基于耦合气候模式的始新世(40Ma)全球季风数值模拟7-24

1、基于耦合气候模式的始新世（40Ma）全球季风数值模拟郭衍游1,2国家973课题（2012CB822000），生物地质与环境地质国家重点实验室开放基金课题（GBL21313）郭衍游(1977年-)，男，湖北阳新人，博士，高级工程师；主要从事古气候数值模拟研究。E-mail：guoyanyou 王成善1 杨 杰1张 健1 蔡惠慧31中国地质大学（北京） 地球科学与资源学院 北京 1000832 中国地质大学（武汉） 生物地质与环境地质国家重点实验室 武汉 4300743 成都理工大学 地球科学学院 成都 610059摘要全球一半以上人口生活在季风区。为了研究温室气候时期全球季风气候的特征，利用耦合

2、气候数值模式CESM（Community Earth System Model），模拟了距今最近的温室气候时期（40Ma）始新世的全球季风气候特征。该模式全面考虑了大气、海洋、陆地、陆冰、海冰、植被等气候子系统的耦合作用，大气二氧化碳含量设为工业革命前的4倍。模拟结果表明，在始新世时期，全球季风的范围、强度与现今大体相当，但是区域上，各季风区的特征与现今有明显差异。关键词 始新世；温室气候；耦合气候模式；CESM 0引言季风是全球气候系统的一个重要组成部分，是全球大气能量和水汽循环最显著和最重要的区域，全球超过一半人口生活在季风区1。季风是国际“气候变异与可预报性研究（CLIVAR）” 计划，

3、“全球能量和水循环（GEWEX）”计划和“世界气候研究（WCRP）” 计划的重要组成部分，是气候研究领域最重要的科学问题之一。当前，全球变暖是国际社会共同关注的热点问题。随着二氧化碳排放量的持续增加，地球可能进入温室气候时期。在温室气候条件下，全球季风会有哪些显著变化成了人们极为关心的问题。古气候研究为这一问题提供了很好的途径。目前的研究多集中于现代季风格局的形成及其与青藏高原隆起等因素的关系上，对更早的温室地球时期的季风特征研究很少。地质证据表明，地球历史上最强盛的季风正发生于温室气候时期。在二叠纪至早侏罗世的温室地球时期，全球范围内存在强盛的“超级季风(Megamonsoon)”2-3。研

4、究结果表明，这种超级季风主要与当时的海陆地形有关。当时，北半球的劳亚大陆和南半球的冈瓦纳大陆在赤道附近连接拼命形成联合古陆，形成大范围强烈的海陆差异，雨量集中在特提斯洋附近，联合古陆内部降雨量几乎为零2。联合古陆解体后，地球仍处于温室气候时期，数值模拟结果表明，白垩纪时期东亚地区的盛行风向有明显的季风反转，表现出季风特性4。但是，由于温室时期地质记录相对较少、距今时间久远，对温室气候下全球季风的范围、强度和变化机制等知之甚少，亟待从地质记录和数值模拟等方面加强研究工作5。耦合气候模式考虑了不同气候子系统之间的相互作用，是当前气候模式发展的方向。本文利用目前最先进的耦合气候模式CESM（Comm

5、unity Earth System Model），模拟始新世（40Ma）地球气候环境，并与现今气候作对比，探讨始新世这一典型温室气候时期全球季风的分布特征。1 现代全球季风传统上，季风被定义为盛行风向和降水的季节性反转，是低纬地区的主要气候系统1。现在一般认为季风还表现为整个大气环流格局发生季节性反转6。季风由海陆热力差异及行星风带的季节性差异所引起。Wang B和Ding Q H.（2011）根据夏、冬两季的降水差异，定义了一个季风降水指数（Monsoon Precipitation Index，MPI）7：MPI湿季降水率-旱季降水率年平均降水率.(1)根据MPI值，将现代季风划分为六个

6、季风系统：北美季风，南美季风，北非季风，南非季风，亚洲季风和澳洲-印尼季风（图1）。其结果与全球降水气候学计划(Global Precipitation Climatology Project, GPCP）的全球季风区降水率差异大于3.75×10-8m/s的区域相符（图2）。图1 全球季风（据文献7修改，转引自文献5）（a，北美季风； b，南美季风； c，北非季风； d，南非季风； e，亚洲季风； f，澳大利亚-印尼季风）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)图2 GPCP观测的全球干、湿季降水率差Fig.2 The precipitation difference between the wet and dry seasons by GPCP observations全球范围内，降水率的季节差异很好地反映了季风的分布和强度。因此，本文主要采用降水这一指标来判断季风

