李新周 ，劉曉東，馬紅艷

中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061

自20 世紀(jì)中期以來，地球氣候長期演變的周期性逐漸形成共識(shí)，不同時(shí)間尺度上氣候變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也被逐漸發(fā)現(xiàn)與確認(rèn)（Hays et al.，1976；Imbrie，1982）。大量來自冰芯、深海巖芯、黃土沉積物和石筍的地質(zhì)記錄表明第四紀(jì)以來地球氣候的長期演變與“米蘭科維奇氣候變化理論”是一致的，并且與100 ka 偏心率周期、41 ka 傾角周期和23 ka 歲差周期之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（Hays et al.，1976；Imbrie et al.，1992；Wang et al.，2008；Liu and Shi，2009；Cheng et al.，2016）。其中，歲差引起的太陽輻射變化對(duì)低緯度氣候尤其是季風(fēng)氣候有一定的調(diào)節(jié)作用（Liu and Shi，2009；Li et al.，2017），這值得進(jìn)一步研究。

地球氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷由單一的自然強(qiáng)迫向自然因子與人類活動(dòng)共同作用轉(zhuǎn)變的過程，人類活動(dòng)甚至可能超越自然因子而影響全球氣候變化。例如：早期的農(nóng)業(yè)活動(dòng)、第一次工業(yè)革命以及當(dāng)前工業(yè)的快速發(fā)展似乎已經(jīng)打亂了氣候運(yùn)行的自然驅(qū)動(dòng)模式（Ruddiman et al.，2020）。多數(shù)研究指出，人類活動(dòng)可能會(huì)推遲冰期的開始（王紹武，2011；Ruddiman et al.，2020），從而導(dǎo)致“超長間冰期”的出現(xiàn)（Loutre and Berger，2000；Berger and Loutre，2002；Hao et al.，2012；Ganopolski et al.，2016）。工業(yè)革命以來全球變暖的主要原因是人類活動(dòng)引起溫室氣體濃度的急劇增加，并且這種變暖在未來將持續(xù)很長一段時(shí)間，因此在進(jìn)行未來氣候預(yù)估時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)（Broecker，1975；Meinshausen et al.，2011；Guo et al.，2012；Clark et al.，2016）。

作為全球氣候系統(tǒng)變化的核心組成部分，全球季風(fēng)區(qū)氣候異常與世界70%以上人口的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)影響（An et al.，2015；Wang et al.，2020）。其中，全球季風(fēng)降水通過釋放潛熱，在驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，是全球水和能量循環(huán)的基礎(chǔ)，在地質(zhì)歷史時(shí)期、現(xiàn)代和未來均受到重視（Zhang et al.，2019；Wang et al.，2020）。同時(shí)，全球季風(fēng)區(qū)的降水變化影響著基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、糧食安全、減災(zāi)和水資源管理等，因此，預(yù)測全球季風(fēng)區(qū)降水的未來變化并了解其變化機(jī)理至關(guān)重要（Wang et al.，2020）。已有研究證實(shí)，在末次冰期-間冰期旋回中，季風(fēng)區(qū)氣候與軌道強(qiáng)迫同步變化（Yi et al.，2018）。當(dāng)前地球公轉(zhuǎn)軌道的遠(yuǎn)日點(diǎn)出現(xiàn)在7 月，因此北半球夏季（冬季）接收到的太陽輻射剛好處于當(dāng)前歲差周期的極?。O大）值，即處于歲差強(qiáng)迫最弱的時(shí)期，南半球則相反（圖1a 和1b）；而早全新世及未來10 ka 后的情況則相反，遠(yuǎn)日點(diǎn)出現(xiàn)在1 月，北半球夏季（冬季）接收到的太陽輻射達(dá)到歲差周期的極大（極小）值（Milankovitch，1941）。早全新世氣候主要受歲差的強(qiáng)迫作用，人類活動(dòng)的影響非常有限。然而，在預(yù)測未來10 ka 后的氣候變化時(shí)，不僅要考慮歲差的強(qiáng)迫作用，人類活動(dòng)的影響也不可忽視（李新周和劉曉東，2020）。

圖1 末次間冰期和當(dāng)前間冰期的自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)因子Fig. 1 Natural forcing and human activity factors during the last interglacial and current interglacial

本文以早全新世、現(xiàn)代和未來10 ka 后這三個(gè)典型時(shí)期為研究對(duì)象，探討歲差尺度上自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)對(duì)全球季風(fēng)區(qū)氣候變化的相對(duì)貢獻(xiàn)，為積累未來氣候預(yù)估的“歷史相似型”提供參考（von Deimling et al.，2008；張冉和劉曉東，2009；Giaccio et al.，2015）。值得注意的是，本文所涉及的所有人類活動(dòng)都是人為溫室氣體強(qiáng)迫。

1 數(shù)值試驗(yàn)

