地球科学进展, 2020, 35(1): 18-25 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.005

综述与评述

过去千年中国年代和百年尺度冷暖阶段的干湿格局变化研究

郝志新,1,2, 吴茂炜1, 张学珍1,2, 刘洋1, 郑景云,1,2

1.中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室,北京 100101

2.中国科学院大学,北京 100049

An Overview on Changes of Dry/Wet Pattern in China in Decadal to Centennial Warm and Cold Periods During the Past Millennium

Hao Zhixin,1,2, Wu Maowei1, Zhang Xuezhen1,2, Liu Yang1, Zheng Jingyun,1,2

1.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 郑景云(1966-),男,福建莆田人,研究员,主要从事气候变化研究. E-mail:zhengjy@igsnrr.ac.cn

收稿日期: 2019-09-09   修回日期: 2019-12-15   网络出版日期: 2020-02-27

基金资助: 国家重点研发计划项目“代用指标物理意义与数据挖掘及共享技术研究”.  2017YFA0603301
国家自然科学基金项目“中世纪暖期与小冰期中国东部年代际干湿格局差异及其机制研究”.  41831174

Corresponding authors: Zheng Jingyun (1966-), male, Putian City, Fujian Province, Professor. Research areas include climate change. E-mail:zhengjy@igsnrr.ac.cn

Received: 2019-09-09   Revised: 2019-12-15   Online: 2020-02-27

作者简介 About authors

郝志新(1975-),女,内蒙古赤峰人,研究员,主要从事气候变化研究.E-mail:haozx@igsnrr.ac.cn

HaoZhixin(1975-),female,ChifengCity,InnerMongoliaAutonomousRegion,Professor.Researchareasincludeclimatechange.E-mail:haozx@igsnrr.ac.cn

摘要

揭示过去千年旱涝格局的多尺度变化特征,是近年气候变化研究的一个“热点”问题,对理解、预估未来气候增暖背景下的降水变化时空差异具有重要价值。依据已发表文献,对过去千年中国冷暖与干湿格局变化的多尺度配置特征进行了总结梳理与对比分析。主要结论是:尽管在过去千年,不同冷暖阶段的中国干湿格局存在差异;但集合平均显示,无论年代还是百年尺度的温暖时段,中国东部干湿均大致呈自南向北的“旱(华南)—涝(长江中下游)—旱(黄淮地区)”分布格局;而在相对寒冷时段,则主要呈东湿西干的东西分异格局;气候由寒冷转为温暖可能会导致黄淮地区相对转干,江南地区(特别是湘、赣流域)相对转湿。这表明:在当前气候增暖背景下,中国东部自20世纪70年代以来发生的“南涝北旱”格局可能是过去千年温暖与干湿格局变化配置特征的重现。然而从更长尺度的阶段差异看,中世纪气候异常期中国干湿大致呈“西部干旱—半干旱区偏干、西南—华北—东北偏湿、东南又偏干”的特征,小冰期则反之。这既说明现有重建结果尚存在不确定性,也表明中国干湿格局对不同尺度冷暖变化配置的关系可能极为复杂。

关键词: 过去千年 ; 中国 ; 冷暖波动 ; 干湿格局 ; 多尺度变化

Abstract

Revealing the multi-scale variation characteristics of the drought/flood patterns for the past millennium has been a hot spot in climate change research in recent years. It has significance for understanding and predicting the temporal and spatial differences of precipitation changes in the context of future climate warming. Based on publications on the peer-reviewed journals, here, we summarized and compared the combinations between cold/warm periods and dry/wet spatial patterns at multi-scales in China over the past millennium. The main conclusions are: although there are differences in China's dry/wet patterns in different cold and warm periods for the past millennium, the ensemble mean shows that the dry/wet patterns in eastern China in decadal or centennial warm periods are approximately "dry (South China)-wet (middle and lower reaches of the Yangtze River)-dry (Huanghuai Area)" from south to north, while in the relatively cold periods it mainly shows a "wet in east and dry in west" pattern. The climate changes from cold to warm usually lead to a drying trend in the Huanghuai Area, and a wetting trend in the Jiangnan area (especially the Yangtze River basin in Hunan and Jiangxi provinces). This shows that the "flood in south and drought in north" pattern in eastern China since the 1970s under the background of global warming may be a re-occurrence of the matching characteristics of cold/warm climate and dry/wet patterns in China for the past millennium. However, from the perspective of the longer-scale cold and warm stages, the dry/wet pattern in China tend to be "dry in the arid and semi-arid areas in western China; wet in southwestern, northern, and northeastern China; and dry in southeastern China" in the Medieval Climate Anomaly, and an opposite pattern shows in the Little Ice Age. It suggests that there are still uncertainties in the current climate reconstructions, and it also shows that the mechanism of dry/wet pattern responding to multi-scale temperature fluctuations might be extremely complicated.

