地球環(huán)境研究所基于高分辨率數(shù)值模擬揭示中全新世中亞干旱區(qū)降水偶極子模態(tài)

中亞干旱區(qū)作為全球最大的非地帶性干旱區(qū)，在氣候變暖背景下正經(jīng)歷著復(fù)雜的水文氣候變化過(guò)程。中國(guó)西北地區(qū)在近幾十年呈現(xiàn)出顯著的暖濕化轉(zhuǎn)型特征，而中亞五國(guó)則表現(xiàn)為一定的干旱化特征。然而，目前我們對(duì)中亞干旱區(qū)這種空間異質(zhì)性變化的成因機(jī)制尚不明確，多數(shù)全球氣候模式也難以對(duì)這一區(qū)域變化進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

近日，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境所氣候變化集成-模擬-同化-預(yù)測(cè)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)利用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）的地球系統(tǒng)模式CESM開展中全新世高分辨率（水平分辨率為～50km）數(shù)值模擬研究工作，并結(jié)合PMIP4-CMIP6的14個(gè)模式模擬結(jié)果，系統(tǒng)性評(píng)估了中全新世中亞干旱區(qū)夏季降水變化特征及其作用機(jī)制。數(shù)值模擬結(jié)果表明，中亞夏季降水主導(dǎo)區(qū)降水表現(xiàn)為顯著的南北反位相變化（圖1）：塔里木盆地降水顯著增加，而天山以北地區(qū)如哈薩克斯坦、阿爾泰山一帶則明顯變干。這一模擬結(jié)果與湖泊沉積、黃土、石筍氧同位素等多種古氣候代用指標(biāo)記錄高度一致。

進(jìn)一步研究表明，中亞干旱區(qū)降水南北偶極子模態(tài)與中緯度西風(fēng)和亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)退演變有關(guān)。中全新世夏季，軌道日射驅(qū)動(dòng)北半球中緯度西風(fēng)帶減弱、急流軸北移、并伴隨西風(fēng)帶波列調(diào)整，從而作用于干旱區(qū)北部降水減少。南部降水增多與天山熱源加強(qiáng)密切相關(guān)。在軌道日射驅(qū)動(dòng)的中全新世偏暖的北半球夏季，增強(qiáng)的天山大氣熱源扮演了"熱力泵"的角色，它通過(guò)加強(qiáng)季風(fēng)型氣旋性環(huán)流，更有利于將增強(qiáng)的亞洲夏季風(fēng)水汽向西輸送至塔里木盆地，從而增加降水（圖3）；同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)西風(fēng)帶的減弱、北移和波列調(diào)整，在天山以北引發(fā)大范圍下沉氣流，導(dǎo)致干旱化加劇。研究強(qiáng)調(diào)，天山地形加熱在驅(qū)動(dòng)季風(fēng)水汽向西輸送的過(guò)程中發(fā)揮了與青藏高原熱源類似但獨(dú)立的關(guān)鍵作用（圖4）。

這項(xiàng)研究不僅為中亞干旱區(qū)古氣候演變機(jī)制提供了新的動(dòng)力學(xué)解釋，也提示氣候模式對(duì)天山復(fù)雜地形及其熱力效應(yīng)的準(zhǔn)確模擬對(duì)我們準(zhǔn)確理解和認(rèn)識(shí)中亞干旱區(qū)當(dāng)前和未來(lái)水文變化具有重要意義。

圖1 基于高分辨率CESM和IPSL-CM6A-LR模擬的中全新世夏季降水相對(duì)變化(%)

圖中綠色圓圈/紅色三角代表記錄顯示中全新世較晚全新世偏干/濕，紫色叉號(hào)表示石筍δ18O記錄，紫色加號(hào)為伊塞克湖、博斯騰湖及巴里坤湖的湖泊沉積記錄。

圖2 高分辨率CESM模擬的中全新世夏季非絕熱加熱率(°C d-1)和水汽輸送(kgm-1 s-1)變化

上述研究成果于2025年11月發(fā)表在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)Top期刊Science China Earth Sciences上。西安地球環(huán)境創(chuàng)新研究院沙瑩瑩副研究員為第一作者，中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所石正國(guó)研究員為通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金(42494910、42221003、42030512、42107477、42205037)、嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目(LSKJ202203300)和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目(Y2022101)等項(xiàng)目資助。

全文詳見：

Sha Y, Shi Z, Zhang X, Shang K, Zhou P, Shu P, Lei J, Li X, Cheng H, An Z. 2025. Tianshan topographic heating and a Central Asian dipole precipitation anomaly in the mid-Holocene. Science China Earth Sciences, 68(11): 3653–3664, doi: 10.1007/s11430-025-1704-x

沙瑩瑩, 石正國(guó), 張曉菲, 尚可, 周朋, 舒培仙, 雷婧, 李新周, 程海, 安芷生. 2025. 中全新世天山熱源異常與中亞干旱區(qū)降水的偶極子響應(yīng). 中國(guó)科學(xué): 地球科學(xué), 55(11): 3793–3805, doi: 10.1360/N072025-0163