GRL丨轨道尺度东亚冬季风变化的纬度依赖性研究取得进展

来源：中科院地球环境研究所

东亚冬季风是东亚气候系统的重要组成部分，不同时间尺度的东亚冬季风变动对我国以及整个东亚地区冬季的气候和环境变化都具有重要的影响。大量地质证据表明，在地球轨道变化的时间尺度上东亚冬季风演变具有显著的周期性特征，但不同纬度地区的变化特征存在明显差异。中纬度黄土高原黄土粒度记录的冬季风具有显著的准10万年周期，而低纬度南海地区的冬季风记录显示出显著的准2万年周期。东亚冬季风轨道尺度变化的纬度依赖性现象及其物理成因一直是东亚古环境变化研究中一个悬而未决的问题。

近日，中科院地球环境研究所博士研究生谢小训及其导师刘晓东研究员等基于气候模式的长期瞬变模拟在轨道尺度东亚冬季风变化的纬度依赖性研究方面取得了新的进展。通过分析过去30万年以来分别考虑不同因子的瞬变模拟试验，发现轨道尺度日射强迫和北半球高纬度冰盖对东亚冬季风的影响区域不同，因而使不同纬度上轨道尺度东亚冬季风变化表现出不同的主导周期。在包含日射、温室气体和冰盖变化的全强迫试验中东亚北方的冬季风具有显著的10万年周期，而南方的冬季风具有显著的2.3万年的周期（图1）。然而，在仅考虑地球轨道参数变化引起的日射强迫试验中，东亚北方与南方地区的冬季风均以2.3万年的周期为主导。可见，岁差引起的日射强迫准2万年的周期性变化始终作用于东亚南方地区，但具有10万年周期的高纬冰盖消长主要引起东亚北方地区的冬季风变化。所以，正是由于轨道尺度日射和冰盖的共同强迫导致了东亚冬季风变化的纬度依赖性。

深入分析表明，日射与冰盖对东亚冬季风影响的物理机制不同。当岁差引起的北半球冬季日射减弱（增强）时，造成东亚南方大陆上的温度降低（升高）明显大于临近西太平洋地区的温度变化，由此增强（减弱）了纬向的海陆热力对比，进而增强（减弱）东亚南方地区的冬季风（图2a和2b）；而在冰期-间冰期循环过程中，冰期时极地冰盖，特别是北美冰盖的扩张，导致冰盖上空产生强盛的反气旋性环流异常，从而在北太平洋激发出巨大的气旋式环流异常，增强了阿留申低压，进而加强东亚北方地区的冬季风，间冰期时的情况相反（图2c和2d）。

该成果在线发表于《Geophysical Research Letters》期刊上（Xie et al. 2019. A transient modeling study of the latitude dependence of East Asian winter monsoon variations on orbital time-scales. Geophysical Research Letters. doi:10.1029/2019GL083060）。该研究得到国家自然科学基金项目(41690115、41572150)和中国科学院战略性先导科技专项(XDA20070103)的联合资助。

图1. 全强迫试验中东亚地区5个纬度带冬季风指数的时间序列(a)及其功率谱(b)这里东亚区域指25-50°N, 105-125°E；冬季风指数以850 hPa平均的经向风速表征

图2. 12个岁差周期合成的北半球冬季低日射与高日射时期北半球冬季地面气温场差（阴影）和850 hPa风场差（风矢）：(a) 纯日射强迫试验，(b)全强迫试验；全强迫试验中最近2个冰期旋回合成的高冰量与低冰量时期北半球冬季位势高度场差（阴影）与风场差（风矢）（即冰期减去间冰期）：(c) 600hPa，(d) 850hPa