Keywords: Past millennium ; China ; Temperature fluctuation ; Dry/wet pattern ; Multi-scale changes

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本文引用格式

郝志新, 吴茂炜, 张学珍, 刘洋, 郑景云. 过去千年中国年代和百年尺度冷暖阶段的干湿格局变化研究. 地球科学进展[J], 2020, 35(1): 18-25 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.005

Hao Zhixin, Wu Maowei, Zhang Xuezhen, Liu Yang, Zheng Jingyun. An Overview on Changes of Dry/Wet Pattern in China in Decadal to Centennial Warm and Cold Periods During the Past Millennium. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(1): 18-25 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.005

1 引 言

揭示过去千年旱涝格局的多尺度变化特征,是近年气候变化研究的一个“热点”问题,对理解、预估未来气候增暖背景下的降水变化时空差异具有重要价值[1]。IPCC评估认为:随着全球增暖,1901年以来北半球中纬度陆地区域平均降水虽在总体上呈现增加趋势(其中1951年之前为中等信度,之后为高信度),但却存在显著的区域差异。其中北美、欧洲、亚洲北部和中部等大部分地区降水增加;亚洲东部、南部和地中海周边等大部分地区降水则减少,并出现了程度更强、持续时间更长的干旱事件[2]

中国地处北半球的东亚地区,境内地理环境复杂,季风、干旱、高寒等气候类型并存;且有丰富、连续的历史气象记录,这些记录定年准确、气候意义明确;还有树轮、冰芯、石笋和湖泊沉积等多种自然代用证据。利用中国历史文献的气象记载,我国学者编制了《中国近五百年旱涝分布图集》[3],划分了过去千年中国东中部地区旱涝型[4,5],分析了过去500年冷暖年代的干旱型差异[6]。此后,又整编了经、史、子、集和清代、民国档案等史料中的气象记载,重建了过去2 000年东中部地区63个站[7]的逐年旱涝等级序列以及近1 000年华北与长江下游6个区域(河北、山西、黄河下游、河南、江淮及苏杭)的干湿等级序列[8];揭示了中国过去2 000年干湿变化的基本特征[9];并在文献资料匮乏的地区,利用树轮重建了数百个地点(区)的降水(或干湿指数、亚洲季风干旱指数)序列[10,11,12,13],利用石笋、冰芯、湖泊沉积等证据研究部分区域千年干湿的长期变化过程及阶段性差异;同时,也对过去千年中国干湿变化的主要特征进行了科学评估[14,15,16]。特别是近年,集成利用多种代用资料的干湿及降水变化重建结果,开展了中世纪气候异常期与小冰期、百年冷暖阶段、冷暖年代以及太阳黑子极大期、极小期等的干湿格局差异等问题研究,取得了许多新成果[17,18,19],但至今未对这些成果进行综合分析和评估。为此,本文拟对上述进展进行系统总结与评估,以期揭示中国冷暖与干湿格局变化的多尺度配置特征及复杂性,为进一步理解中国降水变化格局对未来全球增暖的可能响应提供历史数据参考,并为国家相关内容的评估报告提供参考。