1.1 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

與冰期氣候相比，當(dāng)前地球氣候正處于間冰期階段，萬年尺度上主要的自然強(qiáng)迫因子是歲差引起的太陽輻射變化。根據(jù)當(dāng)前間冰期歲差參數(shù)的長期變化（圖1a，紅實(shí)線），現(xiàn)在正處于歲差強(qiáng)迫的極大值（Liu and Shi，2009）。按照冰期-間冰期旋回規(guī)律，從圖1a — 1c 給出的歲差和6 月45°N、12 月45°S 的太陽輻射變化可以看出，當(dāng)前間冰期的自然強(qiáng)迫與末次間冰期相似。因此，早全新世和未來10 ka 后這兩個(gè)時(shí)期可以與末次間冰期時(shí)段進(jìn)行“歷史相似型”對(duì)比分析（von Deimling et al.，2008；張冉和劉曉東，2009；Giaccio et al.，2015）。

溫室氣體濃度作為氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵強(qiáng)迫因子，對(duì)全球氣候長期演化具有一定的調(diào)節(jié)作用。從南極冰芯記錄（EPICA）重建的大氣溫室氣體含量變化（Lüthi et al.，2008）來看（圖1d，黑實(shí)線），末次間冰期CO2濃度從低值逐漸上升，至128 ka BP 達(dá)到最大值，之后持續(xù)下降，氣候進(jìn)入了冰期。同樣，在早全新世之前CO2濃度也由低值開始上升，在早全新世（約10.3 ka BP）達(dá)到最大值，之后開始下降直到中全新世。然而，與末次間冰期不同的是，在中全新世（約6 ka BP）CO2濃度出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)開始上升（圖1d，紅實(shí)線），這可能與早期的農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)（Ruddiman，2003；Vavrus et al.，2008；Ruddiman et al.，2020）。值得注意的是，未來很長一段時(shí)間人類活動(dòng)不可能消失（Archer and Ganopolski，2005；Meinshausen et al.，2011；Ganopolski et al.，2016），并且大氣溫室氣體濃度很難恢復(fù)到工業(yè)革命之前的水平（Eby et al.，2009；Solomon et al.，2009；Clark et al.，2016）。按照聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告（IPCC-AR5）（IPCC，2014），未來人為溫室氣體排放存在多種可能情景。其中最低排放路徑（RCP2.6）也只能保證在2300 年CO2濃度控制在360 μL · L-1左右（Meinshausen et al.，2011）；而在中排放路徑（RCP4.5）中（圖1d，紅色點(diǎn)線），CO2濃度將在2100 年達(dá)到543 μL · L-1的峰值，之后保持穩(wěn)定；在高排放路徑（RCP8.5）中（圖1d，紅色虛線），CO2濃度將在2200 年達(dá)到1961 μL · L-1的峰值，之后保持穩(wěn)定（Clark et al.，2016）。

基于上述考慮，本文利用全球海-陸-氣耦合模式分別進(jìn)行了6 組敏感性數(shù)值試驗(yàn)：早全新世（Early Holocene，簡稱EH）、現(xiàn)代（preindustrial and present day，簡稱PI 和PD）、未來10 ka 后（future with the natural forcing only、future with anthropogenic impact under medium and high emission，簡稱FN、FM 和FH）。即在之前研究的基礎(chǔ)上（李新周和劉曉東，2020），增加了高排放路徑試驗(yàn)。通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，檢查軌道尺度上全球典型季風(fēng)區(qū)對(duì)自然強(qiáng)迫和人為影響的氣候異常響應(yīng)，并進(jìn)一步探討人類活動(dòng)在未來氣候演化中的可能貢獻(xiàn)。

數(shù)值試驗(yàn)的詳細(xì)信息見表1。在FN 試驗(yàn)中，假設(shè)未來的強(qiáng)迫均為自然強(qiáng)迫，其中大氣溫室氣體濃度是參考南極冰芯記錄重建的數(shù)據(jù)（圖1d）。與FN 試驗(yàn)不同的是，F(xiàn)M 和FH 試驗(yàn)中的溫室氣體濃度均被修改為IPCC-AR5 指定的未來中、高排放路徑的穩(wěn)定值（公元2300 年后）（Meinshausen et al.，2011；IPCC，2014）。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab. 1 Experimental design

通過對(duì)比分析不同的數(shù)值試驗(yàn)，并用Student’st檢驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討軌道尺度上自然強(qiáng)迫和人類強(qiáng)迫對(duì)全球典型季風(fēng)氣候演化的相對(duì)貢獻(xiàn)。例如：軌道尺度上自然強(qiáng)迫對(duì)氣候異常的貢獻(xiàn)可以通過比較EH、PI 和FN 來確定，而當(dāng)前和未來人類活動(dòng)對(duì)氣候異常的貢獻(xiàn)可以通過比較PD、PI、FM 和FH 來探索。本文將重點(diǎn)分析不同強(qiáng)迫因子下，全球季風(fēng)區(qū)降水、地表溫度和極端降水的變化特征和形成機(jī)制，并探討自然和人類活動(dòng)對(duì)氣候的雙重影響。

