《地学前缘（中国地质大学（北京）; 北京大学）》：古气候数值模拟——进展评述（中国科学院：丁仲礼、熊尚发）

第13卷第1期 地学前缘（中国地质大学（北京）：北京大学) Vol.13 No.I 2006年1月 Earth Science Frontiers (China University of Geosciences ,Beijing;Peking University) Jan.2006 古气候数值模拟：进展评述 丁仲礼，熊尚发 中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029 DIN G Zhong-li,XION G Shang fa Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences.Beijing 100029.China DING Zhongli,XIONG Shangfa.Numerical modeling in paleoclimate study:Progress and problems.Earth Science Fron- tiers,2006,13(1):021-031 Abstract Numerical modeling is one of the most powerful tools in resolving various issues associated with pa- leoclimate research.In the last decades,a wide spectrum of numerical modeling experiments has provided im- portant insights into the mechanisms of driving climate changes on different timescales.On the orbital times- cale,modeling experiments have demonstrated the first-order importance of variations in latitudinal and seasom al distribution of insolation in forcing glacial-interglacial climate changes and recognized most of the significant feedback processes involved in glacial cycles,such as greenhouse gases,vegetation cover ,oceanographic condi- tions,and polar ice sheets.Modeling results also suggest that freshwater input into the northern North Atlantic could be a potential trigger for the abrupt,millennial-scale climate changes during the last glacial period,by re- vealing the high sensitivity of the thermohaline circulation in it.On the tectonic timescale,numerical experi- ments have been successful in assessing the sensitivity of the global climate system to paleogeographic changes resulting from tectonic-plate movement,plateau uplift,and opening or closure of oceanic gateway and of at- mospheric CO2 concentration changes,likely associated mainly with biogeochemical weathering of silicate rocks.These modeling results are also useful in recognizing some of the threshold values of the climate system in response to the tectonic-scale forcing.The endeavor of the paleoclimatic modeling community is currently fo- cused mainly on developing finer-grid models,increasing the degree of consistency between modeling results, paleoclimate records,and reconstructing boundary conditions that are more reliable.Obviously,further pro- gress of paleoclimatic modeling depends not only on developing more powerful numerical models and comput- ers,but also on deepening the understanding of climate change processes as well. Key words:paleoclimate;GCMs (General Circulation Models);sensitivity experiments;mechanisms on cli- mate change 摘要：数值模拟是古气候研究的一个重要内容。过去30年来，古气候数值模拟研究在相当程度上深化了我 们对古气候变化机制的理解。在轨道尺度上，数值模拟证明了冰后期气候系统变化主要是对地球轨道参数变 化的响应，同时揭示了温室气体、植被、海洋、冰盖等反馈因子的重要性。针对短尺度气候变化，数值模拟揭示 出大洋传送带对北大西洋淡水注入的敏感性。在构造尺度上，数值模拟揭示了气候系统对于高原抬升、海道 开合、大陆漂移导致的古地理变化、大气CO2浓度变化和太阳常数变化等的响应，揭示了气候系统突变对驱动 因子阈值的敏感性。目前，古气候模拟研究中还存在分辨率不高模拟结果与记录不完全吻合模拟的边界条 件不清楚等诸多问题。今后古气候模拟研究的改进有赖于模式的改进和计算机运算速度的提高，也有赖于对 变化机制的更深理解和对边界条件更精确的重建。 收稿日期：2005-10-08：修回日期：2005-12-05 基金项目：中国科学院知识创新工程项目“我国新生代构造尺度环境演变及其机制”(KZC2-SW133):国家自然科学基金重大方向项目 “晚更新世中国西北地区大气粉尘与全球变化”(90202020) 作者简介：丁仲礼(1957一)，男，研究员，博士生导师，中国科学院院士，研究方向：黄士红粘土地层学、新生代地质与环境及全球变化。 C 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

第 13 卷 第 1 期 2006 年 1 月 地学前缘(中国地质大学(北京) ; 北京大学) Eart h Science Frontiers (China University of Geosciences ,Beijing ; Peking University) Vol. 13 No. 1 J an. 2006 收稿日期 :2005 10 08 ;修回日期 :2005 12 05 基金项目 :中国科学院知识创新工程项目“我国新生代构造尺度环境演变及其机制”( KZCX22SW2133) ;国家自然科学基金重大方向项目 “晚更新世中国西北地区大气粉尘与全球变化”(90202020) 作者简介 :丁仲礼(1957 — ) ,男 ,研究员 ,博士生导师 ,中国科学院院士 ,研究方向 :黄土2红粘土地层学、新生代地质与环境及全球变化。 古气候数值模拟 :进展评述 丁仲礼 , 熊尚发 中国科学院 地质与地球物理研究所 ,北京 100029 DIN G Zhong2li , XION G Shang2fa I nstitute of Geolog y and Geop hysics , Chinese A cademy of Sciences , Beijing 100029 , China DING Zhong2li , XIONG Shang2fa. Numerical modeling in paleoclimate study : Progress and problems. Ea rt h Science Fron2 tiers ,2006 ,13( 1) :0212031 Abstract : Numerical modeling is one of the most powerful tools in resolving various issues associated with pa2 leoclimate research. In the last decades , a wide spectrum of numerical modeling experiments has provided im2 portant insights into the mechanisms of driving climate changes on different timescales. On the orbital times2 cale , modeling experiments have demonstrated the first2order importance of variations in latitudinal and season2 al distribution of insolation in forcing glacial2interglacial climate changes and recognized most of the significant feedback processes involved in glacial cycles , such as greenhouse gases , vegetation cover ,oceanographic condi2 tions ,and polar ice sheets. Modeling results also suggest that freshwater input into the northern North Atlantic could be a potential trigger for the abrupt , millennial2scale climate changes during the last glacial