基于耦合氣候模式的始新世全球季風(fēng)數(shù)值模擬

郭衍游，王成善，楊 杰，張 健，蔡惠慧

（1.中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室（中國地質(zhì)大學(xué)），武漢430074；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059）

季風(fēng)是全球氣候系統(tǒng)的一個重要組成部分，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)是國際“氣候變異與可預(yù)報性研究（CLIVAR）”計劃、“全球能量和水循環(huán)（GEWEX）”計劃和“世界氣候研究（WCRP）”計劃的重要組成部分，是氣候研究領(lǐng)域最重要的科學(xué)問題之一。

當前，全球變暖是國際社會共同關(guān)注的熱點問題。隨著CO2排放量的持續(xù)增加，地球可能進入溫室氣候時期。在溫室氣候條件下，全球季風(fēng)會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，對更早的溫室地球時期的季風(fēng)特征研究很少。地質(zhì)證據(jù)表明，地球歷史上最強盛的季風(fēng)正發(fā)生于溫室氣候時期。在二疊紀至早侏羅世的溫室地球時期，全球范圍內(nèi)存在強盛的“超級季風(fēng)（megamonsoon）”［2，3］。研究結(jié)果表明，這種超級季風(fēng)主要與當時的海陸地形有關(guān)。當時，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合形成聯(lián)合古陸，形成大范圍強烈的海陸差異，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期，數(shù)值模擬結(jié)果表明，白堊紀時期東亞地區(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，由于溫室時期地質(zhì)記錄相對較少、距今時間久遠，人們對溫室氣候下全球季風(fēng)的范圍、強度和變化機制等知之甚少，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，是當前氣候模式研究發(fā)展的方向。本文利用目前最先進的耦合氣候模式（Community Earth System Model，簡稱CESM），模擬始新世（40Ma B.P.）地球氣候環(huán)境，并與現(xiàn)今氣候作對比，探討始新世這一典型溫室氣候時期全球季風(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)，是低緯度地區(qū)的主要氣候系統(tǒng)［1］?，F(xiàn)在一般認為季風(fēng)還表現(xiàn)為整個大氣環(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。B.Wang和Q.H.Ding根據(jù)夏、冬兩季的降水差異，定義了一個季風(fēng)降水指數(shù)［7］（Monsoon Precipitation Index，MPI）

根據(jù)MPI值，將現(xiàn)代季風(fēng)劃分為6個季風(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)和澳大利亞－印尼季風(fēng)（圖1）。其結(jié)果與“全球降水氣候?qū)W計劃”（Global Precipitation Climatology Project，簡稱GPCP）的全球季風(fēng)區(qū)降水率差異＞3.75×10－8m/s的區(qū)域相符（圖2）。

全球范圍內(nèi)，降水率的季節(jié)差異很好地反映了季風(fēng)的分布和強度。因此，本文主要采用降水這一指標來判斷季風(fēng)的存在，將中低緯度區(qū)域（30°N～30°S）干、濕季降水率差異＞3.75×10－8m/s的地區(qū)劃為季風(fēng)區(qū)。

2 模式設(shè)置

圖1 全球季風(fēng)Fig.1 The global monsoon（據(jù)文獻［7］修改，轉(zhuǎn)引自文獻［5］）

圖2 GPCP觀測的全球干、濕季降水率差Fig.2 The precipitation difference between the wet season and the dry season by GPCP observations

CESM數(shù)值模式是在美國國家大氣科學(xué)研究中心主導(dǎo)下，集中全球科學(xué)家共同開發(fā)和維護的氣候模式。該模式從CCSM（Community Climate System Model）演變而來，其目標是將地球表層圈層視為一個系統(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)測現(xiàn)代氣候變化或重現(xiàn)地質(zhì)歷史時期古氣候/古環(huán)境［8，9］。本文的模擬采用的CESM模式版本號為1.0.3，包含大氣、海洋、陸地、陸冰和海冰等5個模塊，各模塊之間通過耦合器（coupler）來實現(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，垂直坐標為sigma－p混合坐標；海洋模塊為改進的POP（parallel ocean program）模式，空間網(wǎng)格約為1°×1°，海水分層為60層，垂直坐標為z坐標；陸地模塊為CLM 2.1（Community Land Model version 2.1），植被參數(shù)根據(jù) Dickinson等的統(tǒng)計數(shù)據(jù)按緯向分布設(shè)置［10］。更詳細的模式信息請參照CESM網(wǎng)頁。

模式中地形和水深數(shù)據(jù)來自美國PALEOMAP Project的重建資料（圖3）［11］。根據(jù)浮游有孔蟲的硼同位素測量結(jié)果，40Ma B.P.大氣CO2體積分數(shù)為0.8‰～1.4‰［12］，因此，模式中大氣CO2體積分數(shù)設(shè)為工業(yè)革命前的4倍，為1.120‰。以該模式模擬了1.2ka，取最后30a的模擬結(jié)果進行分析。

3 結(jié)果

3.1 始新世溫室氣候背景

地質(zhì)記錄表明，始新世時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)擴展到了極地地區(qū)［13］。中國主要陸塊為熱帶、亞熱帶植物覆蓋，氣候溫暖濕潤［14］。

本次模擬結(jié)果顯示，總體上當時全球年平均氣溫比現(xiàn)今高4.28℃（表1）。其中，低緯度地區(qū)年平均溫度為27.61℃，比現(xiàn)今溫度高2.32℃；但是在南半球高緯度地區(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0.1～0.5℃，這可能與局部熱量輸送以及植被分布有關(guān)（圖4）。

