1、第 卷 第 期 年 月第 四 纪 研 究，苏宝煌，孙咏 青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究 第四纪研究，（）：，（）：文章编号：（）青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究苏宝煌，孙咏（中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京；中国科学院青藏高原研究所，青藏高原地球系统与资源环境全国重点实验室，北京）摘要：本研究利用大气环流模式，基于青藏高原及周边区域的 个地形抬升情景，并考虑地球轨道参数（强弱岁差和高低地轴倾角）组合，开展了 组敏感性数值试验，集中研究了地形抬升对轨道尺度欧亚内陆干旱和季风降水的调制作用。结果分析表明，整体而言，青藏高原区域地形的阶段性逐步
2、抬升调制的欧亚大陆降水对岁差和地轴倾角的响应具有类似的分布特征，但响应强度略有差异。此外，不同地形抬升情景下，降水对轨道强迫的响应呈现出区域差异。其中，亚洲内陆干旱区是区域地形调制轨道强迫作用的高敏感区域，尤其伊朗高原抬升有效强化了轨道导致的降水增加信号；青藏高原中部、东部和北部的抬升则通过引导季风环流向北辐合加强，增强了岁差和地轴倾角引起的北东亚季风降水幅度；伊朗高原抬升有效地加强了中国黄土高原降水对地轴倾角的响应。这些试验结果揭示青藏高原是东亚夏季季风的轨道尺度变率的潜在影响因子，这可为地质记录揭示的季风在轨道时间尺度上变率强化现象提供机制上的解释。关键词：青藏高原；亚洲夏季风；轨道时间尺
3、度；大气环流模式中图分类号：文献标识码：开放科学标识码（）收稿，收修改稿 国家自然科学基金项目（批准号：）和中国气象科学研究院基本科研业务费专项项目（批准号：）共同资助 第一作者简介：苏宝煌，男，岁，副研究员，古气候模拟研究，：引言数千万年来，太阳日照随着轨道参数有节奏地变化，为地球提供稳定的能量来源，在多个时间尺度上驱动全球气候变化节律。理论研究指出，气候系统对轨道强迫的响应受到气候边界条件的变迁（包括海陆不对称分布、大气 大幅波动、海道的开闭、山脉构造抬升等）而产生调整。例如，过去 （，百万年）深海沉积物的氧同位素集成记录清晰显示了地球轨道参数周期如何控制新生代气候演变；其中，在中新世（约
4、.）以前地球气候周期以偏心率为主，由低纬过程驱动着气候演化，随着高纬变冷和冰盖增长，中新世（约.）之后地轴倾斜度的信号逐渐增强，到上新世（约.）成为冰室地球气候系统的主导周期。通过海陆代用指标综合对比分析，研究者认为在始新世渐新世转型时亚洲大陆气候的轨道周期转型和干旱化的趋势变化可能与大气 浓度降低和南极冰盖大规模形成等边界条件有关。黄土高原西北部的沉积物也记录了中更新世冰盖扩张和浓度降低，可以抑制低纬水文循环对太阳辐射的直接响应。中国黄土沉积物是开展渐新世到第四纪轨道时间尺度的东亚季风演化的良好代用指标。大量的黄土沉积记录揭示亚洲季风的长期演变对轨道强迫的响应振幅和周期并非是一成不变，可能有
5、一些潜在的调制因子对其进行非线性放大。例如，札达盆地的记录表明，自中新世晚期以来，青藏高原南部高海拔地区的直接辐射加热是控制轨道尺度环境变化的主要因素，它为轨道尺度环境变化和日照之间的联系提供了可能；又如，晚上新世青藏高原抬升被认为是调节亚洲古季风降水记录中偏心率信号 期苏宝煌，等：青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究增强的关键因子。利用黄土高原古土壤磁化率强度等指标重建的东亚季风指标的结果表明，上新世（约 ）前后季风环流和降水耦合出现显著变化，这与季风环流对轨道强迫的响应被喜马拉雅西藏高原的阶段性抬升和北半球冰原扩张同时调制有关。青藏高原在更新世中期的阶梯式快速抬升可能是驱动