8、的存在，将中低纬区域（30°N30°S）干、湿季降水率差异大于3.75×10-8m/s的地区划为季风区。2 模式设置CESM数值模式是在美国国家大气科学研究中心（National Center for Atmospheric Research， NCAR)主导下，集中全球科学家共同开发和维护的气候模式。该模式从CCSM (Community Climate System Model )演变而来，其目标是将地球表层圈层视为一个系统，通过耦合技术，模拟大气圈、水圈、生物圈的相互作用，从而预测现代气候变化或重现地质历史时期古气候/古环境8-9。本次模拟采用的CESM模式

9、版本号为1.0.3，包含大气、海洋、陆地、陆冰和海冰等5个模块，各模块之间通过耦合器（coupler）来实现质量、能量的交互传输，其中，大气模块为NCAR开发的CAM（Community Atmosphere Model），采用T31谱模式，空间网格约为2°×2°，大气分层为26层，垂直坐标为sigma-p混合坐标；海洋模块为改进的POP（Parallel Ocean Program )模式，空间网格约为1°×1°，海水分层为60层，垂直坐标为z坐标；陆地模块为CLM2.1 (Community Land Model version

10、2.1)，植被参数根据Dickinson et al.（2006）的统计数据按纬向分布设置10。更详细的模式信息请参照CESM网页。模式中地形和水深数据来自美国PALEOMAP Project的重建资料（图3）11。根据浮游有孔虫的硼同位素测量结果，40Ma大气二氧化碳浓度在8001400ppm之间12，因此，模式中大气二氧化碳浓度设为工业革命前的4倍，为1120ppm。模式模拟了1200年，取最后30年的模拟结果进行分析。图3 始新世（40Ma）古地形和古水深Fig.3 The topography and bathymetry of Eocene (40Ma)3 结果本次研究工作模拟了始新

11、世（40Ma）时的温室气候背景以及在此背景下的全球季风区的降水和盛行风分布，重现了当时全球季风的分布和强度特征。3.1 始新世（40Ma）温室气候背景地质记录表明，始新世时期全球地表温度明显高于现今，特别是极地地区比现今温暖得多，温带森林已经扩展到了极地地区13。我国主要陆块为热带、亚热带植物覆盖，气候温暖湿润14。本次模拟结果显示，总体上当时全球年平均气温比现今高4.28（表1）。其中，低纬地区年平均温度为27.61，比现今温度高2.32；但是在南半球高纬地区，温度高出接近20。在局部地区存在温度比现今低的情况，在北纬60°65°之间，温度比现今低0.10.5（图4）,

12、这可能与局部热量输送以及植被分布有关。表1. 始新世（40Ma）与现今气温对比Table 1 the Eocene (40Ma) and modern surface air temperature地区始新世()现今()与现今偏差()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全球平均气温18.86

13、14.584.28图4 始新世(40Ma)模拟年平均气温值与日本气象厅25年（1979-2004年）观测值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. 将模拟的始新世（40Ma）全球表面气温分布与美国国家环境预报中心 ( National Centers for Environmental Prediction，NCEP)观测资料对比，可以

14、进一步看出始新世与现今全球表面气温的变化情况。图5是模拟的始新世（40Ma）气温值减去NCEP观测的气温值的全球分布图，从图上可以看出，高值主要分布南极大陆、青藏高原和格陵兰岛，局部升温达30。南极大陆和格陵兰岛由于地处高纬，在地球升温过程中，受地球经向热量输送加强的影响，易于升温，且升温幅度大。青藏高原地区的升温则是由于始新世时期青藏高原还未隆起，其地面气温比现今高原地面气温高。在赤道及低纬地区，在温室气体含量高的条件下，热量增加不会直接导致该地区温度升高，而是通过水汽蒸发、对流增强的方式，将热量输送至高纬地区。在亚欧大陆以及赤道大洋等部分地区，温度比现今低14，局部低56。究其原因，亚欧大

