上一个间冰期期间，由于岁差作用导致中国东部夏季降水主导模式的转变

《Quaternary Science Reviews》：Precession-induced regime shift of summer precipitation leading modes over eastern China across the last interglacial

　　东亚夏季风在135-115ka期间存在长期减弱趋势，本研究通过1°分辨率的瞬态气候模拟发现，东中国夏季降水主导模式在预cession极小（127ka）到极大（116ka）转变过程中发生两次转换：第一主导模式由单极型转为偶极型，第二主导模式由偶极型转为三极型。这种转变由纬向大气环流南移驱动，而环流减弱则源于夏季太阳辐射减少。研究揭示了长期季风减弱与短期降水模式叠加变化特征，为解读东亚生态文明演变提供气候机制支持。

　　

姜楠轩|严青|马洁华

中国科学院大气物理研究所气候变化研究中心，北京，中国

摘要

已经明确，东亚夏季季风在从岁差最小值（Pmin）向最大值（Pmax）过渡期间经历了长期减弱，但在这种减弱趋势的基础上，十年/年际时间尺度上的主要季风降水模式如何变化仍然未知，这主要是由于代理指标分布分散且分辨率较低所致。为了解决这一问题，我们进行了约1°分辨率的全球气候模拟，时间跨度为130–115千年，涵盖了从Pmin（约127千年）到Pmax（约116千年）的过渡期。我们发现，在Pmin到Pmax的过渡期间，中国东部夏季降水的第一主导模式从单极模式转变为双极模式，而第二主导模式则从双极模式转变为三极模式。降水模式的变化受到十年/年际时间尺度上回归大气环流系统向南移动的影响，而这些环流系统的变化又受到夏季太阳辐射减少导致的东亚夏季季风长期减弱的影响。这揭示了在东亚夏季季风长期减弱背景下发生的十年/年际干旱-洪水变化，有助于理解轨道变化如何逐步重组短期降水变化，并为Pmin到Pmax过渡期间东亚地区的生态文明演变提供见解。

引言

东亚夏季季风（EASM）的一个持续关注点是，鉴于其对早期人类迁徙和生物多样性的重要影响（Ao等人，2024年），它在轨道尺度上的变化情况如何。在地球的轨道参数中，岁差在调节EASM演变中的关键作用受到了广泛关注，因为岁差主导了低纬度地区的太阳辐射变化，并且占夏季30°N地区辐射变化的96%（刘和史，2009年）。许多重建研究表明，EASM从岁差最小值（Pmin）减弱到最大值（Pmax），对应于北半球夏季太阳辐射的减少（程等人，2016年；王等人，2008年）。数值模拟进一步证实了这一点，表明Pmin到Pmax过渡期间EASM的减弱与陆地比海洋更强烈的冷却密切相关（即陆地-海洋温差减弱），这是由于太阳辐射减少所致（吕和尹，2022年；谢和刘，2023年）。

随着EASM从Pmin向Pmax的减弱，中国不同纬度的季风降水表现出不同的变化趋势，而不是均匀变化（安等人，2001年；姜等人，2024年；文等人，2024年；周等人，2022年，2023年）。在这种长期降水趋势的基础上，降水模式（通常通过经验正交函数分解获得）在十年/年际尺度上决定了中国东部的干旱和洪水模式（丁等人，2013年），这对东亚生态文明的演变有显著影响（阿德金斯等人，2023年；徐等人，2021年；尹等人，2024年）。然而，由于代理指标分布分散且时间分辨率较低，Pmin到Pmax期间降水模式的变化仍然难以捉摸。因此，提出了一个科学问题：在十年/年际时间尺度上，中国东部的降水模式是如何演变的？回答这个问题有助于我们了解轨道变化如何逐步重组短期降水变化，并为高时间分辨率代理指标的解释提供见解。

岁差在约127千年达到最小值，在约116千年达到最大值，涵盖了上一个间冰期（LIG，130–115千年）的完整半个岁差周期（Berger，1978年）。因此，LIG为研究Pmin到Pmax过渡期间中国东部降水模式的变化提供了理想的窗口（姚等人，2024年）。127–115千年期间，全球气候从温暖的间冰期转变为寒冷的冰期，表现为北半球逐渐冷却，海冰和极地冰盖扩张（Sommers等人，2021年；Vermassen等人，2023年）。多项研究表明，LIG期间EASM减弱（程等人，2016年；郭等人，2022年；王等人，2008年；袁等人，2004年），这一现象也得到了 transient模拟的验证（姜等人，2024年）。然而，由于降水代理指标的分辨率相对较低且空间分布有限，重建LIG期间的降水模式仍然具有挑战性。另一方面，从建模角度来看，EASM变化对中国东部降水模式的影响仍不充分，部分原因是现有 transient 模拟中使用了轨道加速技术，且模型本身的复杂性中等（Bakker等人，2013年，2014年；Govin等人，2014年；李等人，2013年；Sommers等人，2021年；Varma等人，2016年；尹等人，2021年）。

为了填补地质证据和数值模拟之间的空白，我们进行了约1°分辨率的全球气候模拟，时间跨度为130–115千年（详见方法部分）。我们的结果揭示了Pmin到Pmax过渡期间中国东部降水模式的转变，第一主导模式从单极模式转变为双极模式，第二主导模式从双极模式转变为三极模式。降水模式的变化最终受到EASM长期减弱的影响，这是由于5月至7月期间入射太阳辐射的减少所致。我们的结果揭示了在EASM长期演变背景下，十年/年际时间尺度上的干旱和洪水模式，从而为Pmin到Pmax过渡期间东亚地区的生态文明演变提供了见解。

部分内容

模型和实验设置

在这项研究中，我们将Jiang等人（2024年）针对LIG进行的Transient Global Climate Simulation（TGCS-LIG）的时间范围从130千年扩展到130–115千年，以覆盖从岁差最小值到最大值的过渡期。TGCS-LIG实验使用的是Community Earth System Model（CESM）版本1.2.2，分辨率为f09_g16（即约1°水平分辨率），且未使用轨道加速技术。我们使用Linux集群超级计算机上的384个核心来进行TGCS-LIG实验。

Pmin到Pmax过渡期间中国东部的降水模式

根据针对LIG的Transient Global Climate Simulation（TGCS-LIG）的结果（详见方法部分），我们发现Pmin到Pmax过渡期间（即约127千年到116千年），中国东部夏季的主要降水模式发生了变化（见图2）。具体来说，通过经验正交函数（EOF）分析，我们发现Pmin（127–126千年）期间中国东部夏季降水的第一主导模式是单极模式，随后发生了变化

结论与讨论

基于覆盖130–115千年的TGCS-LIG实验，我们的结果表明，在Pmin到Pmax过渡期间，中国东部的降水模式发生了变化，第一主导模式从单极模式转变为双极模式，第二主导模式从双极模式转变为三极模式。降水模式的变化受到十年/年际时间尺度上回归大气环流系统向南移动的影响

作者贡献

姜楠轩：概念提出、方法设计、数据收集、初稿撰写、审稿与编辑。严青：监督、审稿与编辑。马洁华：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFF0807904）、中国博士后科学基金会（2024M763209）、CPSF博士后奖学金计划（GZC20250189）以及CAS青年创新促进协会（严Q）的支持。