1.2 數(shù)值模式簡介

使用美國大氣研究中心（NCAR）2014 年發(fā)布的通用地球系統(tǒng)模式（CESM1.2）（Hurrell et al.，2013），其主要由大氣（atm）、海冰（ice）、陸地（lnd）、河流徑流（rof）、海洋（ocn）、陸地冰（glc）和海洋（pop）這七個(gè)地球物理模型組成，再加上一個(gè)耦合器（cpl），該耦合器協(xié)調(diào)地球物理模型的時(shí)間演化，并在它們之間傳遞信息。每個(gè)模型可能有“活動(dòng)”、“數(shù)據(jù)”、“死亡”或“存根”組件版本，允許各種“即插即用”的組合。CESM1.2 中每個(gè)模塊的版本都是“活動(dòng)”。其中，大氣和陸地的水平分辨率為0.90°×1.25°，垂直方向分別有26 層和15 層；海洋和海冰的水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直方向有60 層。為了保障模擬結(jié)果的穩(wěn)定性，在前期工作的基礎(chǔ)上（李新周和劉曉東，2020），從工業(yè)革命前的初始條件開始，所有的數(shù)值試驗(yàn)均連續(xù)積分150 a，取最后20 a 的數(shù)據(jù)用于對(duì)比分析。

為了檢驗(yàn)CESM1.2 對(duì)當(dāng)前氣候態(tài)的模擬能力，本文利用1979 年至今的美國國家氣候預(yù)測中心降水資料（CPC merged analysis of precision，簡稱CMAP）（Xie and Arkin，1997）來檢驗(yàn)降水分布特征。CMAP 是一種水平分辨率為2.5°×2.5°的逐月、旬降水資料，獲取了5 種衛(wèi)星估計(jì)值（GPI、OPI、SSM / I scattering、SSM / I emission和MSU）和測量數(shù)據(jù)。圖2a 和2b 顯示了利用逐月CMAP 繪制的1980 — 2009 年的年降水和雨季降水分布特征，本文中的雨季是指北半球的5 —9 月和南半球的11 月—次年3 月。同時(shí)，圖2c 和2d 顯示了利用CESM1.2 完成的PD 試驗(yàn)中20 a的年降水和雨季降水分布特征。double-ITCZ 偏差是前幾代氣候模型中最突出的錯(cuò)誤之一（Adam et al.，2016），可能會(huì)降低基于這些模型的未來氣候預(yù)測的可靠性，但是這種偏差在CMIP3、CMIP5和CMIP6 的版本中略有減小（Fiedler et al.，2020；Tian and Dong，2020）。通過對(duì)比可以看出，除了double-ITCZ 偏差外，模擬與觀測結(jié)果基本一致。

圖2 美國國家氣候預(yù)測中心降水資料（CMAP，a、b）和CESM1.2 模擬（PD，c、d）的年降水和雨季降水分布特征Fig. 2 Distribution characteristics of annual mean and wet seasonal precipitation from CPC merged analysis of precipitation(CMAP, a, b) and CESM1.2 simulations (PD, c, d)

1.3 全球季風(fēng)區(qū)劃分

預(yù)測和了解全球季風(fēng)區(qū)的未來氣候變化及其物理機(jī)制對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、糧食安全、水資源管理和自然災(zāi)害管理至關(guān)重要（Wang et al.，2020）。傳統(tǒng)的季風(fēng)區(qū)定義主要考慮了雨季和旱季之間地表風(fēng)向的相反特征，這可能將全球季風(fēng)區(qū)主要限制在低緯度的熱帶地區(qū)（Ramage，1971）。隨著近20 a 的發(fā)展，人們逐漸對(duì)季風(fēng)區(qū)有了更深入的了解。因此，本文考慮季風(fēng)區(qū)降水對(duì)世界所有季風(fēng)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的綜合影響（Wang and Ding，2006；Wang et al.，2012），采用與雨旱季節(jié)降水相關(guān)的季風(fēng)區(qū)定義（Wang et al.，2012），即雨季減去旱季的降水率超過2.0 mm · d-1，且當(dāng)?shù)赜昙窘邓砍^全年總降水量的55%。如圖2d 給出的全球季風(fēng)區(qū)范圍（紅實(shí)線），CESM1.2 較好地展示了現(xiàn)代降水分布特征，與觀測記錄一致（Huffman et al.，1997）。此外，其還較好地再現(xiàn)了全球季風(fēng)區(qū)的分布范圍（Wang et al.，2012）：亞洲季風(fēng)區(qū)（AM）、北非和南非季風(fēng)區(qū)（NAF和SAF）、北美和南美季風(fēng)區(qū)（NAM和SAM）和澳大利亞季風(fēng)區(qū)（AUS）。其中，亞洲季風(fēng)區(qū)被進(jìn)一步劃分為3 個(gè)子季風(fēng)區(qū)：東亞季風(fēng)區(qū)（EA）、印度季風(fēng)區(qū)（IN）和北太平洋西部季風(fēng)區(qū)（WNP）。

