近千年全球气候变化的长积分模拟试验

第20卷第5期2005年5月地球科学进展A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC EV o l.20　N o.5M a y.，2005文章编号：1001-8166（2005）05-0561-07近千年全球气候变化的长积分模拟试验*刘　健1，H ans v on S t o r ch2，陈　星3，E dua r do Z o r it a2，王苏民1（1.中国科学院南京地理与湖泊研究所，湖泊沉积与环境重点实验室，江苏　南京　210008；2.G K SS研究中心海岸研究所，D-21502G ee s t h ac ht，德国；3.南京大学大气科学系，江苏　南京　210093）摘　要：近千年全球气候变化的长积分模拟试验是全球气候模拟研究的新领域，它不仅将现代器测资料与过去代用指标序列进行了有机的衔接，而且对过去百年和年代际尺度的气候变化可进行动力学解释，探讨其主要控制因素及其导致的区域响应差异。

由于这类长积分模拟对计算机技术和气候模式本身的要求较高，目前能进行这类研究的国家为数不多。

重点介绍了德国马普气象研究所的全球海气耦合气候模式E C H O-G，以及利用该模式进行的千年长积分模拟试验结果。

首先，应用全球120年的器测资料对模拟结果进行了检验，论证了该模型较强的气候模拟能力；其次，根据全球地表2m气温的千年模拟结果，揭示了中世纪暖期—小冰期—20世纪暖期三段式气候变化时段，然后讨论了中世纪暖期和小冰期鼎盛期全球及中国的温度分布特点；最后根据对各控制因子的拟合分析与比较，初步揭示了近千年来的温度变化主要受太阳有效辐射的变化控制，而温室气体含量的增加对100年来温度的快速上升起着主导作用。

关　键　词：气候变化；模拟试验；E C H O-G；千年；温度中图分类号：P46 文献标识码：A 过去2k a气候环境的变化是“过去全球变化”（P a s t G l o b a l C h a n ge s，P AGE S）和“气候变率与可预测性”（C li m a t e V a r i a b ilit y a nd P r e d i c t a b ilit y，C L I V-A R）两大国际研究计划的重要研究内容之一［1，2］，其中1k a来的气候变化是现代器测资料衔接过去代用指标序列的关键时段，也是人类活动影响不断加剧的时期，成为各国科学家关注的热点［3～11］，尤其是围绕中世纪暖期（M W P，1000—1300年）［12～16］、小冰期（L I A，1550—1850年）［17～20］和现代增暖（1900年至今）［21，22］开展了大量工作。

因为有充足的器测资料为依据，研究结果对于20世纪全球快速增暖的认识十分一致；但对于20世纪增暖之前的气候变化（包括中世纪暖期和小冰期在内）的认识则存在较大分歧。

因为这段时期气候变化研究的主要依据是通过各种代用资料（历史文献、树轮、冰芯、湖芯、珊瑚、石笋等）重建的气候序列［8～20］。

代用资料的代表性和重建手段的精确性对气候重建序列的可靠性起着决定性的作用。

由于资料的缺乏和局限，目前只能论及某些特定区域的中世纪暖期和小冰期。

中世纪暖期和小冰期是否是全球性的现象？各地中世纪暖期及小冰期的出现时间及其内部的冷暖波动变化有何差异？20世纪增暖幅度在近千年是否有先例？就百年尺度的气候变化而言，哪些因素和过程起主要控制作用？对这些问题目前均存在较多争议［21～23］。

同时，对千年气候变化成因机理的研究相对比较薄弱［3，4，24］。

*　收稿日期：2004-03-11；修回日期：2004-10-13.*基金项目：国家自然科学基金项目“过去300年中国东部季风区雨带进退图谱与模拟诊断”（编号：40331013）和“中国小冰期气候环境区域分异与动力学研究”（编号：40272123）；中国科学院知识创新工程重要方向项目“历史时期环境变化的重大事件复原及其影响研究”（编号：K Z CX3-S W-321）；中国科学院南京地理与湖泊研究所创新项目“东亚水汽演变及千年尺度古气候模拟研究”（编号：C XN I G L A S-A02-06）资助.　作者简介：刘健（1966-），女，四川合江人，副研究员，主要从事气候变化与古气候模拟研究.E-m a i l：j i an li u ＠n i g l as. a c.c n近20年来，为了实现全球增暖背景下气候情景的预估，气候模式和模拟结果比较计划发展很快［25］。

为了对近千年来的气候变化特征及其动力学机理有一个更加全面的认识，深入理解不同区域对全球气候变化响应差异，开展长时间积分的气候模拟研究无疑是最有效的手段之一。

受具体条件限制，目前国内还没有开展过千年长时间积分的古气候模拟试验。

国外在这方面的研究已有一定的积累，但采用真正意义上的全球海气耦合气候模式所进行过的长积分模拟试验迄今为止只积分了300个模式年［26］。

其它更长时间的模拟所采用的模式要么是简单的能量平衡模式［6］，要么是简化的海气模式［27］。

这类模式由于对气候系统的过于简化，对长时间气候变化的刻画显得较为粗略。

鉴于此，作者在德国利用先进的计算机系统和较为完善的全球海气耦合气候模式E C H O - G ［28］开展了1000 多个模式年的长时间积分气候模拟试验。

本文对此模拟工作及结果做简要介绍。

关于1k a 来的长时间积分模拟，美国国家大气研究中心（ N C A R ）目前应用其新近开发的气候系统模式（ C S M 1.4 ）也正在开展，至今尚未有正式结果发表。