2 中世纪气候异常期和小冰期的干湿格局差异

中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly, MCA;以往常称为“中世纪暖期”)和小冰期(Little Ice Age, LIA)是地球气候变化史上距今最近的2个长达数百年的典型温暖和寒冷气候阶段,目前多认为其起讫时间分别为950—1250年(MCA)和1450—1850年(LIA),但世界各地的出现时段不尽一致[2]。根据对近500年(1470—1977年)旱涝史料分析,结合1470年以前的历史旱涝记载及1951年以来的降水观测资料,王绍武等[4,5]将950年以来中国东部地区逐年降水多寡分布大致划分为6种旱涝型(表1);而后又据此建立了过去千年(1000—1999年)中国东部季风区的夏季多雨带位置变化年表[20]

表1   公元950年以来中国东部旱涝型的降水多寡分布特征[4,5]

Table 1  Precipitation distribution of different drought/flood patterns in eastern China since 950[4,5]

旱涝型降水多寡分布旱涝型降水多寡分布
1a全区多雨,中心在长江流域3长江流域少雨,江南、江北多雨
1b长江流域多雨,华南、华北少雨4江南少雨、江北多雨
2江南多雨、江北少雨5全区少雨

注:早期降水型划分中将“长江流域多雨”记为1型,参考文献[4]中为区分1型中长江流域两侧多雨和少雨的情况,又进一步将1型拆分 为1a型和1b

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统计对比MCA和LIA的各种旱涝型频率差异(表2)显示:MCA和LIA间发生频率差异最大的旱涝型为全区多雨(1a型)和全区少雨(5型),其中MCA期间全区多雨(1a型)的发生频率较LIA低29.0%,但全区少雨(5型)的发生频率却较LIA高22.4%。其次为江南多雨、江北少雨(2型)和江南少雨、江北多雨(4型);MCA期间江南多雨、江北少雨(2型)的发生频率较LIA高6.6%,而江南少雨、江北多雨(4型)的发生频率却较LIA低9.2%。仅长江流域多雨但华南、华北少雨(1b型)和长江流域少雨但江南、江北多雨(3型)在MCA和LIA期间的发生频率基本接近。此外, 20世纪暖期的旱涝型发生频率也显示:中国东部更易出现全区性干旱却较少发生全区性多雨。这表明:暖期中国东部更易出现全区性干旱与南涝北旱特征;而冷期则更易出现全区性多雨与南旱北涝特征[5,20]

表2   中世纪气候异常期、小冰期和20世纪中国东部旱涝型发生频率及其与千年平均的对比据参考文献[5,20]修改

Table 2  Frequencies of different drought/flood patterns in eastern China during the MCA, LIA, the 20th century, and the past millennium (modified after references [5, 20])

时间段

旱涝型

1a1b2345总年数/a
950—1249年0.130(39)0.153(46)0.243(73)0.187(56)0.167(50)0.120(36)300
1450—1849年0.183(73)0.148(59)0.228(91)0.193(77)0.153(61)0.098(39)400
1550—1849年0.193(58)0.157(47)0.207(62)0.183(55)0.170(51)0.090(27)300
1900—2005年0.094(10)0.160(17)0.189(20)0.189(20)0.170 (18)0.198(21)106
950—1999年0.164(172)0.144(151)0.230(241)0.186(195)0.172(181)0.105(110)1 050

注:旱涝型含义见表1。括号中的数字为各类旱涝型出现年数;为便于对比,MCA(950—1250年)和LIA(1450—1850年)的统计时段分别舍去1250年和1850年,LIA也同时给出其中1550—1849年的结果,使其可与MCA在相同时长内进行对比

