基于大气随机动力学的米兰科维奇周期形成机理研究

Milankovitch cycle is the key timescale describing the alternate variation of the glacial and interglacial period in the orbital timescale. It is an important scientific problem to understanding the formation mechanism of the cycle. Based on the theory of stochastic resonance, from the perspective of atmospheric stochastic dynamics and global scale, this project is to simulate the formation mechanism of Milankovitch cycle. The research contents include: 1) On the basis of the existing two-dimensional energy balance model, a new two-dimensional seasonal energy balance model is built to describe the bistable states of the glacial and interglacial period in the climate system; 2) Taking this new model as the simulation tool, after introducing the 100kyr, 40kyr and 20kyr cycle of the solar radiation and the corresponding stochastic perturbation in solar radiation and internal climate system, using the Monte Carlo method, the formation mechanism of the three Milankovitch cycles is simulated and analyzed one by one within the framework of stochastic dynamics; 3) Considering the three solar radiation cycles and the corresponding internal and external stochastic perturbation of climate system comprehensively, the formation mechanism of the orbital-scale climate change in the past nearly a million years is analyzed with the stochastic dynamics simulation method. This study is a further expansion of the Milankovitch theory, and is contributed to a better understanding on the importance of the solar radiation components in orbital-scale climate change.

米兰科维奇周期是轨道时间尺度上冰期-间冰期交替变化的关键时间尺度，深入认识该周期形成机理是十分重要的科学问题。本项目以随机共振理论为基础，从大气随机动力学角度和全球尺度，对米兰科维奇周期的形成机理进行模拟研究。研究内容包括：1）以现有二维能量平衡模式为基础，构建能描述气候系统冰期-间冰期双稳状态，能反映季节变化的新的二维能量平衡模式；2）以该模式为工具，分别引入太阳辐射10万、4万和2万年周期变化量，以及相应的太阳辐射和气候系统内部随机扰动量，采用Monte Carlo方法，对三个米兰科维奇周期的形成机理逐一进行随机动力学模拟分析；3）在综合考虑三种太阳辐射周期变化及相应气候系统内、外部随机扰动的情况下，对近百万年来轨道尺度气候变化形成机理进行随机动力学模拟。本研究是对米兰科维奇理论的进一步拓展，有助于深入认识太阳辐射各分量在轨道尺度气候变化过程中的重要性。

本项目针对零维能量平衡模式进行了随机动力学模拟，在Benzi有关随机共振研究的基础上推进了一步，将气候系统的内部过程和外强迫扰动因子分别加以考虑，分析了其对气候系统的相对贡献率，证明了太阳辐射随机扰动的重要性。并引入更复杂的一维（纬度）能量平衡模式。一维能量平衡模式能够同时描述变量时间和空间的变化，只有这样才能对影响气候变化的非太阳辐射随机扰动量的作用进行更为具体准确的分析讨论。在辐射能量和湍流热量输送相平衡所推导出的一维能量平衡模式基础上，加入了时间变化项，得到温度变化的方程及相应的初始条件和边界条件。其中，初始条件由辐射能量和湍流热量输送相平衡时的模式方程解出。并对一维能量平衡的理论模式进行求解分析，将理想反照率模型与气候系统的地质证据和观测事实相结合，构建了新的反照率模型，并将其引入能量平衡模式，用以描述近百万年来的冰期、间冰期旋回特征。在同时考虑太阳辐射周期变化和各种随机扰动的情况下进行的模拟研究表明，单纯地依靠太阳辐射随机扰动并不能使气候系统产生随机共振现象，还需要同时考虑气候系统内部过程中各种扰动因子的随机动力学影响，才能解释气候变化的米兰科维奇周期问题；尽管如此，太阳辐射随机扰动仍然对随机共振的发生有着至关重要的作用。