15、陆由于其广阔的陆地，在北极冷空气影响下，受全球升温影响较小，表现了与全球性升温不一样的气温变化。赤道大洋局部地区的温度降低则可能与强烈的对流活动有关。与前人的温室气候模拟结果相比，本次模拟出赤道地区总体上有明显的升温（图5），这与地质记录相一致15。图5 始新世(40Ma)地表温度与现今观测值的差Fig.5 The difference between the simulated Eocene (40Ma) and modern surface temperature模拟的降水量纬向年平均与GPCP观测的现今降水量相比，明显偏高。这是由于温室气候条件下，水汽蒸发强烈，降水也随之增加。因而，全球

16、总降水量也高于现今（图6）。图6 始新世(40Ma)模拟降水量纬向年平均与GPCP观测值Fig.6 The simulated annual precipitation of Eocene (40Ma) and GPCP observations3.2 季风区的分布及特征通过对比始新世（40MA）与GPCP观测的干、湿季降水分布（6月至8月平均降水率减去12月至次年2月平均降水率）（图7，表2），可以看出：始新世时期，全球低纬地区存在明显的季风气候特征，以干、湿季降水率差异3.75×10-8m/s为阀值，也可以划分为六大季风区。其中由于海陆地形的不同，印尼-澳大利亚季风被古印度季风所

17、取代，其他季风区的位置与现今基本一致。从区域上看，各季风区的范围及强度有所不同。始新世时，北非季风范围和强度比现今大；北美和南美季风则比现今弱；澳大利亚地处高纬地区，季风特征不明显，可以认为不存在季风；亚洲季风比现今弱，其原因与当时青藏高原还未全面隆起有关。从统计的季风区分布面积以及降水季节差异反映的季风强度来看（表2），始新世时期北美季风和北非季风的分布面积与现今有很大差异，全球季风区总面积比现今多20%，季风强度与现今大体相当。从各季风区的降水来看，始新世时期降水沿纬向分布的特征较明显，北半球的亚洲季风区与北非季风相连，在低纬地区形成了广阔的季风带，是当时最重要的季风区，而现今亚洲季风，季

18、风带来的降水主要沿经向分布于东亚地区。图7 全球干、湿季降水差异（左：始新世；右：GPCP）（a，北美季风；b，南美季风； c，北非季风； d，南非季风； e，亚洲季风； f，左：印度季风，右：澳大利亚-印尼季风）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）与现今季风区对比Table 2. the Eocene (40Ma) and modern monsoons始新世（40Ma）现今季风区面积（km2）降水率季节差（mm/day）季风区面积（km2）降水率季节差（mm/day）北美季风1.66×1065.48北美季风5.66×1067.10南美季风7.42×1066.78南美季风5.32×1

20、067.09北非季风9.52×1067.30北非季风5.46×1066.49南非季风5.09×1066.22南非季风6.19×1065.71亚洲季风1.82×1076.32亚洲季风1.10×1077.31印度季风4.32×1066.22澳大利亚-印尼季风4.97×1066.15模拟的盛行风表明，季风区盛行风的季节变化明显（图8）。6月至8月，亚洲东部及南部大部分以南风为主，12月至次年2月，则为东北风或西风；非洲北部6月至8月吹南风或西南风，12月至次年2月冬季时则为东北风。图8 模拟的始新世（40Ma）全球表面风

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 结论本文利用当前最先进的耦合气候模式CESM，在始新世（40Ma）古地形和大气二氧化碳浓度条件下，模拟了当时的全球气候及季风特征，可以得出如下结论：（1） 始新世时期，全球平均温度、降水量高于现今，为典型温室气候；（2） 全球存在季风，季风分布范围及强度与现代气候相当，但是区域上季风特征有明显差异；（3） 亚洲季风沿纬向分布，表现出与现今东亚季风沿经向分布的

22、不同特征；（4） 澳大利亚地处高纬，季风特征不明显；（5） 北非季风比现代强，范围大；（6） 北美和南美季风比现今弱。讨论全球季风的变化受大陆分合的“威尔逊旋回”、地球运行轨道、太阳活动周期、全球冰量（ice volume）等多种因素调控5,16。由于资料缺乏，目前的古季风研究着重探讨现代格局的季风的产生时限、发展变化及其影响因素等，对于新生代早期或“深时（Deep Time）”季风的研究很少。虽然现代季风的起源认为出现很晚，但是，季风本质上是由于行星风带的季节性偏移和海陆热力差异所引起的，而这两个因素在地质历史上一直存在，因此，季风是贯穿整个地质历史的永恒现象，只有具体某一区域的季风系统,