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然而,从MCA和LIA两个阶段的干湿格局总体差异看,综合整理中国及周边地区的湖泊沉积(如孢粉组合、有机碳/无机碳含量、粒度等)、石笋氧同位素(δ18O)、树轮宽度及树轮δ18O、冰芯积累量及冰芯δD、泥炭沉积物与历史旱涝记录等71条干湿/降水代用指标序列的阶段变化对比分析却显示:在1000—1300年(代表MCA)相对温暖阶段,中国东部季风区(105ºE以东)大致以34ºN为界呈“东南干,西南、华北、东北湿”的特征,西部干旱—半干旱区总体偏干(图1a);而在1400—1900年(代表LIA)相对寒冷阶段,东部季风区则是西南、华北、东北干,东南湿,西部干旱—半干旱区总体偏湿(图1b)[21]。同时,国际古气候模拟比较计划(Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase III, PMIP3)中9个模式模拟结果的中值也显示,相对于850—1850年的千年平均状况,LIA(1450—1850年)期间中国大部分地区的降水均微弱减少,其中长江中下游和华北地区的夏季减少最为显著(图1c)。其主要原因可能是在LIA期间,由于夏季大陆的降温幅度大于海洋,导致海—陆气压差减少使得夏季风变弱、季风区降水减少[22]。这与上述“LIA更易出现全区性多雨与南旱北涝”的结果并不一致。这主要是由于不同研究使用不同类型的代用资料,且不同代用资料指示干湿变化的时间尺度不同所致。而这也同时说明:现有关于MCA和LIA两个阶段期间中国干湿格局差异的研究认识尚存在不确定性,仍需开展进一步研究予以辨识。

图1

图1   中世纪气候异常期(a)和小冰期(b, c)的干湿格局[21,22]

(a)、(b)中每个点代表一条干湿/降水代用指标序列,每条序列若在统计时段内超过2/3的年份数大于(小于)中值则记为“干(湿)”,超过1/2但小于2/3的年份数大于(小于)中值则记为“偏干(偏湿)”;(c)9个PMIP3模式(BCC-CSM1-1、 CCSM4、 CSIRO-Mk3L-1-2、 FGOALS-s2、 GISS-E2-R-p121、 HadCM3、 IPSL-CM5A-LR、 MPI-ESM-P、 MRI-CGCM3)模拟的LIA期间平均夏季降水距平(以850—1850年的平均状态为基准)的中值分布格局

Fig.1   Dry/wet patterns during the MCA (a) and LIA (b, c)[21,22]

Each dot in (a) and (b) represents a proxy series for dry-wet/precipitation. A dot is classified as dry (or wet) if the index is greater (or less) than its median in more than 2/3 of the time in a given period, and classified as moderately dry (or moderately wet) if the index is greater (or less) than its median in more than 1/2 but less than 2/3 of the time in a given period; (c) The summer precipitation anomalies during the LIA relative to 850-1850 derived from the median of the nine PMIP3 models (BCC-CSM1-1, CCSM4, CSIRO-Mk3L-1-2, FGOALS-s2, GISS-E2-R-p121, HadCM3, IPSL-CM5A-LR, MPI-ESM-P, MRI-CGCM3)


3 百年尺度冷暖时段的干湿格局差异

利用过去2 000年中国东中部地区63个站的干湿等级资料[7],结合过去2 000年中国温度变化序列[23],郑景云等[24]重建了5个寒冷百年时段(440—540年、780—920年、1390—1460年、1600—1700年、1800—1900年)和4个温暖百年(650—750年、1000—1100年、1190—1290年、1900—2000年)的中国东中部干湿格局(图2)。对比分析发现:在百年尺度上,各个寒冷、温暖百年的干湿格局各不相同,其间的配置关系复杂多样[25]。其中在4个温暖百年的干湿格局分别为:650—750年,西北东部干,黄河中下游地区湿,江淮流域干,长江以南地区湿(图2a);1000—1100年,105°E以东地区自南向北大致呈“湿(江南及西南东部)—干(28°~37°N的大部分地区)—湿(河北和山西大部)”分布,105°E以西则南北皆干(图2b);1190—1290年,大体以30°N为界呈“北干—南湿”分布,但江南西部偏干、汉水流域偏湿(图2c);1900—2000年,自南向北大致呈纬向分布,华南偏干,长江以南湿,淮河流域及华北平原偏干,西北东部偏湿(图2d)。而在5个寒冷时段中,440—540年,黄河上游至江南北部干,江淮至华北平原湿(图2e);780—920年,大致呈自东南至西北的“干—湿—干”带状分布,西北和东南(但江南中西部为湿)地区干,二者之间的华北平原、长江中游地区湿(图2f);1390—1460年,大致以115°E为界,呈西干—东湿分布,但总体以干为主,其中湿仅分布在陕西北部、华北平原(除山东西部及河南南部外)和东南地区(图2g);1600—1700年,自东至西大致呈“东干—中湿(110°E两侧地区)—西干”带状分布,但东部的江南地区偏湿(图2h);1800—1900年,总体偏湿,仅贵州、汉水流域和华北的局部地区偏干(图2i)。