period , by re2 vealing the high sensitivity of the thermohaline circulation in it. On the tectonic timescale , numerical experi2 ments have been successful in assessing the sensitivity of the global climate system to paleogeographic changes resulting from tectonic2plate movement , plateau uplift , and opening or closure of oceanic gateway and of at2 mospheric CO2 concentration changes , likely associated mainly with biogeochemical weathering of silicate rocks. These modeling results are also useful in recognizing some of the threshold values of the climate system in response to the tectonic2scale forcing. The endeavor of the paleoclimatic modeling community is currently fo2 cused mainly on developing finer2grid models , increasing the degree of consistency between modeling results , paleoclimate records , and reconstructing boundary conditions that are more reliable. Obviously , further pro2 gress of paleoclimatic modeling depends not only on developing more powerful numerical models and comput2 ers , but also on deepening the understanding of climate change processes as well. Key words : paleoclimate ; GCMs ( General Circulation Models) ; sensitivity experiments; mechanisms on cli2 mate change 摘 要 :数值模拟是古气候研究的一个重要内容。过去 30 年来 ,古气候数值模拟研究在相当程度上深化了我 们对古气候变化机制的理解。在轨道尺度上 ,数值模拟证明了冰后期气候系统变化主要是对地球轨道参数变 化的响应 ,同时揭示了温室气体、植被、海洋、冰盖等反馈因子的重要性。针对短尺度气候变化 ,数值模拟揭示 出大洋传送带对北大西洋淡水注入的敏感性。在构造尺度上 ,数值模拟揭示了气候系统对于高原抬升、海道 开合、大陆漂移导致的古地理变化、大气 CO2浓度变化和太阳常数变化等的响应 ,揭示了气候系统突变对驱动 因子阈值的敏感性。目前 ,古气候模拟研究中还存在分辨率不高、模拟结果与记录不完全吻合、模拟的边界条 件不清楚等诸多问题。今后古气候模拟研究的改进有赖于模式的改进和计算机运算速度的提高 ,也有赖于对 变化机制的更深理解和对边界条件更精确的重建

22 工仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)200613U) 关键词：古气候；GCMs(General Circulation Models);敏感性试验，气候变化机制 中图分类号：P532文献标识码：A文章编号：1005-2321(2006)01-0021-11 个重要的结合点。有鉴于此，我们不揣浅陋，拟对古 0引言 气候数值模拟研究作一概述，以期同时引起气候数 值模拟研究者和古气候记录重建者的进一步关注。 古气候研究的主要目标是准确理解气候变化机 制，在此基础上加深对过去气候变化历史和原因的1 冰期旋回气候模拟 认识，由此增强对未来气候变化趋势的预测能力。 数值模拟在古气候研究中发挥着重要的作用，因为 古气候研究中应用较多的数值模式包括B0x 它既可以模拟气候变化过程中不同驱动因子的相对Models,Energy Balance Models(EBMs),Statisti- 重要性，又可以输出不同边界条件下各气候要素的ca-dynamical Models(SDMs),Radiative Convec- 空间分布，从而获得对气候变化机制的认识。与此tive Models(RCMs),Earth System Models of In 同时，通过模拟结果与地质记录的对比，既可检验数termediate Complexity(EMICs)和General Circula 值模式的模拟能力，又可发现记录的空白点和不足tion Models(GCMs)等。我们讨论的古气候数值模 之处。当前古气候研究的一个重要趋势就是力求通拟主要指通过GCMs进行的模拟，但依讨论对象的 过记录模拟-机制研究的互动，推进对古气候变化不同，也会涉及其他模式模拟的工作。 过程和机制的认识。 古气候数值模拟中着力最多的是第四纪冰期 最早的古气候数值模拟（这里指General Circu-间冰期气候模拟。最早的古气候模拟工作就是从末 lation Model)可以追溯到上世纪70年代)。当时，次冰盛期(LGM)古气候重建展开的l,),其重点是 离首个大气环流数值实验)已有近20年，古气候学对比冰期与间冰期古环境的差异4，刀。近10年 家对冰期间冰期旋回的机制研究也达到一个高潮，来，随着古气候研究热点的转移，短尺度气候变化和 加上CL IMAP项目成员成功地运用地质证据，对冰突变事件的模拟也成为冰期旋回气候模拟的重要内 期地球环境进行了恢复)，对冰期气候模拟所需的容9,2,2) 边界条件己有较多了解，使得用GCM模拟冰期古1.1LGM到中全新世的全球模拟 气候成为可能6]。此后，通过数值模拟研究古气候 LGM(典型寒冷期)和中全新世（典型温暖期） 变化过程和机制的努力持续不断？劉模拟的时间尺代表了冰期间冰期旋回中两个距今最近、最有代表 度从短尺度的快速气候变化、轨道时间尺度气候变性的时段，古气候记录非常丰富，测年相对可靠，研 化延伸到构造尺度气候变化山，模拟的地质时期究最为详尽，因此冰期间冰期古气候重建主要围绕 从全新世、更新世、上新世、新生代早期、白垩纪跨越LGM和全新世中期两个时段展开。数值模拟工作 到泛大陆时期2]：模拟的气候驱动因子囊括了从针对的主要问题是在冰盛期和全新世中期边界条件 轨道参数变化、大气CO2浓度变化、全球冰量变化、下，能否模拟出可与记录相匹配的古气候情景，同时 温盐环流变化到大洋通道开闭、高原抬升、板块运动检验什么边界条件、驱动因子和关键过程控制了从 等14,1725) LGM向中全新世转变。围绕这一主题，国际古气 30多年来，国际上古气候数值模拟研究己取得候学界实施了一系列重要研究计划，包括CL IMAP 大量的成果，并正在对古气候、古环境研究产生越来(Climate:Long range Investigation,Mapping, 越大的影响。但相比之下，我国科学家在古气候记and Prediction)、COHMAP(Cooperative Holocene 录研究和古气候模拟研究的结合方面，工作做得不Mapping Project)、PMIP(Paleoclimate Modeling 是太多。可以想见，随着地球系统科学的展开，地球Intercomparison Project)等，力求通过模拟来理解 深部过程对地表环境演化的影响或控制将成为广泛冰期环境形成过程，探讨冰期旋回驱动机制，同时通 关注的前沿科学问题。要对此问题有深入的理解，过敏感性试验了解不同驱动因子在冰期旋回中的不 在很大程度上取决于地质学研究同地球表层系统数同作用。 值模拟研究的紧密结合，而古气候研究是这方面一 CL IMAP是上世纪70年代开展的一个冰期地 C 1994-2009 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

22 丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 关键词 :古气候 ; GCMs ( General Circulation Models) ;敏感性试验 ;气候变化机制 中图分类号 :P532 文献标识码 :A 文章编号 :1005 2321 (2006) 01 0021 11 0 引言 古气候研究的主要目标是准确理解气候变化机 制 ,在此基础上加深对过去气候变化历史和原因的 认识 ,由此增强对未来气候变化趋势的预测能力。 数值模拟在古气候研究中发挥着重要的作用 ,因为 它既可以模拟气候变化过程中不同驱动因子的相对 重要性 ,又可以输出不同边界条件下各气候要素的 空间分布 ,从而获得对气候变化机制的认识。与此 同时 ,通过模拟结果与地质记录的对比 ,既可检验数 值模式的模拟能力 ,又可发现记录的空白点和不足 之处。当前古气候研究的一个重要趋势就是力求通 过记录2模拟2机制研究的互动 ,推进对古气候变化 过程和机制的认识。 最早的古气候数值模拟(这里指 General Circu2 lation Model) 可以追溯到上世纪 70 年代[1 ] 。当时 , 离首个大气环流数值实验[2 ]已有近 20 年 ,古气候学 家对冰期2间冰期旋回的机制研究也达到一个高潮 , 加上 CL IMA P 项目成员成功地运用地质证据 ,对冰 期地球环境进行了恢复[3 ] ,对冰期气候模拟所需的 边界条件已有较多了解 ,使得用 GCM 模拟冰期古 气候成为可能[426 ] 。此后 ,通过数值模拟研究古气候 变化过程和机制的努力持续不断[728 ] ,模拟的时间尺 度从短尺度的快速气候变化、轨道时间尺度气候变 化延伸到构造尺度气候变化[9211 ] ;模拟的地质时期 从全新世、更新世、上新世、新生代早期、白垩纪跨越 到泛大陆时期[12219 ] ;模拟的气候驱动因子囊括了从 轨道参数变化、大气 CO2 浓度变化、全球冰量变化、 温盐环流变化到大洋通道开闭、高原抬升、板块运动 等[13214 , 17225 ] 。 30 多年来 ,国际上古气候数值模拟研究已取得 大量的成果 ,并正在对古气候、古环境研究产生越来 越大的影响。但相比之下 ,我国科学家在古气候记 录研究和古气候模拟研究的结合方面 ,工作做得不 是太多。可以想见 ,随着地球系统科学的展开 ,地球 深部过程对地表环境演化的影响或控制将成为广泛 关注的前沿科学问题。要对此问题有深入的理解 , 在很大程度上取决于地质学研究同地球表层系统数 值模拟研究的紧密结合 ,而古气候研究是这方面一 个重要的结合点。