6、东亚夏季和冬季风同时增强的机制，青藏高原的快速隆起可能在中更新世期间的周期性变化中发挥了重要作用。兰州黄土沉积记录揭示轨道尺度东亚夏季季风变率从更新世（约.）至今经历了三次逐步上升的趋势，主要与青藏高原区域抬升有关；此外，贝加尔湖的高分辨率等记录揭示，喜马拉雅山青藏高原的隆起不仅驱动了印度季风，且与中新世（约 ）的印度季风轨道周期转换有关。表 试验名称、边界条件和所对应的模拟时间长度 ，类别本文分析试验（“”）无高原喜马拉雅青藏高原中部青藏高原东部青藏高原西部伊朗高原青藏高原北部现代弱岁差低倾角强岁差低倾角弱岁差高倾角积分时间（模式年）以上的研究工作提供了青藏高原阶段性抬升潜在调控轨道时间尺度
7、上亚洲气候变率长期演变的证据。事实上，当地球轨道参数调整会直接影响高原表面接收到的热量及与之相关的表面热力状况，这反过来影响了高原的降水变化。理论假设也指出，青藏高原表面大气更加稀薄，当给定与低海拔地表相同的太阳辐射加热势必会产生更强烈的大气环流响应，从而调制了轨道强迫引起的气候信号。基于气候模拟的证据显示，青藏高原整体抬升能够调制东亚夏季季风在轨道时间尺度上的变率幅度，；此外，敏感性试验研究表明，岁差强迫导致对流层上层的南亚高压向北移动，而青藏高原喜马拉雅山的存在强化了该效应。上述机理研究从一定程度上理解了高分辨率黄土沉积记录中所揭示的亚洲季风变率轨道周期的转型。综上所述，青藏高原的不同抬升
8、阶段对于轨道尺度亚洲季风变率皆有调制作用，然而青藏高原不同区域的抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究依然匮乏。因此，开展青藏高原区域抬升对轨道强迫的调制的模拟不仅有助于揭示气候系统、构造因子和太阳辐射之间的潜在联系，并对进一步理解亚洲季风长时间演化特征和相关的古季风地质记录的解译有一定现实意义。因而，在前人工作的基础上，本文拟使用大气环流模式，设计了多组山脉抬升情景下与不同轨道参数组合的敏感性试验，集中分析青藏高原区域抬升对东亚夏季风轨道尺度变率的调制作用。试验设计方案.模式简介 本文开展数值试验所采用的模式为美国国家大气研究中心（）的开发的通用大气环流模式 ，该模式的动力内核采用有限体积
9、元作为其动力框架。为了简化海洋反馈的影响，我们把动态海洋模块关闭，仅给定模式默认的气候平均态的年循环海表温度进行驱动。本数值试验采用的大气和陆地模块分辨率为（约.），大气模块垂直方向上为 层，与陆地模块完全耦合。对于北半球区域和大尺度天气和气候特征有较好的再现能力，因而被广泛用于深时、历史时期和未来气候变化的研究。.试验方案利用，本文共设计了 个数值试验（表）即由 组包含 个地形抬升情景的轨道参数敏感性试验组成。首先，我们考虑了青藏高原及其周边山脉经历了阶段性抬升的历史。为了便于研究区域地形抬升对轨道强迫的调制作用，仿照以往关于青藏高原区域地形抬升情景的设计方案，如 等，本研究设置 个地形抬升
10、情景即从欧亚非大陆无地形情景下依次抬升各个主要山脉（图）。需要指出的是，这 个理想化的地形抬升情景是基于一定的地质证据而设计，但是它们与地质时期真实的抬升历史并不能完全等同。其次，考虑到地球轨道参数对气候影响的差异，为了分离出岁差和地轴倾角两个参数的各自作用，我们采用了 种轨道参数配置情景，分别为：弱岁差低倾角（近日点在北半球的冬季，倾角为.）、第 四 纪 研 究 年图 数值试验中的亚非欧大陆地形的配置（单位：）（）无高原地形；（）喜马拉雅山脉；（）高原中部；（）高原东部；（）高原西部；（）伊朗高原及其西部；（）高原北部；（）现代的地形边界条件.，（）（）（：）（），（），（），（），（），（
11、），（），（），强岁差低倾角（近日点在北半球的夏季，倾角为.）、弱岁差高倾角（近日点在北半球的冬季，倾角为.）。其中，强岁差与弱岁差配置、高倾角与低倾角配置两种方案的逐月太阳辐射差异分别由图 和 展示。这 种轨道配置方案与 等中所采取的大体一致。在这 种轨道参数配置下，我们分别开展了 个青藏高原区域地形（图）抬升的数值试验。通过比较第一组和第二组轨道情景试验，我们得到青藏高原不同区域地形抬升对岁差导致的亚洲季风系统变化的调制；通过比较第一组和第三组试验结果可获得高原地形对倾角导致的亚洲季风系统变化的调制作用。为方便叙述，将所有试验做了简要命名，如表 所示。所有试验积分时长均为 个模式年，我们的