2 降水季節(jié)變化

季風(fēng)區(qū)的季節(jié)性降水分布極不均勻，其年降水量完全受雨季控制。圖3 給出了6 組數(shù)值試驗(yàn)輸出的全球季風(fēng)區(qū)降水日變化序列，CESM1.2 較好地模擬了全球季風(fēng)區(qū)降水的日變化特征。北半球季風(fēng)區(qū)如AM、NAF 和NAM 的降水主要集中在5 — 9 月，而南半球季風(fēng)區(qū)如SAF、SAM 和AUS則相反，這些結(jié)果表明利用降水定義的季風(fēng)區(qū)能較好地反映全球大多數(shù)季風(fēng)區(qū)的特征。通過對(duì)比6組試驗(yàn)結(jié)果可知，太陽輻射強(qiáng)迫和溫室氣體強(qiáng)迫引起的降水變化主要集中在雨季，而旱季的變化相對(duì)較弱。此外，除了NAM 外，其他5 個(gè)季風(fēng)區(qū)在FH 試驗(yàn)的降水最大，而且在雨季尤為明顯，并且在所有試驗(yàn)中，F(xiàn)N 和PI 試驗(yàn)的降水率最低。

圖3 全球季風(fēng)區(qū)降水率的年循環(huán)Fig. 3 Annual cycle of precipitation rate in global monsoon regions

根據(jù)IPCC-AR5 報(bào)告，在人類活動(dòng)的影響下，到21 世紀(jì)末全球季風(fēng)面積、季風(fēng)強(qiáng)度和降水可能或很可能增加（Hsu et al.，2013；Christensen et al.，2019）。圖4 顯示了雨季和旱季降水差異的分布。相對(duì)于PI 試驗(yàn)來說，EH 試驗(yàn)中的AM 略向北和向西擴(kuò)張，NAF 也略向北擴(kuò)張。并且EH 試驗(yàn)中北半球季風(fēng)區(qū)的降水也略強(qiáng)于PI 試驗(yàn)，而南半球的SAF 和SAM 則相反，這可能與早全新世北半球雨季較高的太陽輻射有關(guān)（圖1b 和1c）。在PD 和FN 試驗(yàn)中，降水差異的分布與PI 試驗(yàn)相似。關(guān)于自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)對(duì)季風(fēng)區(qū)范圍的影響，未來應(yīng)加強(qiáng)更高分辨率的觀測記錄和數(shù)值模擬。

圖4 雨季和旱季的降水差異Fig. 4 Differences between wet and dry seasonal precipitation

3 自然和人類強(qiáng)迫對(duì)降水的影響

3.1 雨季降水

不同強(qiáng)迫因子可引起全球雨季降水的異常。圖5 顯示了相對(duì)于PI 試驗(yàn)全球雨季降水差異的水平分布特征。與PI 試驗(yàn)相比，由于夏季太陽輻射較高，在EH 試驗(yàn)中歐亞大陸和北非地區(qū)的降水顯著增加，北美大陸的降水減少，而NAM 的降水顯著增加；由于南半球的太陽輻射較低，雨季降水減少（圖5a）。根據(jù)圖5b，現(xiàn)代人類活動(dòng)對(duì)全球雨季降水的影響相對(duì)較弱。類似于EH 試驗(yàn)，與PI 試驗(yàn)相比，未來10 ka 后自然強(qiáng)迫導(dǎo)致的降水在北半球普遍增加，其中NAF 和NAM 的降水差異通過0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)，而AM 僅有EA 的降水差異顯著（圖5c）。在中、高排放路徑（FM和FH 試驗(yàn)）中，未來10 ka 后幾乎所有區(qū)域的降水都在增加（圖5d 和5e）。其中，在FM 試驗(yàn)中，除了NAM 和AUS 北部外，其他季風(fēng)區(qū)的降水均顯著增加，并通過0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)；在FH 試驗(yàn)中，只有NAM 的降水相對(duì)于PI 試驗(yàn)減弱，其他5 個(gè)季風(fēng)區(qū)的降水均顯著增加。FM 和FN 的差異更適合用來解釋人類活動(dòng)的影響，其結(jié)果（圖5f）表明人類活動(dòng)引起的溫室氣體濃度增加是除NAM 外所有季風(fēng)區(qū)降水增加的主要原因。中全新世和未來氣候情景RCP8.5 試驗(yàn)也得出了相同的結(jié)論（D’Agostino et al.，2019；D’Agostino et al.，2020）。而NAM 降水減少也與溫室氣體增溫效應(yīng)引起的類厄爾尼諾變暖有關(guān)（Wang et al.，2020）。