有鉴于此 ,我们不揣浅陋 ,拟对古 气候数值模拟研究作一概述 ,以期同时引起气候数 值模拟研究者和古气候记录重建者的进一步关注。 1 冰期旋回气候模拟 古气候研究中应用较多的数值模式包括 Box Models , Energy Balance Models ( EBMs) , Statisti2 cal2dynamical Models ( SDMs) , Radiative Convec2 tive Models ( RCMs) , Eart h System Models of In2 termediate Complexity ( EMICs) 和 General Circula2 tion Models( GCMs) 等。我们讨论的古气候数值模 拟主要指通过 GCMs 进行的模拟 ,但依讨论对象的 不同 ,也会涉及其他模式模拟的工作。 古气候数值模拟中着力最多的是第四纪冰期2 间冰期气候模拟。最早的古气候模拟工作就是从末 次冰盛期(L GM) 古气候重建展开的[1 , 426 ] ,其重点是 对比冰期与间冰期古环境的差异[324 , 7 ] 。近 10 年 来 ,随着古气候研究热点的转移 ,短尺度气候变化和 突变事件的模拟也成为冰期旋回气候模拟的重要内 容[9 , 22 , 26 ] 。 111 L GM 到中全新世的全球模拟 L GM (典型寒冷期) 和中全新世 (典型温暖期) 代表了冰期2间冰期旋回中两个距今最近、最有代表 性的时段 ,古气候记录非常丰富 ,测年相对可靠 ,研 究最为详尽 ,因此冰期2间冰期古气候重建主要围绕 L GM 和全新世中期两个时段展开。数值模拟工作 针对的主要问题是在冰盛期和全新世中期边界条件 下 ,能否模拟出可与记录相匹配的古气候情景 ,同时 检验什么边界条件、驱动因子和关键过程控制了从 L GM 向中全新世转变。围绕这一主题 ,国际古气 候学界实施了一系列重要研究计划 ,包括 CL IMAP ( Climate : Long2range Investigation , Mapping , and Prediction) 、CO HMA P (Cooperative Holocene Mapping Project ) 、PMIP ( Paleoclimate Modeling Intercomparison Project) 等 ,力求通过模拟来理解 冰期环境形成过程 ,探讨冰期旋回驱动机制 ,同时通 过敏感性试验了解不同驱动因子在冰期旋回中的不 同作用。 CL IMAP 是上世纪 70 年代开展的一个冰期地

T仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)2006,13) 23 球环境重建计划，由海洋地质学家J.mbrie、J.几近于零。同时，与记录相比，模拟结果明显“低估” Hays和地球化学家N.Shackleton领导。这一研了气候变化的幅度。从不同模型结果对比看，模拟 究计划集聚了当时最著名的一批古气候学家，对结果的“低估”现象普遍存在，可能表明一些重要反 LGM的地球环境进行了恢复，其中有关冰盖范围馈过程在模式中被忽略了，如海洋反馈和植被反馈 的恢复对当时的认识冲击最大。根据CLIMAP的的作用就可能需要在模拟中得到更充分的体现2】。 工作]，LGM时期地球冰盖面积达35000000 通过模拟研究，古气候学家日益认识到，某些子 km2,大大高于现代冰盖的面积(14200000km2),系统的反馈作用，尤其是海洋、冰冻圈和生物圈的反 北美大陆冰盖最南界甚至可达37N。而CL IMA P馈作用，能够显著放大气候系统对外力驱动（指太阳 有关赤道海温的恢复结果则在随后几十年里引发了辐射)的响应。Kutzbach等人的工作2,91就充分 持续的争论。运用冰期古环境的重建资料，CL上说明了这一点。他们的模拟结果显示，中全新世热 MAP进行了数值模拟试验，对LGM边界条件下带大西洋增温能够进一步增强非洲季风，而季风降 (太阳辐射、海温、冰盖、地表反射率等)的夏季气候水增加导致的植被变化也会通过降低地表反射率、 进行了模拟，模拟结果显示LGM时期全球夏季气增加水汽再循环对季风气候起正反馈作用。高纬极 候比现在更干、更冷，同时北半球冰盖附近西风带明地植被对气候的正反馈也相当明显30]。土 显南移4。 壤233]、湿地与湖泊状况34的变化也会对气候起相 受CL IMA P研究结果的鼓舞，20世纪80年代应的反馈作用。模式考虑了这些反馈作用后，得到 由J.E Kutzbach、T.Webb III和H.E Wright,的模拟结果显然更逼近地质记录所指示的古气候图 Jr领导的COHMAP研究计划主要针对陆地记录景。 进行了古气候恢复和模拟工作。COHMAP对 最近有关冰期边界条件，如对于冰盖厚度、冰 LGM以来古气候以3O00a的间隔进行了资料整编 期海温等方面的新认识336]已经受到模拟研究者的 和数值模拟。这一研究中有关模拟的主要贡献在于 重视，如何将这些认识融入新的模拟实践中是目 揭示了轨道因素在热带季风气候变化中的关键作用前需要重点考虑的问题。 以及西风急流(jet stream)在LGM时期受北美冰盖1.2突变事件和快速变化的模拟 影响而出现分叉，在北美大陆上形成南北两个分支。 上世纪80年代末90年代初，对突变事件（尤 模拟结果同时显示，早中全新世地球轨道变化导其是Younger Dyras事件和Heinrich事件)和快速 致北半球气候季节性加大，季风增强？，)，这与热带变化记录和机制的探索，成为古气候学界继冰期旋 地区9~6kaBP普遍出现的高湖面相吻合1o1。 回机制之后掀起的又一个研究高潮，模拟研究者也 上世纪90年代在PA GES计划中开展的PMIP很快加入其中。虽然模式复杂程度各不相同，但大 “古气候模式对比计划”，由法国女科学家S.Jous部分模拟工作主要集中在冰盖消融北大西洋淡水 saume领导，著名的古气候学家J.E Kutzbach、注入-温盐环流变化-区域和全球气候变化这一关联 A.J.Broccoli J.Guiot等都参与其中。这一研究上9,4)，其实质就是考察温盐环流、区域和全球气 计划的目的是，通过对比不同气候模式的模拟结果，候对北大西洋淡水注入量变化的敏感性，显然隐含 以及模拟结果与地质记录的差异，来评估模式的敏了北大西洋变化触发了快速变化这一机制。 感性和精确度。PMIP运用相同的边界条件，通过 Manabe等人的工作可作这一类研究的代表。 18个模式模拟LGM和中全新世(6000aBP)的气Manabe和Stouffer40运用海气耦合模式（加上一 候情境，然后进行模拟结果之间以及模拟记录之间个简单的陆面模式)模拟了淡水注入北大西洋引发 的对比8]。总的来看，各模式都能模拟出LGM以的气候突变。模拟结果显示，在10年时间里向北大 来气候变化的主要内容，包括早中全新世受轨道因西洋50~70N水域内持续均匀注入1Sv(10m/s)的 素驱动的季风增强和LGM时期经向温度梯度增加淡水，将导致丹麦海峡海表盐度(SSS)突然降低，伴 的现象。但是，不同模式的结果之间有明显的差异，随海温(SST)非常快速地降低，幅度可达8℃。随 比如中全新世亚洲大陆夏季升温幅度低者为后出现S$T的剧烈振荡。淡水注入后的几个世纪 0.5℃，而高者可达2℃，北半球季风降水增幅高者里，寒冷气候从40N延伸到格陵兰、斯堪的纳维亚 可达2.5mm/d(印度)至1.5mm/d(非洲)，而低者和欧洲西部，与Younger Dyras(YD)事件情形相 C 1994-2009 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 23 球环境重建计划 ,由海洋地质学家 J1 Imbrie、J1 Hays 和地球化学家 N1 Shackleton 领导。这一研 究计划集聚了当时最著名的一批古气候学家 ,对 L GM 的地球环境进行了恢复 ,其中有关冰盖范围 的恢复对当时的认识冲击最大。根据 CL IMAP 的 工作[ 3 ] ,L GM 时期地球冰盖面积达 35 000 000 km 2 ,大大高于现代冰盖的面积 (14 200 000 km 2 ) , 北美大陆冰盖最南界甚至可达 37°N 。而 CL IMAP 有关赤道海温的恢复结果则在随后几十年里引发了 持续的争论。运用冰期古环境的重建资料 , CL I2 MAP 进行了数值模拟试验 ,对 L GM 边界条件下 (太阳辐射、海温、冰盖、地表反射率等) 的夏季气候 进行了模拟 ,模拟结果显示 L GM 时期全球夏季气 候比现在更干、更冷 ,同时北半球冰盖附近西风带明 显南移[4 ] 。 受 CL IMA P 研究结果的鼓舞 ,20 世纪 80 年代 由 J1 E1 Kutzbach、T1 Webb III 和 H1 E1 Wright , Jr 领导的 CO HMA P 研究计划主要针对陆地记录 进行了古气 候恢复和 模拟工作。CO HMA P 对 L GM 以来古气候以 3 000 a 的间隔进行了资料整编 和数值模拟。这一研究中有关模拟的主要贡献在于 揭示了轨道因素在热带季风气候变化中的关键作用 以及西风急流(jet stream) 在 L GM 时期受北美冰盖 影响而出现分叉 ,在北美大陆上形成南北两个分支。 模拟结果同时显示 ,早 —中全新世地球轨道变化导 致北半球气候季节性加大 ,季风增强[7 , 27 ] ,这与热带 地区 9～6 ka BP 普遍出现的高湖面相吻合[10 ] 。 上世纪 90 年代在 PA GES 计划中开展的 PMIP “古气候模式对比计划”,由法国女科学家 S1 Jous2 saume 领导 ,著名的古气候学家 J1 E1 Kutzbach、 A1J1 Broccoli、J1 Guiot 等都参与其中。这一研究 计划的目的是 ,通过对比不同气候模式的模拟结果 , 以及模拟结果与地质记录的差异 ,来评估模式的敏 感性和精确度。PMIP 运用相同的边界条件 ,通过 18 个模式模拟 L GM 和中全新世(6 000 a BP) 的气 候情境 ,然后进行模拟结果之间以及模拟2记录之间 的对比[8 ] 。总的来看 ,各模式都能模拟出 L GM 以 来气候变化的主要内容 ,包括早中全新世受轨道因 素驱动的季风增强和 L GM 时期经向温度梯度增加 的现象。但是 ,不同模式的结果之间有明显的差异 , 比如中 全新世 亚洲大陆 夏季升温 幅度低者 为 015 ℃,而高者可达 2 ℃,北半球季风降水增幅高者 可达 215 mm/ d (印度) 至 115 mm/ d (非洲) ,而低者 几近于零。同时 ,与记录相比 ,模拟结果明显“低估” 了气候变化的幅度。从不同模型结果对比看 ,模拟 结果的“低估”现象普遍存在 ,可能表明一些重要反 馈过程在模式中被忽略了 ,如海洋反馈和植被反馈 的作用就可能需要在模拟中得到更充分的体现[28 ] 。 通过模拟研究 ,古气候学家日益认识到 ,某些子 系统的反馈作用 ,尤其是海洋、冰冻圈和生物圈的反 馈作用 ,能够显著放大气候系统对外力驱动(指太阳 辐射) 的响应。Kutzbach 等人的工作[ 12 , 29 ] 就充分 说明了这一点。他们的模拟结果显示 ,中全新世热 带大西洋增温能够进一步增强非洲季风 ,而季风降 水增加导致的植被变化也会通过降低地表反射率、 增加水汽再循环对季风气候起正反馈作用。