23、才可以谈论其形成时间和消亡历史5。本次模拟表明，在始新世这一温室时期，就有类似于现今的全球季风存在，其范围及强度与现今气候大体相当。现代气候研究表明，在当前全球变暖背景下，印度夏季季风趋于增强17，东亚夏季季风则只发生位置的偏移而不是强度的增强18。在始新世时期，出现与现今相似的全球季风是合理的。由于缺乏更精确的古地形、古植被、古二氧化碳含量等数据以及更高分辨率的模拟，目前还难以将模拟结果与地质记录进行准确对比。要弄清地质历史中全球季风的动力学机制和演变规律还需要在地质记录、数值模拟和理论分析等方面加强研究。参 考 文 献1 Ramage C. Monsoon Meteorology. Int

24、ernational Geophysics Series, Vol. 15M. Academic Press, San Diego, Calif. 1971. 2 Kutzbach J E, Gallimore R G. Pangean climates: megamonsoons of the megacontinent J. J Geophys Res, 1989, (9): 3341-3357.3 Parrish J T. Climate of the supercontinent Pangea J. J Geol, 1993, (101): 215-233.4 Chen J M, Zh

25、ao P, Wang C S, et al. Modeling East Asian climate and impacts of atmospheric CO2 concentration during the Late Cretaceous (66 Ma) J. Palaeogeogr. Palaeoclimatol. Palaeoecol. 2012, /10.1016/j.palaeo.2012.07.017. 5 汪品先. 全球季风的地质演变J. 科学通报，2009，54（5）：535-556. Wang P X. Global monsoon in

26、a geological perspective J. Chinese Sciences Bulletin, 2009, 54(5): 535-556. (In Chinese)6 Trenberth K E, Stepaniak D P, Caron J M. The global monsoon as seen through the divergent atmospheric circulation J. J Clim, 2000, (13): 3969-3993. 7 Wang B, Ding Q H. Global monsoon: Dominant mode of annual v

27、ariation in the tropics J. Dyn Atmos Ocean, 2008, (2):165-183.8 Vertenstein, M, Craig T, Middleton A, et al. CESM1.0.3 Users Guide M. NCAR. 2011.9 CESM home EB/OL. /, 2014-01-0110 Dickinson R E, Oleson K W, Bonan G, et al. The community land model and its climate statistics a

28、s a component of the community climate system model J. J. Clim. 2006, (19): 2302-2324. 11 Scotese C R. PALEOMAP project EB/OL. 2004-02-20. 12 Pearson P N, Palmer M R. Atmospheric carbon dioxide concentrations over the past 60 million years J. Nature, 2000, 406: 695-699.13 Huber M, Caballero R. The e

29、arly Eocene equable climate problem revisited J. Clim. Past Discuss. 2011, (6): 241-304.14 王晓梅，王明镇，张锡麒等. 中国晚始新世早渐新世地层孢粉组合及其古气候特征J. 地球科学中国地质大学学报，2005，30（3）：309-316. Wang X M, Wang M Z, Zhang X Q, et al. Palynology Assemblages and Paleoclimatic Character of the Late Eocene to the Early Oligocene in Ch

30、inaJ. Earth Science Journal of China University of Geosciences, 2005, 30(3): 309 -316. (In Chinese)15 Huber M. Snakes tell a torrid tale J. Nature, 2009, (457): 669-671.16 An Z S, Steven C. Shen J, et al. Glacial-Interglacial Indian Summer Monsoon Dynamics J. Science, 2011, 333(6043): 719-723. 17 Hu

31、 Z Z, Latif M, Roeckner E, et al. Intensified Asian summer monsoon and its variability in a coupled model forced by increasing greenhouse gas concentrations J. Geophys. Res. Lett., 2000, ( 27): 2681-2684.18 Li J P, Wu Z W, Jiang Z H, et al. Can global warming strengthen the East Asian summer monsoon? J. Climate, 2010, (23): 6696-6705.Global Monsoon Simulation of Eocene (40Ma) Based On Coupling Climate Model GUO Yan-you1,2, WANG Cheng-shan1, YANG Jie1, ZHANG Jian1, CAI Hui-hui 3 1. School of Earth Sciences and Res