圖5 雨季降水的差異Fig. 5 Differences in wet seasonal precipitation

6 個(gè)主要季風(fēng)區(qū)和3 個(gè)子季風(fēng)區(qū)的雨季降水柱狀圖進(jìn)一步證實(shí)了不同強(qiáng)迫因子驅(qū)動(dòng)下的降水異常特征（圖6a）。在所有季風(fēng)區(qū)中，IN 的降水最大，約為7.5 mm · d-1，NAF 的降水最小，約為5 mm · d-1。EH 試驗(yàn)中軌道強(qiáng)迫引起的太陽輻射增加導(dǎo)致AM、NAF、NAM 和AUS 的降水相對(duì)于PI 試驗(yàn)增加，SAF 和SAM 的降水相對(duì)于PI 試驗(yàn)減少。在未來10 ka 后，自然強(qiáng)迫將具有相似的特征，但略有差異，北半球季風(fēng)區(qū)降水增加，而南半球降水減少，并且人類活動(dòng)將導(dǎo)致除NAM 外幾乎所有季風(fēng)區(qū)的降水相對(duì)于PI 試驗(yàn)增加，溫室氣體濃度的增加也將進(jìn)一步加劇降水。在AM 的子季風(fēng)區(qū)中，自然強(qiáng)迫在早全新世和未來10 ka 后對(duì)WNP 的影響較弱，EA 和IN 的降水與北半球其他季風(fēng)區(qū)相似，隨著太陽輻射的增加而增加。在未來10 ka 后，人類活動(dòng)引起的降水異常在3 個(gè)子季風(fēng)區(qū)具有相同的特征，降水都將隨著溫室氣體濃度的增加而增加。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：在未來10 ka 后，AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 在自然強(qiáng)迫下的降水相對(duì)于PI 試驗(yàn)將發(fā)生輕微變化，分別為- 0.05 mm · d-1、- 0.93 mm · d-1、0.41 mm · d-1、- 0.28 mm · d-1、- 0.30 mm · d-1和- 0.47 mm · d-1；FM試驗(yàn)的降水總體呈增加趨勢(shì)，相對(duì)于PI 試驗(yàn)的變化分別為0.62 mm · d-1、1.05 mm · d-1、0.15 mm · d-1、- 0.02 mm · d-1、0.15 mm · d-1、- 0.03 mm · d-1；FH試驗(yàn)的變化分別為1.08 mm · d-1、1.32 mm · d-1、- 0.86 mm · d-1、0.33 mm · d-1、1.93 mm · d-1和0.54 mm · d-1。

圖6 雨季降水（a）、強(qiáng)降水（b，R95p）和R95p 的貢獻(xiàn)百分比（c）Fig. 6 Wet seasonal precipitation (a), heavy precipitation(b, R95p) and contribution percentage (c) of R95p

3.2 極端降水

極端事件異常是氣候預(yù)測中的一個(gè)關(guān)鍵問題（Freychet et al.，2015；Kim et al.，2020），在全球季風(fēng)區(qū)尤為重要，洪澇和干旱事件會(huì)影響全球三分之二人口的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展（Wang et al.，2020）。本文將強(qiáng)降水定義為雨季第95%位的日降水量（R95p），并計(jì)算其對(duì)雨季降水的貢獻(xiàn)率（圖6b 和6c），來分析不同強(qiáng)迫因子下季風(fēng)區(qū)極端降水的變化特征。從圖6b 可以看出：EA 和NAF 的區(qū)域平均R95p約為120 mm，包括WNP 和IN 在內(nèi)的AM 約為190 mm，南半球約為160 mm。在自然強(qiáng)迫和人為干擾作用下，不同季風(fēng)區(qū)R95p的變化也表現(xiàn)出不同的特征，其中的一個(gè)顯著特征是，除NAM 外所有季風(fēng)區(qū)R95p最高的是FM 和FH 試驗(yàn)，最低的是EH 和FN 試驗(yàn)。通過對(duì)比自然強(qiáng)迫和人類干擾，人類活動(dòng)似乎顯著增加了季風(fēng)區(qū)的R95p，R95p占季風(fēng)區(qū)雨季降水的15%左右，在EA 和SAM 中所占比例相對(duì)較低，約為13%，而在WNP、IN 和AUS 中占17%以上。進(jìn)一步比較分析不同強(qiáng)迫因子下R95p對(duì)雨季降水的貢獻(xiàn)（圖6c），發(fā)現(xiàn)所有季風(fēng)區(qū)R95p在EH、PI、PD 和FN 試驗(yàn)中基本相等，但在FM 和FH 試驗(yàn)中顯著增加，也就是說人類活動(dòng)增強(qiáng)可能會(huì)提高R95p的貢獻(xiàn)率。由此可見，自然強(qiáng)迫對(duì)全球季風(fēng)區(qū)極端降水的影響較弱，而人類活動(dòng)可能會(huì)增加雨季降水中極端降水的比例。

3.3 地表溫度和蒸發(fā)