1　模式模拟采用全球海气耦合气候模式E C H O - G 。

它由全球大气环流模式 E C HA M 4 和海洋环流模式 H O PE- G 耦合而成［28］。

E C HA M 4 和 H O PE- G 均为德国马普气象研究所（M a x P l a n c k I n s tit u t e f o r M e t e- o r o l og y ， M PI ）开发。

E C HA M 4 是第四代大气环流谱模式［29］，它以原始方程为基础，采用混合p-σ坐标，水平分辨率为 T 30 ，相当于3.75°×3.75°，垂直分19层，其中200 h P a 以上有5层，模式顶层为30 h P a ，相当于30 k m 。

预报量包括涡度、散度、气压、温度、比湿、云中水的混合比、有关微量气体和气溶胶混合比等。

动力和物理过程的时间积分步长为24分钟，辐射计算为2小时间隔。

海洋模式 H O PE - G ［30］是海洋原始方程模式，其水平分辨率为 T 42 ，相当于2.8°×2.8°，热带地区采用0.5°×0.5°的加密网格。

垂直方向共20层。

海洋模式H O PE- G 由大气强迫场驱动，其海洋预报量包括水平速度、海表面高度、位温和盐度等。

E C HA M 4 和 H O PE- G 两者通过 O A - S I S3 耦合器耦合为气候模式 E C H O - G 。

该模式在现代气候模拟和古气候模拟研究中均得到较多应用，其气候模拟能力已得到可靠验证［31～34］。

它是目前进行长时间气候模拟最合适的气候模式之一。

2　模拟方案本文共做了2个试验：控制试验和真实强迫试验。

2个试验均从901 年开始，积分到1990年。

控制试验以1990 年的实际情况为强迫（固定强迫条件），真实强迫试验先以控制试验的强迫场为起点，经50年积分后逐步过渡到以真实的随时间变化的有效太阳辐射、C O 2浓度和C H 4浓度场为外强迫。

该试验在1 k a 左右达到稳定态，然后一直积分到1990 年。

真实强迫试验采用的与控制试验不同的强迫条件，包括随时间变化的太阳辐射常数、火山活动指数、C O 2和C H 4浓度。

其中，太阳辐射变化由太阳黑子和大气中的宇宙射线同位素求出［35］，火山灰的辐射强迫效应先由格陵兰不同冰芯中硫化物含量浓度估算［36］，然后在大气环流模式的有关计算中将其转换成有效太阳辐射变化，大气C O 2与C H 4浓度由南极冰芯资料获得［37，38］。

图1是上述强迫因子的时间变化。

图1　强迫因子的时间变化F i g.1 T i m e se q u e n c e o f f o rc i ng f a c t o r s3　模拟结果首先将E C H O - G 模拟的全球年平均温度距平（相对于1961 —1990 年）与国际上认可的120 年观测集成资料［8］做对比，以验证模式的模拟能力；然后分析模拟的1k a 来全球温度的变化特征与主控因子。

3.1　模拟能力验证图2是由模拟结果和琼斯（J o n e s ）观测集成资料计算的全球年平均温度距平（相对于1961—1990 年）的逐年变化。

图中虚线和实线分别为模拟结果和琼斯资料的计算值及相应的变化趋势，点线为零距平线。

可以看出，两者均给出了1860年以来全球265 地球科学进展 第20卷年平均温度变化的上升趋势，两者在99.9％的置信度水平上相关，相关系数达0.68。

模拟值与观测值的偏差范围平均为0.17 ，与琼斯观测集成资料的误差水平相当。

这证明模拟结果和琼斯观测集成资料有相同的可信度。

3.2　全球年平均温度的逐年变化图3是全球地表2m 气温的年平均模拟值。

图中实线为全球年平均气温模拟值，虚线为其百年滑动平均值（101 点滑动平均），点线为百年滑动平均值的最大和最小变化值。

此图显示，近千年来气温变化呈明显的两峰一谷的“V ”字型。

全球年平均温度最高的30年出现在1130 —1160 年，而最低的30年出现在1680—1710 年。

从百年尺度的气候变化来看（图中虚线），近千年来全球气温在1130年达到最高值287.4 K ，随后逐步降低到1710年的最低图2　全球年平均温度距平（相对于1961 —1990 年）模拟值与Jo n e s 观测集成资料的对比 F i g.2 C om p a r i s on o f s i m u l a t e d a nd o b ser v e d g l obal annual m e an t e m p er a t u r e a n om a li e s （ r e l a ti ve t o 1961-1990 ）图3　全球地表2m 气温的年平均模拟值F i g.3 S i m u l a t e d g l obala n n u al s u r f a c e2 m a i r t e m p er a t u r e值286.7 K ，其间历时近600 年；之后，全球气温稳步上升，经过200多年全球气温就达到了与中世纪暖期相当的水平，其升温速率比降温速率快1倍多。