12、分析使用最后 个模式年的平均气候态。试验结果分析.地形抬升调制亚洲季风对岁差的响应 图 描述了青藏高原区域地形抬升对欧亚大陆的夏季平均降水的影响。从总体来看，在不同的地形配置下，岁差引起欧亚大陆降水异常的空间分布整体一致，但区域降水响应则有明显差异，这说明高原区域地形对于岁差的气候效应存在调制作用。当欧亚大陆无地形时，岁差变化导致的夏季太阳辐射增加有利于欧亚大陆降水的均匀增加（图）。具体而言，当欧亚大陆接收到的太阳辐射增加时，大气低层受大尺度的异常气旋环流控制，气流辐合运动加强，增强了垂直上升运动（图），令季风降水增多。期苏宝煌，等：青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究图 轨道
13、强迫敏感性试验相对于对照试验中轨道参数设置变化引起的逐月太阳辐射量的差异（单位：）（）强岁差情景相对于弱岁差情景的入射量变化；（）高倾角情景相对于低倾角情景下的入射量变化.，（），（）（：）图 如图 所示的地形下，模拟的夏季降水（单位：）对轨道岁差的响应图中红色等值线为每种地形情景下对照试验（即弱岁差低倾角配置试验）气候平均态降水分布，等值线间隔为 ，而蓝色等值线代表 地形海拔高度，等值线间隔为 .（：）（）（）（）（）.，（，），第 四 纪 研 究 年图 强岁差试验相对于弱岁差试验得到的大气环流异常，包括北半球夏季平均的中层 垂直速度变化（阴影，单位：）和低层 风场的变化（矢量，单位：）红色
14、等值线代表地形海拔高度，等值线间隔为 .，（，：）（，：）随着青藏高原中部和东部、喜马拉雅抬升，岁差引起的欧亚大陆降水增加区域向北伸展，这归因于季风环流南风分量的明显加强（图）；随后，得益于高原北部和及其以北地形抬升的调制作用，东亚东北季风降水增加的区域向北推进到 附近（图 ）。与此同时，随着喜马拉雅山脉抬升，东亚 以北环渤海沿岸降水减少范围由海洋西伸到约 附近的东亚大陆（图）；随着青藏高原其它区域的抬升，包括高原中部（图）、高原东部（图）以及高原西部（图），渤海湾以东东亚大陆受高压控制区域逐步扩大，低层以气流辐散为主，降水均出现减少（图）；而随着伊朗高原、青藏高原北部以及现代高原抬升，此区域
15、降水辐合又逐步加强（图）。由此可见，地形对轨道尺度区域降水调制作用强烈。地处亚洲内陆区域的塔里木盆地，岁差造成的其降水变化随着高原中部、东部、西部的逐步抬升而迅速增加（图 ）。但随后的高原北部及其以北的地形抬升，岁差引起的塔里木盆地降水增加的幅度反而减弱。与此同时，由于地形抬升的调制作用，深入塔里木盆地区域的水汽输送通道被迅速阻断（图 和），故降水增加幅度随之衰减。需要指出的是，自喜马拉雅抬升以后，南亚季风对轨道岁差强迫的响应变化不大，即除喜马拉雅山以外的其他区域地形抬升对南亚季风响应岁差强迫的调制作用并不显著（图 ）。综上，青藏高原地形很大程度上可调制岁差强迫下的亚洲季风降水 期苏宝煌，等：
16、青藏高原区域抬升对轨道尺度亚洲季风调制效应的模拟研究图 同图，但为轨道倾角造成的夏季降水量变化（单位：）.，（：）图 同图，但为倾角造成的夏季平均垂直速度（单位：）和风场的变化（单位：）.，（）（）第 四 纪 研 究 年变化，并主要通过改变局地大气环流以及水汽的辐合辐散来实现。图 模拟得到的强岁差情景试验相对于弱岁差情景的试验所模拟的夏季降水量百分比变化（单位：）.（）.地形抬升调制亚洲季风对倾角的响应 欧亚大陆无地形时，随地地球轴倾角增加导致的夏季入射辐射增多，欧亚大陆降水大范围增加，其中南亚和东亚增加尤为明显，这与其靠近海洋水汽源地有关（图）。显然，在无地形条件下，地球倾角引起的轨道尺度降水的增多反映了由日射增加造成海陆热力对比加剧对亚洲季风产生的直接驱动力。随着喜马拉雅山等山脉逐步抬升，欧亚大陆降水对倾角的响应开始呈现非均匀变化（图）。以东亚季风降水核心区（东亚中部）为例，喜马拉雅山和中部地形存在使得东亚夏季降水一致减少（图 和），而随着高原东部（图）、西部（图）、伊朗高原（图）、高原北部（图）地形的抬升，季风降水变化符号以 为界，出现南北区域反相位变化。这与岁差强迫的情景类似，