地表溫度是影響地表能量平衡的關(guān)鍵因素，在季風(fēng)區(qū)水汽交換中起著重要作用。在早全新世和未來10 ka 后，雨季太陽輻射導(dǎo)致北半球地表偏暖，南半球地表偏冷（圖1 和圖7）。然而，由人類活動(dòng)引起的溫室氣體濃度增加導(dǎo)致了全球地表增溫，且陸地增溫高于海洋。在PD 試驗(yàn)中，溫室氣體濃度增加可以使全球平均地表溫度升高1.02 K，這與觀測記錄一致（Siegmund et al.，2020）。從圖7 還可以發(fā)現(xiàn)，地表增溫在高緯度地區(qū)比在低緯度地區(qū)更嚴(yán)重，在陸地上空比在海洋上空更嚴(yán)重。季風(fēng)區(qū)雨季地表溫度柱狀圖（圖8a）顯示全球季風(fēng)區(qū)雨季平均溫度接近300 K，只有EA 的平均溫度略低于其他季風(fēng)區(qū)，主要是由于EA 位于副熱帶地區(qū)，而其他季風(fēng)區(qū)靠近赤道。所有季風(fēng)區(qū)都表現(xiàn)出一個(gè)共同特征，在自然強(qiáng)迫條件下，早全新世和未來10 ka 后的雨季地表溫度與工業(yè)革命前相當(dāng)，現(xiàn)代人類活動(dòng)可使季風(fēng)區(qū)溫度升高0.94 — 1.43 K，其中WNP 最低（0.94 K），EA最高（1.43 K）。在未來10 ka 后，自然強(qiáng)迫下AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 的地表溫度相對(duì)于PI 試驗(yàn)的差值分別為- 0.18 K、- 0.36 K、0.11 K、- 0.92 K、- 0.43 K 和- 0.94 K，表明大部分季風(fēng)區(qū)在自然強(qiáng)迫下有變冷的趨勢(shì)。綜合考慮人類活動(dòng)后結(jié)果則相反，AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 的地表溫度將分別升高2.13 K、2.23 K、2.42 K、1.53 K、1.55 K、1.49 K，似乎在當(dāng)前政策提出的全球年平均增溫1.5 — 2 K 控溫線的范圍內(nèi)（Schleussner et al.，2016）。但如果不控制人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放，地表溫度將分別升高6.17 K、7.14 K、6.52 K、6.45 K、5.08 K 和6.45 K。

圖7 雨季地表溫度異常Fig. 7 Wet seasonal surface temperature anomalies

圖8 雨季地表溫度（a）和地表蒸發(fā)量（b）Fig. 8 Wet season surface temperature (a) and surface evaporation (b)

地表蒸發(fā)量是全球氣候變化中水文循環(huán)和水量轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，也是水資源規(guī)劃和利用中的關(guān)鍵問題，特別是在人口相對(duì)密集的全球季風(fēng)區(qū)。蒸發(fā)異常與太陽輻射、地表溫度、風(fēng)速、降水和氣溶膠等因素密切相關(guān)。圖8b 顯示的地表蒸發(fā)并不完全受地表溫度控制，自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)對(duì)地表蒸發(fā)量的影響較小。相對(duì)于PI 試驗(yàn)，EH 試驗(yàn)中地表蒸發(fā)量在AM 減少最大（- 0.28 mm · d-1），在NAF 增加最大（0.27 mm · d-1），在其他地區(qū)變化較小。在FH 試驗(yàn)中，WNP、NAF 和AUS 的地表蒸發(fā)量相對(duì)于PI 試驗(yàn)分別增加了0.37 mm · d-1、0.32 mm · d-1和0.34 mm · d-1，而其他區(qū)域基本保持不變。區(qū)域蒸發(fā)量的變化將導(dǎo)致水文資源的異常（Xie et al.，2020）。

3.4 大氣有效降水（P - E）

計(jì)算大氣有效降水（降水減去蒸發(fā)，P-E）及其異常，結(jié)果如圖9 所示。在自然強(qiáng)迫下，EH和FN 試驗(yàn)中AM、NAF 和NAM 雨季的大氣有效降水增加，其中AM 和NAF 通過了0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)；相反，南半球三個(gè)季風(fēng)區(qū)的大氣有效降水減少（圖9a 和9c）。從圖9b 可以看出：現(xiàn)代人類活動(dòng)可以引起中低緯度地區(qū)雨季大氣有效降水增加，但是僅有SAM 通過了0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)。在未來10 ka 后，綜合考慮自然和人為強(qiáng)迫，除NAM 外的季風(fēng)區(qū)大氣有效降水將增加，且在高排放路徑下增加更為明顯（圖9d 和9e）。NAM 的大氣有效降水與其他季風(fēng)區(qū)不同，可能主要與增溫背景下的類厄爾尼諾變暖有關(guān)（Wang et al.，2020）。

圖9 雨季降水減去蒸發(fā)的異常（P - E）Fig. 9 Differences in wet seasonal precipitation minus evaporation (P - E)