图2

图2   过去2 000 年中4个温暖百年(a~d)和5个寒冷百年(e~i)的中国东中部干湿格局分布

阴影区表示异常值达到90%以上显著性水平;数据引自参考文献[24,25]

Fig.2   Drought/flood patterns for central-eastern China in the four warm periods (a~d) and the five cold periods (e~i) during the past 2 000 years

Shaded area passed 90% confidence level, and data are extracted from the references [24,25]


不过,从整体上看仍可发现:在4个温暖百年,长江以北的大部分地区偏干、以南的大部分地区偏湿;这与王绍武等[5,20]得到的“MCA期间中国东部更易南涝北旱”的结果相似。对冷、暖时段计算集合平均(即将5个冷时段和4个暖时段的旱涝格局分别平均)的结果显示:寒冷时段中国东部干湿大致呈自东向西带状分布,其中115°E以东湿、以西则干湿相间;而温暖百年,则呈自南向北的带状分布,25°N以南地区干、25°~30°N湿、30°N以北地区干,但黄土高原地区湿(图3a,b)。冷、暖时段干湿格局对比(图3c)显示,气候由寒冷转为温暖可能会导致华北地区干旱与湘、赣流域雨涝几率同时增加。

图3

图3   重建的5个寒冷百年(a)和4个温暖百年(b)中国东部干湿格局的集合平均及其空间差异(c

具体时段参见图2;阴影区表示达90%显著性水平;数据引自参考文献[25]

Fig.3   The ensemble mean of drought/flood patterns in the five cold periods (a) and the four warm periods (b) and their difference (c)

The time periods are shown in Fig.2. Shaded area passed 90% confidence level. Data are extracted from the reference [25]


4 冷暖年代的干湿格局差异

利用《中国近五百年旱涝分布图集》的旱涝等级资料,郑斯中[6]研究了1471—1970年冷、暖年代的旱涝等级差异。结果发现:冷的年代总体呈西干东湿;其中太行山至秦岭以西地区和西南地区均偏干,干旱中心位于河套地区;东部地区总体偏湿,多雨中心分别位于黄河下游、长江中下游和东南沿海地区(图4a)。而暖的年代,则是华北大部、长江中下游及东南沿海地区均偏旱,长江上游与中南地区偏湿,京、津及河北中北部和宁夏平原相对偏湿(图4b)。冷、暖年代旱涝等级的差值(图4c)显示:气候由冷转暖会导致黄淮平原转干,江南、华北北部及110°E以西的区域转湿。

图4

图4   14711970年冷、暖年代的中国干湿格局差异

(a)寒冷年代的平均旱涝等级;(b)温暖年代的平均旱涝等级;(c)冷、暖年代平均旱涝等级差值;“D”代表“干”,“W”代表“湿”;数据引自参考文献[6]

Fig.4   Dry/wet patterns and their differences in the cold and warm decades during 1471-1970

(a) The averaged dry/wet grade in cold decades, (b) The averaged dry/wet grade in warm decades, and (c) their difference. "D" indicates dry, and "W" indicates wet. Data are extracted from reference [6]


