中上新世热带气旋特征及其气候反馈作用的模拟研究

Geological evidence and numerical simulations consistently show global warming in the mid-Pliocene (~3 Ma) with a northward expansion of evergreen coniferous forest and retreated polar ice sheets. However, large discrepancies also exist between model results and geological evidence, particularly in anomaly pattern of sea surface temperature over the tropical Pacific, magnitude of warming over the sub-polar North Atlantic, and East Asian winter monsoon. Solving the model-data gap lays the foundation for investigating the forcing mechanisms responsible for mid-Pliocene climate change. Previous studies show that tropical cyclone not only passively responds to climate change, but also affects oceanic heat transport and global climate via accelerating oceanic vertical mixing. However, the existed mid-Pliocene simulations adopt relatively low-resolution climate model and cannot resolve tropical cyclone directly. Meanwhile, ocean vertical mixing in climate model is fixed to present-day level. Therefore, the tropical cyclone feedback associated with ocean vertical mixing is not considered in these simulations, which may be an important source for the model-data gap. Using an ultra-high resolution atmospheric model together with coupled global climate model, we plan to study tropical cyclone and its climatic feedback in the mid-Pliocene, and further explore the role of tropical cyclone feedback in reducing the mid-Pliocene model-data discrepancy.

地质记录和数值模拟一致表明中上新世（约3百万年前）全球普遍增温、常绿针叶林向北扩张以及极地冰盖退缩，但模拟和记录在热带太平洋海温分布型、次极地北大西洋增温幅度和东亚冬季风等方面却存在较大的分歧。研究上述分歧产生的原因是深入辨析中上新世气候变化驱动机制的科学基础，具有重要的研究价值。部分研究工作表明热带气旋不仅仅被动地响应气候变化，而且可加强海洋垂直混合，影响海洋热输送，影响全球气候，具有明显的气候反馈效应。但是，已有中上新世模拟研究所采用的气候模式分辨率较粗，无法直接刻画热带气旋，并且模式中海洋垂直混合固定不变，故未能考虑热带气旋的气候反馈作用。由此，我们推测造成中上新世模拟和记录之间分歧的可能原因之一是气候模式中缺乏热带气旋的气候反馈机制。因此，本项目拟利用超高分辨率大气模式结合全球耦合模式，研究中上新世热带气旋演变特征及其气候反馈效应，并探讨其在减小模拟和记录之间分歧的可能作用。

热带气旋不仅被动地响应气候变化，而且可通过加强海洋垂直混合，影响海洋热输送和全球气候，具有明显的气候反馈效应。研究过去热带气旋的演变是理解现代及未来热带气旋变化的重要科学基础，也对科学解释地质记录和深入认识地球气候具有重要意义。本项目基于数值模拟和地质证据，研究了中上新世暖期及其他关键地质时期热带气旋的格局变化及机制，探讨了热带气旋变化对ENSO和东亚气候的潜在影响，主要研究成果包括：1）揭示了新生代全球热带气旋的格局演化及机理，提出现代热带气旋空间格局形成于晚中新世-晚上新世之间；2）发现中上新世热带气旋强度增加、位置向极移动，阐明了热带气旋活动增强的气候反馈作用，证实了考虑热带气旋的反馈作用可以减小数据和模式间的分歧；3）揭示了上新世轨道参数变化可以通过影响大气热力结构和大气环流系统进而显著调控热带气旋活动；4）揭示了末次间冰期北大西洋热带气旋显著西移并加强，调和了该时期热带气旋代用指标解译的争议；5）揭示了末次盛冰期以来热带气旋的时空特征，阐明了不同外强迫对热带气旋的影响机制。在本项目为第一、二资助下，共发表学术论文9篇，其中SCI论文8篇（含National Science Review和Nature Communications各一篇）。