綜合考慮降水和蒸發(fā)，在早全新世和未來10 ka后，相對(duì)于PI 試驗(yàn)，北半球所有季風(fēng)區(qū)的大氣有效降水差異（Δ(P-E)）均增加，南半球所有季風(fēng)區(qū)的Δ(P-E)均減少（圖10）。在自然強(qiáng)迫作用下，AM 的子季風(fēng)區(qū)EA 和IN 的Δ(P-E)增加，WNP 的減少。在EH 試驗(yàn)中，IN 和NAF 的Δ(P-E) 分別為 0.60 mm · d-1和 1.54 mm · d-1，只有IN 通過了顯著性檢驗(yàn)。未來10 ka 后，人類活動(dòng)將增加除NAM 外所有季風(fēng)區(qū)的Δ(P-E)，并且溫室氣體濃度越高，Δ(P-E)越大。WNP 在高排放路徑下Δ(P-E)的下降可能與地表蒸發(fā)量較高有關(guān)（圖8b），AM 和NAF 的Δ(P-E) 對(duì)自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)更為敏感。未來10 ka 后，中等排放路徑下IN、AM 和NAF 的Δ(P-E)分別為0.91 mm · d-1、0.60 mm · d-1和0.82 mm · d-1，高排放路徑下EA、IN、AM、NAF、SAF、AUS 和SAM的Δ(P-E)分別為0.79 mm · d-1、1.59 mm · d-1、0.95 mm · d-1、0.99 mm · d-1、0.33 mm · d-1、1.59 mm · d-1和0.75 mm · d-1，WNP 的變化較小（0.04 mm · d-1），NAM 的為負(fù)值（-1.03 mm · d-1）。在歲差尺度上，自然強(qiáng)迫下北半球的大氣有效降水對(duì)太陽輻射較為敏感，而所有季風(fēng)區(qū)對(duì)人類活動(dòng)都較為敏感。因此，人類活動(dòng)在未來氣候預(yù)估中具有至關(guān)重要的意義。

圖10 降水減去蒸發(fā)（a）及其與工業(yè)革命前的差異（b）Fig. 10 Precipitation minus evaporation (a) and its difference from the pre-industrial (b)

為了分析自然強(qiáng)迫和人為因子對(duì)大氣有效降水的調(diào)控機(jī)制，本文利用水汽收支公式：Δ(P-E)=ΔDY+ ΔTH+ ΔRes，分別計(jì)算了影響Δ(P-E)各個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)的貢獻(xiàn)率（Trenberth and Guillemot，1995）。其中：ΔDY為動(dòng)力項(xiàng)，與大尺度大氣環(huán)流密切相關(guān)；ΔTH為熱力項(xiàng)，主要由大氣相對(duì)濕度的變化決定，與溫度變化密切相關(guān)；ΔRes為殘余項(xiàng)，主要與地表狀況、瞬變渦流以及其他非線性項(xiàng)有關(guān)。

圖11 給出了Δ(P-E)、ΔDY、ΔTH和ΔRes的變化。在自然強(qiáng)迫下，由于大氣環(huán)流增強(qiáng)，Δ(P-E)被動(dòng)力項(xiàng)控制（Xie et al.，2020），ΔDY在早全新世EA、AM、NAF、NAM、AUS 和未來10 ka后EA、NAF、NAM 的貢獻(xiàn)率均在50% 以上，而ΔTH的貢獻(xiàn)率則相對(duì)較低，甚至為負(fù)值（如EA）。在當(dāng)前人類活動(dòng)的背景下，所有季風(fēng)區(qū)熱力項(xiàng)的貢獻(xiàn)較大，動(dòng)力項(xiàng)的貢獻(xiàn)次之，殘余項(xiàng)在大部分季風(fēng)區(qū)出現(xiàn)負(fù)值，抑制了Δ(P-E)的增加。未來在人類活動(dòng)的影響下，除了NAM 外所有季風(fēng)區(qū)的Δ(P-E)將顯著增加，除了EA 和NAF 的ΔDY和ΔTH的貢獻(xiàn)相當(dāng)外， 其他季風(fēng)區(qū)ΔTH對(duì)Δ(P-E)的貢獻(xiàn)均大于ΔDY。值得注意的是，在人類活動(dòng)不受控制的FH 試驗(yàn)中，所有季風(fēng)區(qū)ΔTH對(duì)Δ(P-E)的貢獻(xiàn)都較高，這與前人的試驗(yàn)結(jié)果一致（D’Agostino et al.，2019；D’Agostino et al.，2020）；相反，高排放路徑下部分季風(fēng)區(qū)如WNP、IN、AM、NAM 和SAF 中ΔDY的貢獻(xiàn)為負(fù)?？偟膩碚f，在軌道尺度上，人類活動(dòng)通過熱力項(xiàng)增加大氣有效濕度，促進(jìn)了全球季風(fēng)區(qū)Δ(P-E)的增加，而自然強(qiáng)迫主要通過動(dòng)力項(xiàng)改變大氣環(huán)流來影響降水。