此外,结合中国东中部地区48个站的旱涝等级资料及中西部地区的22个干湿变化代用序列(包括石笋δ18O、树轮宽度、冰芯积累量、湖泊沉积物的孢粉组合或有机碳、碳酸盐含量变化等),重建的691—720年(隋唐暖期的暖峰)、1231—1260年(MCA的暖峰)、1741—1770年(LIA的暖峰)、1921—1950年(20世纪增暖过程中的第1个暖峰)和1981—2000年(20世纪的最暖时段)等5个暖峰时段的干湿格局也显示:暖期中的4个暖峰(691—720年、1231—1260年、1921—1950年和1981—2000年),黄淮平原以干旱为主要特征,且长江以南地区相对偏湿;但LIA中出现的暖峰(1741—1770年),中国东部相对偏涝[26]。这一特征与1471—1970年的冷、暖年代干湿格局基本一致。

5 结论与讨论

上述已有研究表明:尽管过去千年中国干湿格局与冷暖变化存在多种组合关系,且存在不确定性;但从集合平均看:无论年代还是百年尺度,在相对温暖时段,中国东中部干湿均大致呈自南向北的“旱(华南)—涝(长江中下游)—旱(黄淮地区)”分布格局;而在相对寒冷时段,中国干湿则呈东西分异格局,其中在百年尺度,大致以115°E为界,呈“东部偏湿—中西部干湿相间分布”特征;在年代尺度上,则大致以110°E为界,呈“东湿—西干”特征;气候由寒冷转为温暖可能会导致黄淮地区相对转干,江南地区(特别是湘、赣流域)相对转湿。这种特征与自20世纪70年代以来因东亚夏季风减弱而致的“南涝北旱”特征极为相似,也表明:在气候增暖背景下中国东部自20世纪70年代以来所发生的“南涝北旱”可能是过去千年中国冷暖与干湿格局变化配置型(即年代和百年尺度自然变率)的重现。

已有大量诊断研究[27,28,29]显示:虽然在中国东部自20世纪70年代以来所发生的“南涝北旱”格局中,可检测出温室效应增强和气溶胶强迫等人类活动的作用[30];但这一格局变化仍主要受控于太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)的位相转变和北大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO)等自然变率的影响。其主要联系机理如下:当PDO处于暖位相时,赤道中东太平洋海温偏高,中纬度西太平洋海温偏低,太平洋中、东部海平面气压降低;使太平洋暖池区上空出现西风距平,削弱了东亚夏季风[29]。同时,在亚洲—太平洋上空500 hPa位势高度场出现显著的南北反相模态,北太平洋上空气压降低,热带亚热带太平洋上空气压增高;导致北太平洋上空的850 hPa风场出现“气旋式”异常,对应华北上空出现西北风距平,中国南部出现西南风距平;因而导致华北降水减少、南方增多,形成“南涝北旱”特征。反之,当PDO处于冷位相时,则会形成“南旱北涝”格局。当AMO位于暖位相,北半球500 hPa位势高度场向东传播的波列增强,北太平洋上空高压增强,对应华北上空出现西南风距平(类似PDO冷位相时的环流场配置,但异常幅度仅为一半左右),导致华北降水增加;相反,在AMO冷位相时则会在北太平洋上空催生出一个异常低压(类似PDO暖位相所出现的异常,但幅度仅为其1/4);导致中国出现“南涝北旱”特征[28]

应该指出的是:在过去千年,不同冷暖阶段的中国干湿格局实际上并不一致,干湿格局对冷暖变化的响应无稳定的对应关系。特别是集成多种代用资料的分析结果显示:中国干湿格局在1000—1300年相对温暖阶段呈“西部干旱—半干旱区偏干、西南—华北—东北偏湿、东南又偏干”特征,在1400—1900年相对寒冷阶段呈“西部干旱—半干旱区偏湿、西南—华北—东北偏干、东南偏湿”格局;这与上述在年代和百年尺度冷暖时段的集合平均结果是不同的。虽然这可能与因不同代用资料指示干湿变化的时间尺度不同所致的重建结果不确定性有关,但也反映出中国干湿格局对不同尺度冷暖变化响应的复杂性,需要今后开展进一步研究。此外,本文除了LIA和MCA两个时期采用了涵盖中国全境的代用资料外,其他对比均主要采用了中国东部地区的代用资料,因此对不同时段中国西部旱涝特征的认识仍需获取更多干湿重建序列的支撑。

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