,以及根据控制气候及其变化的基本物理定律,建立起相应的数学模式,在一定的初始条件和边界条件下进行数值计算,求得气候及其变化的图像。由于气候现象非常复杂,实验室模拟有很大的局限性。随着计算机和数值计算方法的发展,数值模拟已经成为定量研究气候及其变化的主要方法。通过建立起气候数值模式,并将其对照当前和过去的气候进行验证,可以用于预测未来气候,特别是用于预测由于温室气体浓度增加所造成的气候变化。古气候研究的意义:1)气候器测纪录相对很短,难以揭示较长检测气候变化的原因;2)进行过去气候变化的重建、模拟研究,以期揭示各种时间尺度气候变化的原因,直接关系到我们能否定位当前、及预测未来的气候变化;3)针对东亚地区开展古气候重建、模拟研究的迫切性。中科院地球环境所环境模拟实验室主要利用各种代用资料进行古气候重建,如黄土、冰芯、孢粉、沉积物、树木年轮、史料等,进一步利用通过对气候环境变化的数值模拟和分析,结合地质、历气候环境记录,探讨亚洲大陆为中心不同时空尺度地球气候与环境系统变化的规律和机制,从中提取全球变化的历史相似型和早期信号,为人类可持续发展战略提供必要的信息。已取得主要成果竞博国际 ,:a: 青藏高原隆升与东亚季风演化。利用美国大气海洋研究中心的全球大气GCM完成了青藏高原不断隆升的一组数值试验。基于数值试验结果及前人工作认为,即使高原尚未大幅度隆起的情况下,在南亚地区因行星风带的季节转换及海陆之间的经向热力对比就足以激发具有一定强度的热带季风,但只有当高原隆升达到较高的高度时,主要受东西向热力对比控制的东亚季风才能出现在30°N以北的中纬度地区。竞博国际 1b: 青藏高原隆升在亚非干旱化过程中的作用。数值试验说明,反映高原隆升与中亚和北非干旱化同步的地质事实可能并非巧合,而应该是一种确实的因果关系。结合相关的其它地质证据可以推断,高原隆升在新生代以来亚洲内陆干旱化过程起了重要作用,这与轨道尺度上东亚季风变化的强迫因子明显不同。数值试验也说明,即使没有青藏高原,北非至大约25-45°N之间的欧亚大陆依然为干旱区,同时与热带季风相联系的高降水区依然存在。竞博国际 2c: 青藏高原隆升对东亚季风轨道尺度气候变率的调制。利用美国大气研究中心的气候系统模式(CCSM2.01,T31L26),完成了一组同时改变地形高度和地球轨道参数的数值试验。经过对模拟的风速、大气湿度、土壤湿度等要素的详细分析,结果发现高原的存在放大了东亚夏季风对轨道强迫的响应,因而青藏高原可视为东亚季风气候变率的放大器。竞博国际 3

中国北方的风成堆积序列作为独一无二的陆相气候变化载体,良好地记录了晚新生代以来亚洲内陆干旱化和东亚古季风演化的历史和变率。通过对风成红粘土-黄土-古土壤序列多个代用指标的研究,东亚古季风的演化历史至少可追溯到早中新世。以黄土-古土壤交替出现所标志的东亚冬、夏季风的大幅消长大约出现在距今2.75Ma,然而,此前黄土高原地区的冬、夏季风的变化幅度和耦合关系如何,至今仍存有争议。

青藏高原是世界上平均海拔最高范围最大的地形,有“世界屋脊”和“第三极”之称,其隆升过程对亚洲乃至全球的气候变化有至关重要的影响。青藏高原通过动力和热力作用能显著加强大气的准定常行星波、印度季风和东亚季风,以及亚洲内陆地区的干旱。然而,已有研究大多针对青藏高原主体的影响,对其周边各个小地形的贡献缺乏足够关注。蒙古高原位于青藏高原以北,平均海拔约为1500-2000米,多数研究认为蒙古高原的隆升与印度—欧亚板块的碰撞有关,是青藏高原隆升的副产品,其隆升时间比青藏高原主体晚,主要集中在~10Ma以来。

中科院地球环境研究所孙有斌研究员及其合作小组,通过对黄土高原中部灵台剖面开展多个古气候代用指标的研究,重建了最近7Ma黄土高原地区的季风变迁历史。结果表明,季风降水和风动力在距今4.2Ma以前就表现出大幅度的轨道尺度波动,随后(4.2-2.75 Ma)波动幅度有所减弱,而自2.75Ma开始冬、夏季风均表现出阶段性的增强。值得注意的是,在距今3.15-2.75Ma时段,冬、夏季风在轨道尺度上的耦合模式发生了显著变化,可能与此时段青藏高原的加速隆升和北半球大冰期发生有关。

为了揭示蒙古高原地形对亚洲气候的影响及其同高原主体的相对贡献,地球环境研究所石正国博士及其合作者应用数值模式系统评估了蒙古高原对亚洲西风急流、东亚冬季风的影响及物理机制。试验结果表明,蒙古高原的隆升显著加强北半球大气行星波,冬季位于东亚东岸的东亚大槽明显加深,位于日本附近的东亚西风急流也显著加强。蒙古高原对近地表天气气候系统也有重要作用。蒙古高原隆升前,西伯利亚高压位于我国东部地区,强度较弱,蒙古高原隆升后,其向北移动,且强度加大,从而导致东亚地区冬季西北风增强。

该成果发表在国际权威刊物Earth and Planetary Science Letters上 (Sun Y.B., An ZS, Clemens SC, Bloemendal J, Vandenberghe J. Seven million years of wind and precipitation variability on the Chinese Loess Plateau. Earth and Planetary Science Letters, 297, 525-535, 2010)。竞博国际 4(沉积学实验室 供稿)

蒙古高原对西风急流和冬季风的加强作用与高原隆升所引起的西风绕流密切关。西风气流在经过蒙古高原时产生经向分量,下风向的北风异常将较高纬度的冷空气带到较低纬度,绕流引起的环流和温度异常是蒙古高原气候效应的产生原因。试验结果一方面揭示了小地形可能由于其特殊地理位置引发极大的动力效应,另一方面强调了在新生代亚洲古气候演化中不能简单的将气候突变同青藏高原隆升先联系,其他构造活动也可能扮演重要的角色。

相关研究成果发表在Climate Dynamics和Journal of Geophysical Research上:

  1. Shi, Z., X. Liu, Y. Liu, Y. Sha, and T. Xu , Impact of Mongolian Plateau versus Tibetan Plateau on the westerly jet over North Pacific Ocean, Clim. Dyn., 42, 1–10, doi:10.1007/s00382-014-2217-2.

  2. Sha, Y., Z. Shi, X. Liu, and Z. An , Distinct impacts of the Mongolian and Tibetan Plateaus on the evolution of the East Asian monsoon, J. Geophys. Res. Atmos., 120, doi:10.1002/2014JD022880.

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图1 冬季北大西洋西风急流对高原隆升的响应

a,d 试验TP1MP1与TP0MP0在冬季500 hPa的水平风矢量/风速差值以及30-40N平均的纬向风差值的经度—高度剖面图;b,e 同a,d,试验TP1MP1与TP0MP1;c,f 同a,d,试验TP1MP1与TP1MP0

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图2 东亚冬季风对高原隆升的响应

a 试验TP1MP1与TP0MP0在冬季850 hPa的水平风矢量差值以及降水差值;b 同a,试验TP1MP1与TP0MP1;c 同a,试验TP1MP1与TP1MP0;d 同a,试验TP1MP0与TP0MP0;e 同a,试验TP0MP1与TP0MP0