过去500年我国汛期降水空间格局变化研究：基于气候模式和代用资料的同化

The change of the spatial pattern of precipitation in our country has an important influence on the national economy and social life. The characteristics and mechanism of spatial pattern of paleoprecipitation variability has always been an important issue to be solved urgently in the international paleoclimate research. Our preliminary study found the dominant modes of the flood season precipitation variability over the past 380 years is significantly different with the results from the instrumental precipitation research, which has provided new insights into the deep understanding of the dominant modes of the flood season precipitation variability in China. Paleoclimate data assimilation technology brings opportunities to explain this phenomenon and quantitatively study the mechanism of the dominant modes of the flood season precipitation variability in China. This project intends to take the spatial pattern of the flood season precipitation variability in China during the past 500 years as the research object, utilize the latest particle filter method and our reconstructed precipitation field to assimilate the CESM (Community Earth System Model) simulations during the past 500 years. On this basis, the spatial distribution and temporal trend of the flood season precipitation variability in China over the past 500 years are resolved. The atmospheric circulation and water vapor transportation matching with the dominant modes of precipitation variability are clarified. This project attempts to reveal the mechanism of the change of the dominant modes of the flood season precipitation variability in China under the climatic background dominated by the natural factors before the industrial revolution and provides a natural background reference for understanding the current changes of dominant modes of precipitation variability in China and projecting potential future shifts.

我国降水空间分布格局变化对国民经济和社会生活有重要影响。古降水空间格局异常变化的特征及机理一直以来是国际古气候研究中亟待解决的重要问题。我们预研究发现过去380年我国汛期降水空间格局特征与现代气候研究结果存在显著差异，对深入认识我国汛期降水空间格局演化提出了启示。古气候数据同化技术为解释这一现象，定量研究我国降水空间格局变化的机理带来了契机。本项目拟以过去500年我国汛期降水空间格局变化为研究对象，采用最新的粒子滤波方法，基于我们的汛期降水重建结果，同化通用地球系统模式（CESM）过去500年模拟结果。在此基础上，分析过去500年我国汛期降水空间分布状况和时间演变规律，阐明与汛期降水主要空间模态匹配的大气环流和水汽输送特征，尝试揭示工业革命前自然因素主导气候变化的背景下我国汛期降水空间分布格局发生改变的物理机理，为深入理解现代我国降水空间格局变化，预估未来长期变化趋势提供自然背景参考。

我国汛期降水主要以夏季风降水为主，直接影响我国大多数人口的生产与生活，其变化规律及机制是广受关注但尚未解决的重大科学问题。本项目通过东亚夏季风降水记录重建、模式模拟和数据同化研究，系统揭示了过去500年东亚夏季风环流变化规律、MIS-13阶段东亚夏季风异常强盛原因和季风降水南北一致变化模态机制。取得如下重要进展：.（1）改进了古气候重建方法-最优信号提取法，基于树轮、石笋和历史文献等23条记录，首次重建了过去500年东亚夏季风环流指数，主要反映梅雨多寡变化和我国东南地区的低层风场变化；通过与80个历史相似型对比，发现最近30年（1992-2021 CE）东亚夏季风变化振幅和趋势并未超过自然变率；揭示出东亚夏季风的年代际变化主要受到东亚-太平洋型遥相关调控。为理解过去500年季风降水变化提供了环流背景。.（2）基于地质记录表明的MIS-13阶段两半球气候不对称变化的事实，选用对东亚季风雨带模拟最好的海气耦合气候模式HadCM3，开展了北极格陵兰冰盖消融和南半球冰盖变大两种极端情景的模拟研究。发现北极格陵兰冰盖消融会引起大气环流调整，产生大尺度波列，加强东亚地区的海陆热力差异，进而导致东亚夏季风降水增加；南半球冰盖变大使南半球西风急流增强，引起绕极地深水上翻加强，导致南极中层水向北移动，大西洋经圈翻转流随之增强，引起东亚地区的海陆热力差异增强，进一步加强了东亚夏季风降水。为理解过去500年历史时期季风降水变化提供了极端场景参考。.（3）利用粒子滤波古气候数据同化方法，基于我国古降水空间集成数据，开展过去千年模拟试验CESM-LME的数据同化研究。发现我国过去500年汛期降水第一主导模态呈现东部地区南北一致变化，揭示其变化机制是：以南海为核心的印太暖池海温作为热源，强迫大气在我国东部上空形成大范围上升气流，并与来自海洋的水汽输送配合，导致东部降水普遍增多。为过去轨道-千年尺度东亚季风降水南北一致变化提供新解释。