高纬极 地植 被 对 气 候 的 正 反 馈 也 相 当 明 显[30231 ] 。土 壤[32233 ] 、湿地与湖泊状况[ 34 ]的变化也会对气候起相 应的反馈作用。模式考虑了这些反馈作用后 ,得到 的模拟结果显然更逼近地质记录所指示的古气候图 景。 最近有关冰期边界条件 , 如对于冰盖厚度、冰 期海温等方面的新认识[35236 ]已经受到模拟研究者的 重视 ,如何将这些认识融入新的模拟实践中[ 37 ] 是目 前需要重点考虑的问题。 112 突变事件和快速变化的模拟 上世纪 80 年代末 —90 年代初 ,对突变事件 (尤 其是 Younger Dyras 事件和 Heinrich 事件) 和快速 变化记录和机制的探索 ,成为古气候学界继冰期旋 回机制之后掀起的又一个研究高潮 ,模拟研究者也 很快加入其中。虽然模式复杂程度各不相同 ,但大 部分模拟工作主要集中在冰盖消融2北大西洋淡水 注入2温盐环流变化2区域和全球气候变化这一关联 上[9 , 38241 ] ,其实质就是考察温盐环流、区域和全球气 候对北大西洋淡水注入量变化的敏感性 ,显然隐含 了北大西洋变化触发了快速变化这一机制。 Manabe 等人的工作可作这一类研究的代表。 Manabe 和 Stouffer [40 ] 运用海气耦合模式 (加上一 个简单的陆面模式) 模拟了淡水注入北大西洋引发 的气候突变。模拟结果显示 ,在 10 年时间里向北大 西洋 50～70°N 水域内持续均匀注入 1 Sv(10 6 m 3 / s)的 淡水 ,将导致丹麦海峡海表盐度 (SSS) 突然降低 ,伴 随海温(SST) 非常快速地降低 ,幅度可达 8 ℃。随 后出现 SST 的剧烈振荡。淡水注入后的几个世纪 里 ,寒冷气候从 40°N 延伸到格陵兰、斯堪的纳维亚 和欧洲西部 ,与 Younger Dyras ( YD) 事件情形相

24 工仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)200613U) 似。这一海温突降可归因于温盐环流(thermoha°全球降水同位素空间分布，模拟的同位素组成与现 line circulation一THc)的快速减弱。在降低淡水注代观测资料和古气候记录相当吻合，但模拟的LGM 入速率、延长注入时间至几百年的试验中，得到的时期同位素空间变率比记录要大。从模拟结果看， THC减弱、气候变冷的持续时间则可与YD事件相GCMs是模拟古降水同位素分布、变化的理想工具。 当。 冰盖动态模拟需要综合固体地球（地壳均衡）、 除了Manabe等人的工作，其他模拟结果也多冰川和大气模式，近10年来的模拟35,9s日益精 显示THC对淡水注入非常敏感9,9，。但是，细化，有关模拟己经逐渐改变了人们对末次冰期冰 多数模拟中都是以理想状态的淡水注入为变量，而盖厚度的一些看法3]，为更新古气候学界对冰期旋 忽略淡水注入的时空意义。Fanning和Weaver)回全球冰量、海平面变化的认识发挥了积极作 则考察了THC对淡水注入时空变化的敏感性。他用2]。 们的研究显示，YD事件之前（前500年）的淡水注1.4区域模拟 入密西西比河对NADW(North Atlantic Deep Wa- 近年来，区域尺度的古气候模拟也开始受到研 ter)不稳定性形成关系重大，而其后通过圣劳伦斯究者的关注，比如Ruter等s4对美洲热带、亚热带 河的淡水分支则起到最终抑止NADW的作用。地区中全新世气候的模拟，Barron和Pollard!s5]对 Manabe和Stouffer!26]的研究也显示，如果淡水注欧洲氧同位素3阶段(OIS3)、Renssen等441对欧洲 入在北大西洋高纬之外地区，那么它对THC减弱YD时期气候的模拟等等。由于模拟的区域相对较 的作用就要小得多。一些模拟结果还表明，THC的小，区域模式的格点间距可到几十km,大大高于全 稳定性还取决于海洋的初始状态]，即使是初始状球模式的空间分辨率，因而可以对复杂地形、海岸线 态的小量变化也能导致海气系统响应很大的不等作更符合实际的描述。已有模拟结果5]说明，高 同，这意味着同样的淡水输入情况下（不同的初分辨率的区域模式在模拟气候变化区域响应、评估 始状态)，THC的响应行为也会有很大的不同。 各种驱动因子的作用等方面具有良好的效果和前 虽然不少模式能够模拟出千年尺度的变化，但景。 至今没有任何模拟得到与格陵兰冰芯或高分辨率海 洋沉积记录完全相同的千年尺度气候变化图景51,2 更新世之前的气候模拟 部分原因可能是因为典型的千年尺度气候变化，如 D-O(Dansgaard-Oeschger)事件和Heinrich事件 由于全面恢复更新世之前的各边界条件存在诸 再现的时间比海气系统特征时间尺度要长，表明冰多困难，甚或是不大可能，因此更新世之前的气候模 冻圈的变化在其中起了关键作用，这是模拟要注意拟与第四纪冰期旋回气候模拟最大的不同在于，其 的问题。同时，如何从“结构”上和“序列”上模拟突重心不是古气候重建，而是敏感性试验。研究内容 变气候事件和快速变化的完整过程也是今后需要解 包括模拟全球气候对一些独特地区地形和高度变化 决的。 的响应、洋流通道改变对海洋环流和全球气候的影 1.3过程模拟 响、大陆漂移形成的极端海陆分布对全球气候的影 运用GCMs模拟一些重要的地质过程也是古响以及一些极端气候时期（如所谓“温室时期”和“冰 气候模拟研究的重要内容。粉尘传输6]、水循室时期)全球气候对驱动因子的响应敏感性等等。 环4)、冰盖动态35,495川等方面的模拟是这一类研这些模拟在构建、检验古气候学界对更新世之前气 究的代表。Joussaumel461运用AGCM(大气环流模候变化机制认识方面发挥了独特、甚至是关键的作 式)结合一个粉尘传输模式，模拟了当代和LGM时用。 期的粉尘分布状况。模拟结果显示，LGM时期全2.1新生代气候模拟 球大气粉尘源区变化比较显著，与深海沉积记录较2.1.1青藏高原抬升效应模拟 吻合。但是，模拟结果没有观察到与冰芯记录相吻 青藏高原抬升是新生代地球上发生的重大构造 合的粉尘含量大增现象，这可能表明模式在模拟环事件。虽然目前学术界对青藏高原抬升历史和模式 流形式、粉尘输送等方面还存在缺陷。Jous还没有形成共识56]，但是高原抬升无疑已对区域及 saumel1还通过AGCM模拟了当代和LGM时期全球气候、环境产生了重大影响。通过地质记录对 C 1994-2009 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

24 丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 似。这一海温突降可归因于温盐环流 (thermoha2 line circulation —T HC) 的快速减弱。在降低淡水注 入速率、延长注入时间至几百年的试验中 ,得到的 T HC 减弱、气候变冷的持续时间则可与 YD 事件相 当。 除了 Manabe 等人的工作 ,其他模拟结果也多 显示 T HC 对淡水注入非常敏感[ 9 , 38239 , 41242 ] 。但是 , 多数模拟中都是以理想状态的淡水注入为变量 ,而 忽略淡水注入的时空意义。Fanning 和 Weaver [ 41 ] 则考察了 T HC 对淡水注入时空变化的敏感性。他 们的研究显示 , YD 事件之前 (前 500 年) 的淡水注 入密西西比河对 NADW(Nort h Atlantic Deep Wa2 ter) 不稳定性形成关系重大 ,而其后通过圣劳伦斯 河的淡水分支则起到最终抑止 NADW 的作用。 Manabe 和 Stouffer [26 ] 的研究也显示 ,如果淡水注 入在北大西洋高纬之外地区 ,那么它对 THC 减弱 的作用就要小得多。一些模拟结果还表明 , T HC 的 稳定性还取决于海洋的初始状态[43 ] ,即使是初始状 态的小量变化也能导致海气系统响应很大的不 同[44 ] ,这意味着同样的淡水输入情况下 (不同的初 始状态) , THC 的响应行为也会有很大的不同。 虽然不少模式能够模拟出千年尺度的变化 ,但 至今没有任何模拟得到与格陵兰冰芯或高分辨率海 洋沉积记录完全相同的千年尺度气候变化图景[45 ] , 部分原因可能是因为典型的千年尺度气候变化 ,如 D2O (Dansgaard2Oeschger) 事件和 Heinrich 事件 , 再现的时间比海气系统特征时间尺度要长 ,表明冰 冻圈的变化在其中起了关键作用 ,这是模拟要注意 的问题。同时 ,如何从“结构”上和“序列”上模拟突 变气候事件和快速变化的完整过程也是今后需要解 决的。 113 过程模拟 运用 GCMs 模拟一些重要的地质过程也是古 气候模拟研究的重要内容。粉尘传输[46 ] 、水循 环[47248 ] 、冰盖动态[ 35 , 49251 ] 等方面的模拟是这一类研 究的代表。Joussaume [46 ] 运用 A GCM (大气环流模 式) 结合一个粉尘传输模式 ,模拟了当代和 L GM 时 期的粉尘分布状况。模拟结果显示 ,L GM 时期全 球大气粉尘源区变化比较显著 ,与深海沉积记录较 吻合。但是 ,模拟结果没有观察到与冰芯记录相吻 合的粉尘含量大增现象 ,这可能表明模式在模拟环 流形 式、粉 尘 输 送 等 方 面 还 存 在 缺 陷。Jous2 saume [ 47 ]还通过 A GCM 模拟了当代和 L GM 时期 全球降水同位素空间分布 ,模拟的同位素组成与现 代观测资料和古气候记录相当吻合 ,但模拟的 L GM 时期同位素空间变率比记录要大。从模拟结果看 , GCMs 是模拟古降水同位素分布、变化的理想工具。 冰盖动态模拟需要综合固体地球 (地壳均衡) 、 冰川和大气模式 ,近 10 年来的模拟[35 , 49251 ] 日益精 细化 ,有关模拟已经逐渐改变了人们对末次冰期冰 盖厚度的一些看法[35 ] ,为更新古气候学界对冰期旋 回全球冰量、海平面变化的认识发挥了积极作 用[52253 ] 。 114 区域模拟 近年来 ,区域尺度的古气候模拟也开始受到研 究者的关注 ,比如 Ruter 等[ 54 ] 对美洲热带、亚热带 地区中全新世气候的模拟 ,Barron 和 Pollard [55 ] 对 欧洲氧同位素 3 阶段(OIS 3) 、Renssen 等[44 ]对欧洲 YD 时期气候的模拟等等。由于模拟的区域相对较 小 ,区域模式的格点间距可到几十 km ,大大高于全 球模式的空间分辨率 ,因而可以对复杂地形、海岸线 等作更符合实际的描述。已有模拟结果[55 ] 说明 ,高 分辨率的区域模式在模拟气候变化区域响应、评估 各种驱动因子的作用等方面具有良好的效果和前 景。 2 更新世之前的气候模拟 由于全面恢复更新世之前的各边界条件存在诸 多困难 ,甚或是不大可能 ,因此更新世之前的气候模 拟与第四纪冰期旋回气候模拟最大的不同在于 ,其 重心不是古气候重建 ,而是敏感性试验。研究内容 包括模拟全球气候对一些独特地区地形和高度变化 的响应、洋流通道改变对海洋环流和全球气候的影 响、大陆漂移形成的极端海陆分布对全球气候的影 响以及一些极端气候时期(如所谓“温室时期”和“冰 室时期”) 全球气候对驱动因子的响应敏感性等等。 这些模拟在构建、检验古气候学界对更新世之前气 候变化机制认识方面发挥了独特、甚至是关键的作 用。 211 新生代气候模拟 21111 青藏高原抬升效应模拟 青藏高原抬升是新生代地球上发生的重大构造 事件。虽然目前学术界对青藏高原抬升历史和模式 还没有形成共识[56 ] ,但是高原抬升无疑已对区域及 全球气候、环境产生了重大影响。通过地质记录对

T仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)2006,13) 25 比和模拟研究来理解高原抬升的气候效应，一直是时，对于亚洲季风增强、亚洲内陆干旱化的原因，除 近30年来古气候学家们努力的目标。 了青藏高原抬升，其他过程（比如特提斯海的逐步退 运用GCMs模拟地形变化（如有山、无山试验） 却)的作用也开始通过模拟加以揭示]。 对全球气候影响滥觞于20世纪70年代5！模拟结 应该指出，多数模式的空间分辨率较粗（比如， 果已显示青藏高原等山地高原的存在对行星尺度的早期模拟的格网分辨率为4.4°×7.5)，对高原地形 流场影响显著，同时青藏高原对西伯利亚高压的维的描述非常概括，对模拟结果会产生一定的影响。 持有非常重要的作用。在古气候模拟中加入地形的目前的模拟基本上假定高原是作为整体抬升的，但 影响则始于上世纪80年代中期55]，其后由古气候是地质证据表明，高原抬升可能是阶段性、非整体的 学家W.Ruddiman和J.Kutzbach等人合作，系统行为。因此，如何在模拟中体现高原抬升的时空模 模拟了（青藏）高原抬升对区域和全球气候影响，并式是需要探讨的问题。高原抬升引发的地球化学效 与地质记录进行了对比。Ruddiman等so1首先为模应，尤其是通过加强新鲜暴露的硅酸盐岩石风化而 拟试验设计了3套方案，即无山(NM)试验、半山导致的大气CO2降低，从而引发晚新生代全球气候 (HM)试验和全山(M)试验，以观察气候变化对高变冷，是Raymo-Ruddiman抬升气候变化假说的关 原不同高度的响应特征。最早采用的模式是美国国键内容65]，而如何将抬升的动力、热力效应和地球 家大气研究中心(NCAR)的Community Climate化学效应在模式中耦合起来，将会是今后高原抬升 Model(CCM)。结果显示，高原抬升能够引发高原气候变化模拟研究面临的重要课题。 内部、周边甚至远离高原地区气候的显著变化山，21.2海道开合效应模拟 模拟也证实了高原抬升能够大大增强亚洲冬夏季风 海洋通道(Oceanic Gateway)的开合被认为对 的强度，导致高原东南部高降水和高原西北缘干旱于新生代构造尺度气候变化起了相当大的作用，但 的气候]。模拟结果还显示，要形成当今强度的季是从模拟角度证明这一点也非常不易。对新生代全 风，除了要求高夏季太阳辐射外，青藏高原至少要达球气候变化意义最大的海道开合变化是始新世/渐 现今高度的一半I61]。同时期，Manabe和Brocco- 新世时期发生的Drake海峡开启[s66]和上新世巴拿 1i62]也模拟了山地、高原对北半球中纬内陆干旱化马地峡的关闭6$9)。模拟工作也集中在探讨这两个 的影响，他们的模拟结果表明北半球中纬山地、高原事件的气候效应上。 的分布格局破坏了带状分布的大气环流和降水模 从海洋环流模式(OGCM)模拟Drake海峡开 式，形成气流下沉区域，导致包括中亚在内的地区气启效应得到不尽相同的结论。Coxo和England四 候干旱化。 的研究认为，Drake海峡的开启可以导致包括 稍近的模拟开始注意研究抬升模式对气候变化NADW在内的主要大洋水体发生位置和性质的重 的影响。Prell和Kutzbach1研究了季风响应轨道大变化。Toggweiler和Samuels2)的模拟表明， 参数变化驱动的敏感性与青藏高原高度和抬升模式Drake海峡附近纬度带风压可能直接影响大西洋传 的关联。结果显示，抬升模式对季风响应（轨道驱送带的循环速率和NADW的形成速率，因而，开启 动)敏感性影响显著。过去I5Ma间，在高原稳定海峡可能为全球热量传送带的形成发展“提供舞 抬升模式下(gradual uplift experiment),季风强度台”。Bjornsson和Toggweiler1的模拟结果则显 和变率指标变化非常小，在大幅抬升模式下(Mol-示，Drake海峡的开启足以引发类似传送带、跨半球 nar uplift simulation),季风强度和变率指标在lI~范围的大洋环流，因而海峡开启不单单是“提供舞 8M期间突增，表明季风响应（轨道驱动）敏感性显台”，而且是传送带形成的不可或缺的条件。从另一 著增强，第四纪抬升模式下(recent uplift simula-个角度，DeConto和Pollard74通过一个耦合了50 tion),季风强度和变率指标在2~3Ma期间出现突m平板海洋(slab ocean)模式和冰盖动力学模式的 变。由此可见，不仅仅是高原抬升高度，高原抬升过大气环流模式，模拟了东南极冰盖生成的机制。他 程和模式也对气候变化具有重要影响。 们的结果显示，大气CO2降低是冰盖形成发展的第 模拟结果也表明，高原抬升的热力与动力效应一位原因，而Drake海峡开启在此过程中只发挥了 并不能完全解释晚新生代的气候变化，其他机制，比次要作用。Drake海峡开启、环南极流(ACC)形成 如大气C02降低等，也需要在模式中体现25,6]。同虽然能够使高纬变冷，但是模拟显示，由此引起的海 C 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 25 比和模拟研究来理解高原抬升的气候效应 ,一直是 近 30 年来古气候学家们努力的目标。 运用 GCMs 模拟地形变化 (如有山、无山试验) 对全球气候影响滥觞于 20 世纪 70 年代[57 ] ,模拟结 果已显示青藏高原等山地高原的存在对行星尺度的 流场影响显著 ,同时青藏高原对西伯利亚高压的维 持有非常重要的作用。在古气候模拟中加入地形的 影响则始于上世纪 80 年代中期[58259 ] ,其后由古气候 学家 W1 Ruddiman 和 J1 Kutzbach 等人合作 ,系统 模拟了(青藏) 高原抬升对区域和全球气候影响 ,并 与地质记录进行了对比。Ruddiman 等[ 60 ]首先为模 拟试验设计了 3 套方案 ,即无山 (NM) 试验、半山 ( HM) 试验和全山 (M) 试验 ,以观察气候变化对高 原不同高度的响应特征。最早采用的模式是美国国 家大气研究中心 ( NCAR) 的 Community Climate Model (CCM) 。结果显示 ,高原抬升能够引发高原 内部、周边甚至远离高原地区气候的显著变化[11 ] , 模拟也证实了高原抬升能够大大增强亚洲冬夏季风 的强度 ,导致高原东南部高降水和高原西北缘干旱 的气候[25 ] 。模拟结果还显示 ,要形成当今强度的季 风 ,除了要求高夏季太阳辐射外 ,青藏高原至少要达 现今高度的一半[61 ] 。同时期 , Manabe 和 Brocco2 li [62 ]也模拟了山地、高原对北半球中纬内陆干旱化 的影响 ,他们的模拟结果表明北半球中纬山地、高原 的分布格局破坏了带状分布的大气环流和降水模 式 ,形成气流下沉区域 ,导致包括中亚在内的地区气 候干旱化。 稍近的模拟开始注意研究抬升模式对气候变化 的影响。Prell 和 Kutzbach [63 ]研究了季风响应轨道 参数变化驱动的敏感性与青藏高原高度和抬升模式 的关联。结果显示 ,抬升模式对季风响应 (轨道驱 动) 敏感性影响显著。过去 15 Ma 间 ,在高原稳定 抬升模式下 ( gradual uplift experiment) ,季风强度 和变率指标变化非常小 ,在大幅抬升模式下 (Mol2 nar uplift simulation) ,季风强度和变率指标在 11～ 8 Ma 期间突增 ,表明季风响应(轨道驱动) 敏感性显 著增强 ,第四纪抬升模式下 (recent uplift simula2 tion) ,季风强度和变率指标在 2～3 Ma 期间出现突 变。由此可见 ,不仅仅是高原抬升高度 ,高原抬升过 程和模式也对气候变化具有重要影响。 模拟结果也表明 ,高原抬升的热力与动力效应 并不能完全解释晚新生代的气候变化 ,其他机制 ,比 如大气 CO2降低等 ,也需要在模式中体现[25 , 64 ] 。同 时 ,对于亚洲季风增强、亚洲内陆干旱化的原因 ,除 了青藏高原抬升 ,其他过程(比如特提斯海的逐步退 却) 的作用也开始通过模拟加以揭示[13 ] 。 应该指出 ,多数模式的空间分辨率较粗 (比如 , 早期模拟的格网分辨率为 414°×715°) ,对高原地形 的描述非常概括 ,对模拟结果会产生一定的影响。 目前的模拟基本上假定高原是作为整体抬升的 ,但 是地质证据表明 ,高原抬升可能是阶段性、非整体的 行为。因此 ,如何在模拟中体现高原抬升的时空模 式是需要探讨的问题。高原抬升引发的地球化学效 应 ,尤其是通过加强新鲜暴露的硅酸盐岩石风化而 导致的大气 CO2降低 ,从而引发晚新生代全球气候 变冷 ,是 Raymo2Ruddiman 抬升2气候变化假说的关 键内容[65 ] ,而如何将抬升的动力、热力效应和地球 化学效应在模式中耦合起来 ,将会是今后高原抬升2 气候变化模拟研究面临的重要课题。 21112 海道开合效应模拟 海洋通道 (Oceanic Gateway) 的开合被认为对 于新生代构造尺度气候变化起了相当大的作用 ,但 是从模拟角度证明这一点也非常不易。对新生代全 球气候变化意义最大的海道开合变化是始新世/ 渐 新世时期发生的 Drake 海峡开启[ 66267 ]和上新世巴拿 马地峡的关闭[68269 ] 。模拟工作也集中在探讨这两个 事件的气候效应上。 从海洋环流模式 (O GCM) 模拟 Drake 海峡开 启效应得到不尽相同的结论。Cox [70 ]和 England [71 ] 的研究认 为 , Drake 海峡的开 启可 以 导 致 包 括 NADW 在内的主要大洋水体发生位置和性质的重 大变化。Toggweiler 和 Samuels [72 ] 的模拟表明 , Drake 海峡附近纬度带风压可能直接影响大西洋传 送带的循环速率和 NADW 的形成速率 ,因而 ,开启 海峡可能为全球热量传送带的形成发展“提供舞 台”。Bjornsson 和 Toggweiler [73 ] 的模拟结果则显 示 ,Drake 海峡的开启足以引发类似传送带、跨半球 范围的大洋环流 ,因而海峡开启不单单是“提供舞 台”,而且是传送带形成的不可或缺的条件。从另一 个角度 ,DeConto 和 Pollard [74 ] 通过一个耦合了 50 m 平板海洋 (slab ocean) 模式和冰盖动力学模式的 大气环流模式 ,模拟了东南极冰盖生成的机制。他 们的结果显示 ,大气 CO2 降低是冰盖形成发展的第 一位原因 ,而 Drake 海峡开启在此过程中只发挥了 次要作用。Drake 海峡开启、环南极流 (ACC) 形成 虽然能够使高纬变冷 ,但是模拟显示 ,由此引起的海