將模擬的始新世（40Ma B.P.）全球表面氣溫分布與美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）觀測資料對比，可以進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 B.P.）氣溫值減去NCEP觀測的氣溫值的全球分布圖，從圖上可以看出，高值主要分布在南極大陸、青藏高原和格陵蘭島，局部升溫達30℃。南極大陸和格陵蘭島由于地處高緯度，在地球升溫過程中，受地球經(jīng)向熱量輸送加強的影響，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期青藏高原還未隆起，其地面氣溫比現(xiàn)今高原地面氣溫要高。在赤道及低緯度地區(qū)，在溫室氣體含量高的條件下，熱量增加不會直接導(dǎo)致溫度升高，而是通過水汽蒸發(fā)、對流增強的方式，將熱量輸送至高緯度地區(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1～4℃，局部低5～6℃。究其原因，亞歐大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烈的對流活動有關(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4 始新世模擬年平均氣溫值與日本氣象廳25a（1979—2004年）觀測值Fig.4 The simulated annual air temperature of Eocene and the Japanese 25-year reanalysis（JRA-25）observations for the period from 1979to 2004

圖5 始新世地表溫度與現(xiàn)今觀測值的差Fig.5 The difference between the simulated Eocene surface temperature and the modern surface temperature

模擬的降水量緯向年平均值與GPCP觀測的現(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)強烈，降水也隨之增加。因而，始新世的全球年總降水量也高于現(xiàn)今（圖6）。

3.2 季風(fēng)區(qū)的分布及特征

圖6 始新世模擬降水量與GPCP觀測值Fig.6 The simulated annual precipitation of Eocene and GPCP observations

通過對比始新世（40Ma B.P.）與GPCP觀測的干、濕季降水分布（6—8月份平均降水率減去12月份至次年2月份平均降水率，圖7、表2），可以看出：始新世時期，全球低緯度地區(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為閾值，也可以劃分為6個大季風(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)的范圍及強度有所不同。始新世時，北非季風(fēng)范圍和強度比現(xiàn)今大；北美和南美季風(fēng)則比現(xiàn)今弱；澳大利亞地處高緯度地區(qū)，季風(fēng)特征不明顯，可以認為不存在季風(fēng)；亞洲季風(fēng)比現(xiàn)今弱，這與當時青藏高原還未全面隆起有關(guān)。

從統(tǒng)計的季風(fēng)區(qū)分布面積以及降水季節(jié)差異反映的季風(fēng)強度來看（表2），始新世時期北美季風(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)強度與現(xiàn)今大體相當。

從各季風(fēng)區(qū)的降水來看，始新世時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)區(qū)相連，在低緯度地區(qū)形成了廣闊的季風(fēng)帶，是當時最重要的季風(fēng)區(qū)；而現(xiàn)今亞洲季風(fēng)區(qū)，季風(fēng)帶來的降水主要沿經(jīng)向分布于東亞地區(qū)。

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—8月份，亞洲東部及南部大部分以南風(fēng)為主，12月份至次年2月份，則為東北風(fēng)或西風(fēng)。非洲北部6—8月份吹南風(fēng)或西南風(fēng)，12月份至次年2月份冬季則為東北風(fēng)。

4 討論

圖7 全球干、濕季降水差異Fig.7 The global precipitation difference between the dry season and the humid season

表2 始新世與現(xiàn)今季風(fēng)區(qū)對比Table 2 Comparison between the Eocene monsoon and the modern monsoon

圖8 模擬的始新世全球表面風(fēng)速Fig.8 The simulated Eocene global surface wind velocity

全球季風(fēng)的變化受大陸分合的“威爾遜旋回”、地球運行軌道、太陽活動周期、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)生時限、發(fā)展變化及其影響因素等，對于新生代早期或“深時（deep time）”季風(fēng)的研究很少。雖然現(xiàn)代季風(fēng)的起源被認為出現(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，而這兩個因素在地質(zhì)歷史上一直存在；因此，季風(fēng)是貫穿整個地質(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)，才可以談?wù)撈湫纬蓵r間和消亡歷史［5］。本次模擬表明，在始新世這一溫室時期，就有類似于現(xiàn)今的全球季風(fēng)存在，其范圍及強度與現(xiàn)今氣候大體相當?，F(xiàn)代氣候研究表明，在當前全球變暖背景下，印度夏季季風(fēng)趨于增強［17］，東亞夏季季風(fēng)則只發(fā)生位置的偏移而不是強度的增強［18］。在始新世時期，出現(xiàn)與現(xiàn)今相似的全球季風(fēng)是合理的。

5 結(jié)論

a.始新世時期，全球平均溫度、降水量高于現(xiàn)今，為典型溫室氣候。

b.全球存在季風(fēng)，季風(fēng)分布范圍及強度與現(xiàn)代氣候相當，但是區(qū)域上季風(fēng)特征有明顯差異。

c.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)向分布的不同特征。

d.澳大利亞地處高緯度區(qū)，季風(fēng)特征不明顯。

e.北非季風(fēng)比現(xiàn)代強，范圍大。

f.北美和南美季風(fēng)比現(xiàn)今弱。

由于缺乏更精確的古地形、古植被、古CO2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)記錄進行準確對比。要弄清地質(zhì)歷史中全球季風(fēng)的動力學(xué)機制和演變規(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研究。

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