【中国科学报】陈发虎团队20年研究成果
“西风模态”诠释我国气候“跷跷板”现象

日期: 2019-05-14 阅读: 来源: 关键词:

百年至年代际尺度“西风模态”形成机制示意图  兰州大学供图

        ■本报记者 刘晓倩

陈发虎认为,研究能为干旱区未来的生态恢复和环境整治提供科学支撑。比如,在自然因素占主导地位时期,了解西北干旱区不同水热条件下植被状况,就可以明确生态修复的基线。在开展环境整治时避免盲目,真正实现“宜林则林、宜草则草、宜荒则荒”。同时,通过研究人类影响下的水资源和生态系统的变化,还能为“一带一路”倡议的顺利实施提供对水安全、粮食安全、生态安全的科学支撑。

与传统的中国东部“南涝北旱”/“北涝南旱”类似,在中纬度亚洲也存在着“西湿东干”/“西干东湿”的气候变化“跷跷板”现象。近日,兰州大学西部环境教育部重点实验室陈发虎院士团队创造性地提出了专属亚洲中部干旱区气候变化规律的“西风模态”及其形成的物理机制,为上述气候现象作出了科学诠释。

该研究使我国气候环境空间分异的认识从“静态”上升到“动态”层面,为干旱区未来的生态恢复和环境整治、“一带一路”倡议的实施提供科学支撑。研究成果近日发表于国际地学顶级期刊《地球科学评论》。

集成万年以来湿度演变序列

亚洲中部干旱区,以我国西北干旱区、中亚干旱区为主体,主要受西风环流的控制,近一万年以来,该地区存在与季风区气候变化显著不同的模态,即“西风模态”。论文通讯作者、中国科学院院士陈发虎表示,团队从发现亚洲中部干旱区气候变化与季风区不同,提出“西风模态”理论框架,到解释该区域气候变化物理机制,整整历经20年。

在气候变化学界,关于季风及其气候效应的研究比较早,季风变化模式已基本形成共识。研究认为,在早全新世(距今1万年到8000年),东亚季风区(以我国华北地区为主体)较为湿润;在中全新世(距今5000年左右),东亚季风区最为湿润;而晚全新世(近2000年以来),季风区趋于干旱。

1996年,陈发虎在研究干旱区气候变化时,发现该区域湿度演变过程可能具有特殊性;随着研究的不断推进,团队开始思考亚洲中部干旱区是否存在与季风区不一致的气候变化模态。

2008年,团队在我国最大内陆淡水湖(博斯腾湖)等地开展古环境重建,整合了亚洲中部干旱区12个高质量的湖泊记录,集成了一条11500年以来分辨率达到200年的湿度演变序列,从而发现研究区早全新世以干旱气候为特征,而中晚全新世则相对湿润,与季风区变化存在显著差异,并据此提出了全新世气候变化“西风模态”理论框架。

研究多尺度气候变化时空

论文共同第一作者,团队成员、兰州大学资源环境学院教授陈建徽告诉《中国科学报》,此后,团队在亚洲中部干旱区基于湖泊记录开展了过去千年来分辨率达到10年的水文气候变化研究。

他们发现,与之前的中世纪暖期(公元1000到1300年)相比,干旱区在小冰期(公元1400到1900年)相对更为湿润,而季风区则相对干旱。

随后,团队又利用现代观测资料及树轮重建过去数百年的干旱指数,发现近几十年来季风区降水和湿度在减少,而干旱区降水和湿度在增加。因此,从百年到年代际尺度来看,季风区与干旱区的湿度和降水变化相反。

为什么在百年到年代际尺度,季风区与干旱区湿度和降水变化相反,而在更长的千年尺度却仅仅表现为不同步?

论文共同第一作者,团队成员、兰州大学资源环境学院教授黄伟对《中国科学报》说,2015年,基于现代气候背景,团队划分出了“西风模态”核心区的空间范围,剔除了季风边缘区的干扰。

他们以核心区内新疆天山北坡和伊犁河谷黄土—古土壤剖面为地质载体,重建了核心区全新世以来的干旱区湿度变化过程。结果发现,全新世早期气候干旱,到距今6000年左右突然变湿润,在晚全新世变得更加湿润。这完善了“西风模态”全新世气候变化特征。

提出“西风模态”物理形成机制

2010年前后,团队开始思考一个新的问题:亚洲中部干旱区气候为什么有这样的变化?为什么会这样变化?如果不是太阳辐射驱动季风变化所致,这种变化是由什么驱动的?

团队成员、教授靳立亚通过数值模拟实验,发现早全新世夏季太阳辐射较高,导致夏季温度升高,进而副热带高压向北移动,造成“西风模态”核心区降水减少。同时,早全新世夏季太阳辐射高也会导致西风减弱,进而导致“西风模态”核心区降水减少。与此对应,早全新世冬季太阳辐射低,温度降低,上游洋面蒸发减弱,水汽减少,同时低太阳辐射导致西风减弱,两者共同作用也导致“西风模态”核心区降水减少。研究结论揭示了在全新世亚轨道尺度(数千年的变化)上,“西风模态”形成的物理机制。

黄伟介绍,在百年到年代际尺度上,由于受北半球中纬度环流异常的影响,在印度季风偏弱的情况下,来自阿拉伯海的水汽可以输送到中国干旱地区,使得这些地区降水增多,从而造成了新疆气候环境向暖湿转型;而华北地区同时也受到印度季风影响,当印度季风减弱,水汽减少,降水就减少了。

“原来学界认为中国西北干旱区的降水主要由西风控制,但我们研究发现,来自印度洋的水汽对西北降水也有重要影响。”黄伟说,不仅如此,在百年到年代际尺度上,除了早被人们熟知的“南涝北旱”外,其实中国的湿度和降水存在一个“三极子”的有趣现象,即当我国西北地区相对湿润时,华北地区会变干旱,东南会变得湿润;而当西北地区干旱时,华北地区会变湿润,东南地区则相对干旱。

为干旱区环境整治提供科学支撑

对于亚洲中部干旱区未来气候变化,陈建徽表示,虽然目前干旱区的气候偏暖、偏湿,但在更长时间尺度上,若无人类活动干扰,温暖的气候会导致该区域总体更为干旱。伴随着海陆热力差异的增大,季风区降水可能会增加。然而,考虑到人类活动对气候系统的影响方式和程度仍存在较大的不确定性,要实现准确的预测还需要进一步工作。

黄伟认为,在全球变暖加剧的背景下,水循环加剧,蒸发加强。从全球角度看,降水普遍增加。对于湿度来说,不仅关乎降水,还涉及蒸发。在人类影响下的中纬度亚洲气候环境变化,是否仍存在“西风模态”,值得进一步深入研究。

陈发虎表示,此项研究成果推动了我国气候环境空间分异的认识从“静态”上升到“动态”层面,实现了空间思想指导下,对古气候学和全球变化科学的丰富和发展。

他强调,研究还能为干旱区未来的生态恢复和环境整治提供科学支撑。比如,在自然因素占主导地位时期,了解西北干旱区不同水热条件下植被状况,就可以明确生态修复的基线。在开展环境整治时避免盲目,真正实现“宜林则林、宜草则草、宜荒则荒”。

同时,通过研究人类影响下的水资源和生态系统的变化,还能为“一带一路”倡议的顺利实施提供对水安全、粮食安全、生态安全的科学支撑。

相关论文信息:

DOI:10.1016/j.earscirev.2019.03.005

(《中国科学报》 2019年5月14日 第7版 生态环境)

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编辑:法伊莎

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