26 工仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)200613) 洋热传输变化只有20%，不足以引发从“温室”到dlIs则模拟了CH爆发性进入大气圈的环境后 冰室”环境的转折。 果，以此与PETM事件的记录对比，以检验有关 对巴拿马地峡关闭的气候意义也有不同的认PETM事件机制的假说。有关Paleogene的气候模 识。Maier-Reimer与Mikolajewicz71运用(Ham~拟则试图通过系列敏感性试验，来找到与记录相吻 burg)OGCM做了打开巴拿马地峡的敏感性试验，合的图景，从而对Paleogene高温环境的机理加以 结果表明巴拿马地峡关闭影响巨大。在地峡开启的解释。一些模拟表明，要达到始新世类似的环境，大 状况下，太平洋低盐度的水能够流入北大西洋，使后气CO2质量分数必须至少是工业革命前的280× 者表层水盐度降低1.0%。低盐度的表层水使得北10~6的3~4倍2)，但是，模拟的高温室气体环境下 大西洋温盐环流崩溃，NADW产率几近于零。由于热带气温与古气候记录不符。这一模拟记录不符 温盐环流存在与否对北大西洋周边地区乃至全球气问题可能是“温室”气候模拟中的普遍现象)，目前 候有密切关系，这一模拟结果意味着巴拿马地峡关还无法判断问题产生的确切原因。 闭的气候意义重大。而Nisancioglu等o1运用2.2白垩纪气候模拟 (MIT)OGCM进行的敏感性试验则显示，巴拿马 白垩纪(65~144MaB.P.)以其高温、高温室 地峡开启时，北大西洋深层水己经形成，但是其形成气体含量而突出，当时全球平均温度比现在高6~ 速率比现代（控制实验）低10%。这一模拟也显示，12C(比较而言，LGM与现在3~5C的温差就显 开启巴拿马地峡将导致太平洋表层水淡化北大西洋得小多了)，而赤道-极地温差只有17~26℃（现在 表层水，但其程度明显小于Maier-Reimer与Miko~是41O,是“温室"环境的代表。白垩纪很早就成 lajewicz的估计。Nisancioglu等的模拟还显示，为数值模拟的靶的，其“温暖而平静(warm and eq 当地峡基底深度大于1000m时，将有NADW通过uable)”的气候图景成为20年来古气候模拟领域的 地峡向西流入太平洋，形成与现代不同的温盐环流重要挑战。 模式。目前还难以评估这两类模拟结果的正确性， E Barron等s8,846]早期做了经典性的模拟工 有一些深海沉积资料显示，上新世早期巴拿马地峡作。这些模拟的核心是通过一系列的敏感性试验， 关闭时NADW产率增加)，而另一些资料表明，厘清海陆分布、温室气体等因素对白垩纪气候图景 NADW在中新世巴拿马地峡开启时就已非常显的贡献。得到的结论是，白垩纪海陆分布对全球增 著1。因此，明确认识巴拿马地峡关闭的气候意温的贡献是4.8℃，对于北半球来说，增温来自45· 义还有待从记录和模拟两方面进行更多的工作。 N以北大陆面积的变化。模拟还显示，只考虑海陆 2.l.3PETM事件与PAL EO GENE模拟 分布变化或温室气体(CO2)浓度变化，都无法模拟 Paleogene代表了新生代“温室”环境时期。出与白垩纪近似（包括升温幅度和温度经向梯度）的 PETM(Paleocene-Eocene Thermal Maximum)则气候图景，而同时以白垩纪海陆分布和高CO,浓度 是发生在古新世始新世界线附近（约55Ma)的一(4倍于现在的CO2浓度值）为条件，则可以模拟出 次高温、高温室气体的突变事件，它可能是由于海底与白垩纪古气候记录比较吻合的高温、低梯度的气 固体CH4爆发性地进入大气圈所致。由于此事件 候。 发生时，在约千年的时间内，从海底进入大气的二氧 早期模拟的问题是地理格网很粗，对海洋的处 化碳总量同人类活动产生的增加量相当，因此，该事理非常简单。直到上世纪末，有关白垩纪模拟的模 件是研究温室效应的极好对象，受到地质、大气等方式对海洋的处理最多是用一个深度为50m的混和 面研究者的高度重视。模拟研究工作主要针对层平板海洋模式。到最近几年，耦合的海洋动力模 PETM事件发生机制和“温室”气候对CO2轨道参式才开始引入白垩纪古气候模拟。不过，目前看来， 数等驱动因子的敏感性等问题。Bice和Marotz- 耦合模式得到的结果与平板模式没有明显的差异， k®的模拟表明，在古新世/始新世气温增加、大气而模拟结果与地质记录的不吻合处（尤其在陆地）也 圈水循环逐渐加强的背景下，从南半球到北半球高很近似。 纬深层水形成突然停止，导致中层水和海洋深层升 最近，有关白垩纪气候模拟已获得不少新的认 温3~5℃。这将最终导致海底固体甲烷不稳定，从识。比如，以往认为白垩纪温盐环流模式与现在是 而形成甲烷爆发的突变事件。Schmidt和Shin相反的，即深层水形成于低纬度，而模拟结果则表明 C 1994-2009 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

26 丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 洋热传输变化只有 20 % ,不足以引发从“温室”到 “冰室”环境的转折。 对巴拿马地峡关闭的气候意义也有不同的认 识。Maier2Reimer 与 Mikolajewicz [75 ] 运用 ( Ham2 burg) O GCM 做了打开巴拿马地峡的敏感性试验 , 结果表明巴拿马地峡关闭影响巨大。在地峡开启的 状况下 ,太平洋低盐度的水能够流入北大西洋 ,使后 者表层水盐度降低 110 ‰。低盐度的表层水使得北 大西洋温盐环流崩溃 ,NADW 产率几近于零。由于 温盐环流存在与否对北大西洋周边地区乃至全球气 候有密切关系 ,这一模拟结果意味着巴拿马地峡关 闭的 气 候 意 义 重 大。而 Nisancioglu 等[76 ] 运 用 (MIT) O GCM 进行的敏感性试验则显示 ,巴拿马 地峡开启时 ,北大西洋深层水已经形成 ,但是其形成 速率比现代(控制实验) 低 10 %。这一模拟也显示 , 开启巴拿马地峡将导致太平洋表层水淡化北大西洋 表层水 ,但其程度明显小于 Maier2Reimer 与 Miko2 lajewicz [75 ]的估计。Nisancioglu 等的模拟还显示 , 当地峡基底深度大于 1 000 m 时 ,将有 NADW 通过 地峡向西流入太平洋 ,形成与现代不同的温盐环流 模式。目前还难以评估这两类模拟结果的正确性 , 有一些深海沉积资料显示 ,上新世早期巴拿马地峡 关闭时 NADW 产率增加[ 77 ] ,而另一些资料表明 , NADW 在中新世巴拿马地峡开启时就已非常显 著[78279 ] 。因此 ,明确认识巴拿马地峡关闭的气候意 义还有待从记录和模拟两方面进行更多的工作。 21113 PETM 事件与 PAL EO GEN E 模拟 Paleogene 代表了新生代“温室”环境时期。 PETM (Paleocene2Eocene Thermal Maximum) 则 是发生在古新世 —始新世界线附近(约 55 Ma) 的一 次高温、高温室气体的突变事件 ,它可能是由于海底 固体 CH4 爆发性地进入大气圈所致。由于此事件 发生时 ,在约千年的时间内 ,从海底进入大气的二氧 化碳总量同人类活动产生的增加量相当 ,因此 ,该事 件是研究温室效应的极好对象 ,受到地质、大气等方 面研究者的高度重视。模拟研究工作主要针对 PETM 事件发生机制和“温室”气候对 CO2 、轨道参 数等驱动因子的敏感性等问题。Bice 和 Marotz2 ke [80 ]的模拟表明 ,在古新世/ 始新世气温增加、大气 圈水循环逐渐加强的背景下 ,从南半球到北半球高 纬深层水形成突然停止 ,导致中层水和海洋深层升 温 3～5 ℃。这将最终导致海底固体甲烷不稳定 ,从 而形成甲烷爆发的突变事件。Schmidt 和 Shin2 dell [81 ]则模拟了 CH4 爆发性进入大气圈的环境后 果 ,以此与 PETM 事件的记录对比 ,以检验有关 PETM 事件机制的假说。有关 Paleogene 的气候模 拟则试图通过系列敏感性试验 ,来找到与记录相吻 合的图景 ,从而对 Paleogene 高温环境的机理加以 解释。一些模拟表明 ,要达到始新世类似的环境 ,大 气 CO2 质量分数必须至少是工业革命前的 280 × 10 - 6的 3～4 倍[ 82 ] ,但是 ,模拟的高温室气体环境下 热带气温与古气候记录不符。这一模拟2记录不符 问题可能是“温室”气候模拟中的普遍现象[83 ] ,目前 还无法判断问题产生的确切原因。 212 白垩纪气候模拟 白垩纪(65～144 Ma B1 P1 ) 以其高温、高温室 气体含量而突出 ,当时全球平均温度比现在高 6～ 12 ℃(比较而言 ,L GM 与现在 3～5 ℃的温差就显 得小多了) ,而赤道2极地温差只有 17～26 ℃(现在 是 41 ℃) ,是“温室”环境的代表。白垩纪很早就成 为数值模拟的靶的 ,其“温暖而平静 (warm and eq2 uable) ”的气候图景成为 20 年来古气候模拟领域的 重要挑战。 E1 Barron 等[58 , 84286 ]早期做了经典性的模拟工 作。这些模拟的核心是通过一系列的敏感性试验 , 厘清海陆分布、温室气体等因素对白垩纪气候图景 的贡献。得到的结论是 ,白垩纪海陆分布对全球增 温的贡献是 418 ℃,对于北半球来说 ,增温来自 45 ° N 以北大陆面积的变化。模拟还显示 ,只考虑海陆 分布变化或温室气体 (CO2 ) 浓度变化 ,都无法模拟 出与白垩纪近似(包括升温幅度和温度经向梯度) 的 气候图景 ,而同时以白垩纪海陆分布和高 CO2浓度 (4 倍于现在的 CO2 浓度值) 为条件 ,则可以模拟出 与白垩纪古气候记录比较吻合的高温、低梯度的气 候。 早期模拟的问题是地理格网很粗 ,对海洋的处 理非常简单。直到上世纪末 ,有关白垩纪模拟的模 式对海洋的处理最多是用一个深度为 50 m 的混和 层平板海洋模式。到最近几年 ,耦合的海洋动力模 式才开始引入白垩纪古气候模拟。不过 ,目前看来 , 耦合模式得到的结果与平板模式没有明显的差异 , 而模拟结果与地质记录的不吻合处(尤其在陆地) 也 很近似。 最近 ,有关白垩纪气候模拟已获得不少新的认 识。比如 ,以往认为白垩纪温盐环流模式与现在是 相反的 ,即深层水形成于低纬度 ,而模拟结果则表明

工仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)2006,13D 27 白垩纪温盐环流是在高纬形成了温暖、高盐的下沉明当时普遍的干旱气候，而红层广布则说明季节性 水流。模拟结果还表明，白垩纪温暖海洋可以用高湿度的变化，与模拟的强冬夏季风图景相吻合]。 纬热-咸水下沉来解释，在此情形下，高纬海表升温模拟与记录的最大不吻合处在于，模拟结果表明，由 614℃，低纬海表升温3~4℃，而深水升温达于冬季风强大，大陆内部冬季相当寒冷，而这一点在 9~11℃，北半球海洋热传输减弱，而南半球加地质记录中没有获得证据的足够支持。这一模拟 强1。与白垩纪“平静”气候观点不同，目前不少人记录不吻合的原因可能来自模式本身，也可能需要 认识到白垩纪气候也是比较“多变”的，包括海洋化对地质证据加以重新解释。 学的变化，长尺度气候冷暖变化，以及千年尺度的水2.4“雪球”和其他冰期气候模拟 循环变化等等，这些变化可能与大气CO2的快速波 “雪球时期代表地球气候的另一个极端。除了 动轨道驱动因子和地表条件变化有关。有关白第四纪冰期，地球历史上还有几次大的冰期，如石 垩纪气候与CO浓度的关系，新近模拟结果的差异炭一二叠纪冰期、晚奥陶世冰期、新元古代冰期和古 很大，Bice等s认为，要使得模拟的热带气温与最元古代冰期。其中尤以新元古代冰期规模为大，由 暖记录吻合，大气C02浓度需要12倍于现今值，远于冰川沉积物在古热带低海拔地区也被发现，有人 远高于此前的模拟，而Haywood等人s1则认为，白 甚至认为当时冰川己覆盖包括赤道在内的所有大陆 垩纪温暖气候不必需要高大气CO2浓度，以3倍于 和大部分海洋，地球已变成一个“雪球(Snowball 现今值输入即可。与此同时，有关白垩纪气候模拟 Earth)川]。 的经典问题还没有完全解决，比如对于记录中的平 “雪球”有没有可能形成？在什么情况下形 缓温度（经向）梯度、热带相对低温、大陆内部高温等 成？这是数值模拟关注的核心问题。Hyde等9s] 等现象，模拟的结果还不能与之很好地吻合，海洋热 运用耦合的气候/冰盖模式，模拟了“雪球”形成的 传输、高纬森林的反馈等过程的模拟还有待深入。过程。以减少的太阳常数(“雪球”时期太阳常数 这些问题的解决将有助于更好地理解“温室”气候的 比现在低6%左右)和与目前近似的C02浓度作为 特征及形成机制。 输入条件，就能使地球达到快速进入和“逃离”“雪 2.3泛大陆气候模拟 球”的转折点。模拟也揭示，“雪球"”环境可与赤道 存在于中二叠早侏罗世、历时近145Ma的 海洋开放水域共存，从而使多细胞生物有存活的 超大陆(Pangea)代表了地史上海陆分布的一种极端 条件。Jenkins和Smith61运用GCM耦合50m 状态，当时几乎所有的重要陆地都聚集在一起，形成 平板海洋模式，模拟了太阳常数减少6%、CO2浓 一个巨型大陆。如此特殊的古地理图景是古气候模 度不断变化下的地球气候，结果显示，当CO2体积 拟研究的难得素材，但是，超大陆古气候模拟直到 1989年才开始进行9,0。模拟显示，由于大型陆 分数低于一个阈值(1700×10·6)时，冰川环境就 面的热容低，超大陆与超大洋的对比将产生非常大 在从极地到赤道（包括海洋）的广大地区出现。 的热量年变率]。同时超大陆将放大气候系统对 Donnadieu等人(2004)运用耦合的气候/地球化学 轨道驱动的响应敏感性。模拟显示9，川，超大陆的 模式模拟了“雪球”之前的古地理变化对大气CO2 海陆分布将导致强大的冬夏季风系统(Mega-Mon- 浓度和气候变化的影响，模拟发现，古Rodinia大 soos)的形成，在大陆的热带亚热带迎风带，夏季大陆的分裂会导致径流增加、风化加强，从而大大降 陆降水增加，径流加大，而冬季大陆降水则减少，内 低大气C02浓度，使地球从“温室”向“冰室”转变， 陆则形成大面积的干旱区域。降水和径流随着岁差 最终导致“雪球”环境的产生。 出现周期变化，变幅可达25%。模拟的超大陆陆面 对于其他冰期，也有一些模拟工作71。比如， 总降水-蒸发差值降低，其降低值几近现今之一半，晚奥陶纪冰期（约440M)出现在相对温暖、大气 说明超大陆总体上处于地史上的干旱时期。模拟结CO浓度较高的时期，揭示其成因就很富挑战性。 果还显示，超大陆的高海拔地形对其独特气候模拟认为)，除了古地理（冈瓦那大陆接近南极）、 (如干旱)也有贡献。 CO2浓度降低（降低到工业革命前水平的8倍）等因 地质证据总体上支持超大陆古气候模拟结果。素外，海平面降低、减少低纬向极地的海洋热输送等 比如广泛分布于超大陆（尤其是内陆）的蒸发岩说条件也是形成冰期不可或缺的前提。 C 1994-2009 China Academic Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 27 白垩纪温盐环流是在高纬形成了温暖、高盐的下沉 水流。模拟结果还表明 ,白垩纪温暖海洋可以用高 纬热2咸水下沉来解释 ,在此情形下 ,高纬海表升温 6～14 ℃,低纬海表升温 3～4 ℃,而深水升温达 9～11 ℃,北半球海洋热传输减弱 , 而南半球加 强[15 ] 。与白垩纪“平静”气候观点不同 ,目前不少人 认识到白垩纪气候也是比较“多变”的 ,包括海洋化 学的变化 ,长尺度气候冷暖变化 ,以及千年尺度的水 循环变化等等 ,这些变化可能与大气 CO2 的快速波 动、轨道驱动因子和地表条件变化有关[ 87 ] 。有关白 垩纪气候与 CO2浓度的关系 ,新近模拟结果的差异 很大 ,Bice 等[88 ]认为 ,要使得模拟的热带气温与最 暖记录吻合 ,大气 CO2浓度需要 12 倍于现今值 ,远 远高于此前的模拟 ,而 Haywood 等人[89 ]则认为 ,白 垩纪温暖气候不必需要高大气 CO2 浓度 ,以 3 倍于 现今值输入即可。与此同时 ,有关白垩纪气候模拟 的经典问题还没有完全解决 ,比如对于记录中的平 缓温度(经向) 梯度、热带相对低温、大陆内部高温等 等现象 ,模拟的结果还不能与之很好地吻合 ,海洋热 传输、高纬森林的反馈等过程的模拟还有待深入。 这些问题的解决将有助于更好地理解“温室”气候的 特征及形成机制。 213 泛大陆气候模拟 存在于中二叠 —早侏罗世、历时近 145 Ma 的 超大陆(Pangea) 代表了地史上海陆分布的一种极端 状态 ,当时几乎所有的重要陆地都聚集在一起 ,形成 一个巨型大陆。如此特殊的古地理图景是古气候模 拟研究的难得素材 ,但是 ,超大陆古气候模拟直到 1989 年才开始进行[ 19 , 90 ] 。模拟显示 ,由于大型陆 面的热容低 ,超大陆与超大洋的对比将产生非常大 的热量年变率[90 ] 。同时 ,超大陆将放大气候系统对 轨道驱动的响应敏感性。模拟显示[ 19 , 91 ] ,超大陆的 海陆分布将导致强大的冬夏季风系统 (Mega2Mon2 soons) 的形成 ,在大陆的热带亚热带迎风带 ,夏季大 陆降水增加 ,径流加大 ,而冬季大陆降水则减少 ,内 陆则形成大面积的干旱区域。降水和径流随着岁差 出现周期变化 ,变幅可达 25 %。模拟的超大陆陆面 总降水2蒸发差值降低 ,其降低值几近现今之一半 , 说明超大陆总体上处于地史上的干旱时期。模拟结 果[92 ]还显示 ,超大陆的高海拔地形对其独特气候 (如干旱) 也有贡献。 地质证据总体上支持超大陆古气候模拟结果。 比如 ,广泛分布于超大陆 (尤其是内陆) 的蒸发岩说 明当时普遍的干旱气候 ,而红层广布则说明季节性 湿度的变化 ,与模拟的强冬夏季风图景相吻合[ 93 ] 。 模拟与记录的最大不吻合处在于 ,模拟结果表明 ,由 于冬季风强大 ,大陆内部冬季相当寒冷 ,而这一点在 地质记录中没有获得证据的足够支持。这一模拟2 记录不吻合的原因可能来自模式本身 ,也可能需要 对地质证据加以重新解释。 214 “雪球”和其他冰期气候模拟 “雪球”时期代表地球气候的另一个极端。除了 第四纪冰期 ,地球历史上还有几次大的冰期 ,如石 炭 —二叠纪冰期、晚奥陶世冰期、新元古代冰期和古 元古代冰期。其中尤以新元古代冰期规模为大 ,由 于冰川沉积物在古热带低海拔地区也被发现 ,有人 甚至认为当时冰川已覆盖包括赤道在内的所有大陆 和大部分海洋 ,地球已变成一个“雪球 (Snowball Eart h) ”[94 ] 。 “雪球”有没有可能形成 ? 在什么情况下形 成 ? 这是数值模拟关注的核心问题。Hyde 等[95 ] 运用耦合的气候/ 冰盖模式 ,模拟了“雪球”形成的 过程。以减少的太阳常数 (“雪球”时期太阳常数 比现在低 6 %左右) 和与目前近似的 CO2 浓度作为 输入条件 ,就能使地球达到快速进入和“逃离”“雪 球”的转折点。模拟也揭示 “, 雪球”环境可与赤道 海洋开放水域共存 ,从而使多细胞生物有存活的 条件。J enkins 和 Smit h [96 ] 运用 GCM 耦合 502m 平板海洋模式 ,模拟了太阳常数减少 6 %、CO2 浓 度不断变化下的地球气候 ,结果显示 ,当 CO2 体积 分数低于一个阈值 (1 700 ×10 - 6 ) 时 ,冰川环境就 在从极地到赤道 (包括海洋) 的广大地区出现。 Donnadieu 等人(2004) 运用耦合的气候/ 地球化学 模式模拟了“雪球”之前的古地理变化对大气 CO2 浓度和气候变化的影响 ,模拟发现 ,古 Rodinia 大 陆的分裂会导致径流增加、风化加强 ,从而大大降 低大气 CO2浓度 ,使地球从“温室”向“冰室”转变 , 最终导致“雪球”环境的产生。 对于其他冰期 ,也有一些模拟工作[ 97299 ] 。比如 , 晚奥陶纪冰期 (约 440 Ma) 出现在相对温暖、大气 CO2浓度较高的时期 ,揭示其成因就很富挑战性。 模拟认为[ 97 ] ,除了古地理 (冈瓦那大陆接近南极) 、 CO2浓度降低(降低到工业革命前水平的 8 倍) 等因 素外 ,海平面降低、减少低纬向极地的海洋热输送等 条件也是形成冰期不可或缺的前提

28 工仲礼熊尚发地学前缘(Earth Science Frontiers)200613U) 些模拟结果与古气候记录不符，原因既可能是地质 3 评述 记录的解释问题，也有可能是模式设计本身的问题。 有的研究结果显示，仅仅从气候变化的概念模型出 过去30年来，古气候数值模拟研究在多大程度发，再作数值模拟，往往难以得到与古气候记录完全 上推进了我们对于古气候变化机制的理解？概略地吻合的图景。 说，在轨道尺度气候变化方面，数值模拟证明了冰后 很明显，古气候模拟研究的进步既有赖于模式 期气候系统（尤其是热带季风系统）变化主要是对地的改进和计算机运算速度的进一步提高，以及对古 球轨道参数变化的响应7，o,21,模拟结果还揭示了气候变化机制的更深理解，也有赖于对边界条件的 温室气体、植被、海洋、冰盖等对气候系统反馈作用新认识和一些记录的新解释。今后一段时间，如何 的重要性2,90。对于快速气候变化和突变事件，将不同数值模式耦合起来以模拟地球系统演化，如 数值模拟证明了大洋传送带对北大西洋淡水注入的何精确重建一些发生过重大气候事件的特殊时段的 敏感性，)，揭示了气候系统阈值的重要性，构建边界条件，如何就一些重要驱动因子进行敏感性试 了海洋气候系统对于驱动因子响应的结构模式。验，如何改进对重点区域和重点过程的模拟，将是古 对于构造尺度气候变化，数值模拟揭示了气候系统气候数值模拟领域面临的重要课题。对于我国古气 对于高原抬升川、海道开合51、大陆漂移导致的古候模拟工作来说，如何通过同记录研究者合作提高 地理变化9，，0、大气C02浓度变化和太阳常数变 对东亚区域环境演化的模拟能力及对一些独特过程 化6]等的响应，通过一系列的敏感性试验，揭示了 的模拟能力，是一个值得思考的问题。 气候系统突变对驱动因子阈值的敏感性，以及反馈 机制在构造尺度气候变化中的重要性。 References 数值模拟对于古气候研究具有不可替代的作 用，但是，其局限也是很明显的。比如，模拟研究不 [1 WILLIAMS J R G,BARRY R G,WASHINGTON W M. 能“发现”证据和现象，不能界定气候变化的幅度 Simulation of the atmospheric circulation using the NCAR global circulation model with ice age boundary conditions[J ] (上、下限)和速度，不能“发明”理论或假说，不能自 Journal of Applied Meteorology,1974,13:305-317. 