圖11 降水減去蒸發(fā)（Δ(P - E)）、動(dòng)力項(xiàng)（ΔDY）、熱力項(xiàng)（ΔTH）和殘余項(xiàng)（ΔRes）的異常Fig. 11 Anomalies of precipitation minus evaporation (Δ(P - E)), the dynamic term (ΔDY), the thermodynamic term (ΔTH),and the residual term (ΔRes)

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了全球季風(fēng)區(qū)在早全新世、現(xiàn)代和未來10 ka 后的雨季降水異常現(xiàn)象。通過對(duì)6 組敏感性數(shù)值試驗(yàn)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論（詳見表2）：

表2 降水（P）、強(qiáng)降水（R95p）和大氣有效降水（降水減去蒸發(fā)，P - E）相對(duì)于工業(yè)革命前的比率Tab. 2 Percentages of precipitation (P), heavy precipitation (R95p), and atmospheric effective precipitation(precipitation minus evaporation, P - E) relative to the pre-industrial

（1）在自然強(qiáng)迫下，與工業(yè)革命前相比，未來10 ka 后的雨季降水在北半球季風(fēng)區(qū)增加，而在南半球減少。

（2）現(xiàn)代人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體濃度增加可使所有季風(fēng)區(qū)的降水增加，如亞洲和南美季風(fēng)區(qū)分別增加25.32%和27.37%，均通過了0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)。高排放路徑下，季風(fēng)區(qū)降水變化進(jìn)一步增強(qiáng)，各季風(fēng)區(qū)的降水均顯著增加。

（3）未來人類活動(dòng)將增加極端降水對(duì)總降水的貢獻(xiàn)。在自然強(qiáng)迫下，R95p在早全新世和未來10 ka 后的不同季風(fēng)區(qū)之間沒有明顯的變化。在未來10 ka 后，人類活動(dòng)將導(dǎo)致全球季風(fēng)區(qū)的R95p顯著增加，高排放路徑下東亞、北太平洋西部、印度、亞洲、北非、南非和澳大利亞季風(fēng)區(qū)的R95p將分別增加39.18%、28.02%、39.81%、41.19%、55.50%、26.16%和42.44%，這些均通過了0.01 信度的顯著性檢驗(yàn)。

（4）大氣有效降水相對(duì)于工業(yè)革命前的變化（Δ(P-E)）能更好地反映自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)在軌道尺度上的貢獻(xiàn)。在自然強(qiáng)迫下，Δ(P-E)在大多數(shù)季風(fēng)區(qū)增加。綜合考慮自然和人為強(qiáng)迫，未來10 ka 后Δ(P-E)將在除北美以外的所有季風(fēng)區(qū)顯著增加。進(jìn)一步分析表明：自然強(qiáng)迫作用下季風(fēng)區(qū)Δ(P-E)的增加主要是動(dòng)力作用引起大氣環(huán)流增強(qiáng)所致；未來在考慮自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)的影響下，Δ(P-E)的增加主要是由于熱力作用引起大氣水汽含量增加所致。

5 展望

本文主要目的是研究軌道尺度上人類活動(dòng)對(duì)全球季風(fēng)氣候變化的貢獻(xiàn)。根據(jù)米蘭科維奇和冰期-間冰期旋回理論，未來10 ka 后北半球夏季的太陽輻射將低于早全新世，并且自然溫室氣體的濃度也將低于工業(yè)革命前的水平。敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明大部分季風(fēng)區(qū)的地表溫度和降水將下降，這與冰期-間冰期100 ka 的旋回理論一致，預(yù)示著下一個(gè)冰期的到來（Kukla et al.，1972；王紹武，2011）。

結(jié)合自然強(qiáng)迫和人類活動(dòng)的影響，未來10 ka后地表溫度將顯著升高，熱力作用的增強(qiáng)將導(dǎo)致全球季風(fēng)區(qū)的降水顯著增加。本文僅疊加了溫室氣體中、高排放路徑來模擬未來10 ka 后的氣候，這些試驗(yàn)完全是在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上理想化的，可能會(huì)與未來的事實(shí)相沖突。為了更好地理解軌道強(qiáng)迫和溫室氣體強(qiáng)迫是如何相互作用的，更好的方法是設(shè)計(jì)更理想的敏感性實(shí)驗(yàn)，并允許不同強(qiáng)迫的影響可以被分隔開來。此外，人類活動(dòng)很可能在未來發(fā)生重大變化，如氣溶膠（Xie et al.，2020）、地表植被（Notaro et al.，2011）、土地利用和土地覆蓋變化（LULCC，Kim et al.，2017）以及未來的能源使用政策（IPCC，2014）將產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。因此，利用PMIP 集成模擬，并綜合考慮多種因素對(duì)進(jìn)一步研究未來氣候變化具有重要意義。