我检验结果的合理性。因此，只有通过记录模拟 2 PHILLIPS N A.The general circulation of the atmosphere: 机制研究的不断互动，才能有效推进我们对古气候 A numerical experiment[J].Quart J Roy Meteor Soc,1956, 82:123164. 变化过程和机制的理解，同时才能改进数值模式对 [3 CL IMAP Project Members.The surface of the ice-age earth 过去气候变化的模拟能力和对未来气候变化的预测 U].Science,1976,191:1131-1137. 能力。 [4 GATES W L.Modeling the ice age climate [J ]Science, 目前，古气候模拟研究中还存在诸多问题或困 1976,191:11381144. 5 GATES W L.The numerical simulation of ice-age climate 难，比如，对于冰期旋回的气候模拟，目前模式的空 with a global general circulation model [J ]J Atmos Sci, 间分辨率还较粗，不同模式的耦合还存在问题，区域 1976,33:18441873 模拟还有待加强；同时，目前的模式对于海洋的模拟[6】MANABE S,HAHN D G.Simulation of the tropical cimate 能力非常有限，有关云的模拟更是模式设计中的一 of an ice age[J ]J Geophys Res,1977,82:3889-3911. 个弱点。此外，现有的模式在陆面过程模拟方面还 [7 COHMAP Members.Climatic changes of the last 18 000 years:Observations and model simulations [J ]Science, 不能令人满意，有关热带气候的模拟与记录也有明 1988,241:10431052. 显差异，径流如何纳入模式也少有成功的例子。总[8]JOUSSAUME S,TA YLOR K E.Status of the paleoclimate 之，目前模式还无法模拟出在气候变化幅度、变化的 modeling intercomparison project (PMIP)[R].Proceedings of the first international AMIP scientific conference (WCRP 时间序列、空间格局诸多方面与实际气候变化完全 Report,1995).1995:425430. 吻合的图景。 [9 RA HMSTORF S.Rapid climate transitions in a coupled o- 对于更新世之前的气候模拟，主要的问题是边 ceamatmosphere model[J ]Nature,1994,372:82-85. 界条件难以恢复，比如古地形、海底地形很难恢复， [10]KU TZBACH J E,STREET-PERROTT F A.Milankovitch forcing of fluctuations in the level of tropical lakes from 18~ 这对于模拟结果会有很大的影响。此外，初始边界 0 kyr BP[U].Nature,1985,317:130134. 条件的设定导致模拟结果漂移也很难甄别。现有一 [11]KUTZBACH J E,GUETTER PJ,RUDDIMAN W F,et C1994-2009 China Academie Journal Eleetronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net

28 丁仲礼 ,熊尚发/ 地学前缘 ( Earth Science Frontiers) 2006 , 13 (1) 3 评述 过去 30 年来 ,古气候数值模拟研究在多大程度 上推进了我们对于古气候变化机制的理解 ? 概略地 说 ,在轨道尺度气候变化方面 ,数值模拟证明了冰后 期气候系统(尤其是热带季风系统) 变化主要是对地 球轨道参数变化的响应[ 7 , 10 , 27 ] ,模拟结果还揭示了 温室气体、植被、海洋、冰盖等对气候系统反馈作用 的重要性[12 , 29230 ] 。对于快速气候变化和突变事件 , 数值模拟证明了大洋传送带对北大西洋淡水注入的 敏感性[9 , 38 ,41 ] ,揭示了气候系统阈值的重要性 ,构建 了海洋2气候系统对于驱动因子响应的结构模式。 对于构造尺度气候变化 ,数值模拟揭示了气候系统 对于高原抬升[11 ] 、海道开合[ 75 ] 、大陆漂移导致的古 地理变化[19 , 86 , 90 ] 、大气 CO2浓度变化和太阳常数变 化[95296 ]等的响应 ,通过一系列的敏感性试验 ,揭示了 气候系统突变对驱动因子阈值的敏感性 ,以及反馈 机制在构造尺度气候变化中的重要性。 数值模拟对于古气候研究具有不可替代的作 用 ,但是 ,其局限也是很明显的。比如 ,模拟研究不 能“发现”证据和现象 ,不能界定气候变化的幅度 (上、下限) 和速度 ,不能“发明”理论或假说 ,不能自 我检验结果的合理性。因此 ,只有通过记录2模拟2 机制研究的不断互动 ,才能有效推进我们对古气候 变化过程和机制的理解 ,同时才能改进数值模式对 过去气候变化的模拟能力和对未来气候变化的预测 能力。 目前 ,古气候模拟研究中还存在诸多问题或困 难 ,比如 ,对于冰期旋回的气候模拟 ,目前模式的空 间分辨率还较粗 ,不同模式的耦合还存在问题 ,区域 模拟还有待加强 ;同时 ,目前的模式对于海洋的模拟 能力非常有限 ,有关云的模拟更是模式设计中的一 个弱点。此外 ,现有的模式在陆面过程模拟方面还 不能令人满意 ,有关热带气候的模拟与记录也有明 显差异 ,径流如何纳入模式也少有成功的例子。总 之 ,目前模式还无法模拟出在气候变化幅度、变化的 时间序列、空间格局诸多方面与实际气候变化完全 吻合的图景。 对于更新世之前的气候模拟 ,主要的问题是边 界条件难以恢复 ,比如古地形、海底地形很难恢复 , 这对于模拟结果会有很大的影响。此外 ,初始边界 条件的设定导致模拟结果漂移也很难甄别。现有一 些模拟结果与古气候记录不符 ,原因既可能是地质 记录的解释问题 ,也有可能是模式设计本身的问题。 有的研究结果显示 ,仅仅从气候变化的概念模型出 发 ,再作数值模拟 ,往往难以得到与古气候记录完全 吻合的图景。 很明显 ,古气候模拟研究的进步既有赖于模式 的改进和计算机运算速度的进一步提高 ,以及对古 气候变化机制的更深理解 ,也有赖于对边界条件的 新认识和一些记录的新解释。今后一段时间 ,如何 将不同数值模式耦合起来以模拟地球系统演化 ,如 何精确重建一些发生过重大气候事件的特殊时段的 边界条件 ,如何就一些重要驱动因子进行敏感性试 验 ,如何改进对重点区域和重点过程的模拟 ,将是古 气候数值模拟领域面临的重要课题。对于我国古气 候模拟工作来说 ,如何通过同记录研究者合作 ,提高 对东亚区域环境演化的模拟能力及对一些独特过程 的模拟能力 ,是一个值得思考的问题。 References : [ 1 ] WILL IAMS J R G , BARR Y R G , WASHIN GTON W M. Simulation of t he atmospheric circulation using t he NCAR global circulation model wit h ice age boundary conditions[J ]. Journal of Applied Meteorology , 1974 , 13 : 3052317. [ 2 ] PHILLIPS N A. The general circulation of t he atmosphere : A numerical experiment[J ]. Quart J Roy Meteor Soc , 1956 , 82 : 1232164. [ 3 ] CLIMAP Project Members. The surface of t he ice2age eart h [J ]. Science , 1976 , 191 : 113121137. [ 4 ] GA TES W L. Modeling t he ice age climate [J ]. Science , 1976 , 191 : 113821144. [ 5 ] GA TES W L. The numerical simulation of ice2age climate wit h a global general circulation model [J ]. J Atmos Sci , 1976 , 33 : 184421873. [ 6 ] MANABE S , HA HN D G. Simulation of t he tropical climate of an ice age[J ]. J Geophys Res , 1977 , 82 : 388923911. [ 7 ] CO HMAP Members. Climatic changes of t he last 18 000 years: Observations and model simulations [ J ]. Science , 1988 , 241 : 104321052. [ 8 ] JOUSSAUME S , TA YLOR K E. Status of t he paleoclimate modeling intercomparison project ( PMIP) [ R ]. Proceedings of t he first international AMIP scientific conference ( WCRP Report , 1995) . 1995 :4252430. [ 9 ] RA HMSTORF S. Rapid climate transitions in a coupled o2 cean2atmosphere model[J ]. Nature , 1994 , 372 : 82285. [ 10 ] KU TZBACH J E , STREET2PERRO TT F A. Milankovitch forcing of fluctuations in t he level of tropical lakes from 18～ 0 kyr BP[J ]. Nat ure , 1985 , 317 : 1302134. [ 11 ] KU TZBACH J E , GU ETTER P J , RUDDIMAN W F , et

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