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过去千年是古气候研究时段中距今最近的典型时期,深入探讨该时期气候变率特征对理解现代和未来气候变化具有重要的参考意义。以往研究大多关注过去千年的长期气候演变,较少探讨其气候变率。为此,本文首先评估了国际古气候模拟比较计划第三阶段(PMIP3)中气候模式对气候年际变率的模拟能力,并分析了过去千年气候年际变率的平均态;进一步考察了过去千年气候年际变率与外强迫的关系;最后针对过去千年中暖、冷两个典型特征时期,分析了暖、冷期气候年际变率变化的主要特征,并与代用资料进行了对比。主要结论如下: (1)过去千年气候年际变率的平均态 多模式集合平均显示,851~1849年间,年平均温度年际变率幅度范围为0.2~1.4℃,全球平均为0.4℃,且陆地温度变率大于海洋、北半球温度变率大于南半球。空间分布上,高纬温度变率较大、低纬较小。季节温度变率大于年温度变率,其中DJF变率最大、JJA最小。温度年际变率的季节循环在一定程度上反映了大气层顶入射太阳辐射强迫的影响。 同时期年平均降水年际变率的全球平均值为0.4 mm d-1,最大变率为1.7 mmd-1,最小为0.2 mm d-1,热带海洋降水变率最突出,南、北半球之间的差异较小。空间分布显示,降水量较大的地区变率较大,大体随纬度的增加而减小。不同季节降水变率的空间分布差异较小,变率值普遍较年变率大,以JJA最为典型,季节放大在低纬尤为明显。年降水年际变异系数在0.08至1.60之间分布,全球平均值为0.22,陆地降水变异系数略大于海洋。季节降水变异系数大于年平均,特别是在DJF。各季节降水变异系数的空间分布相似,但幅度差异大。 (2)气候年际变率与外强迫的关系 过去千年北半球温度年际变率的最主要模态呈北半球一致变化的特征,且陆地变化较大。该模态有明显的线性趋势,多年代际变化特征突出,并与火山活动显著相关。纬向平均的温度年际变率与火山活动在中低纬相关显著,与太阳辐射相关较小。降水年际变率的最主要模态在热带海洋变化最大,并在1100年前无明显的位相变化,之后则以多年代际变化为首要特征。降水年际变率与火山活动和太阳辐射之间的相关均较差。 (3)暖、冷期温度年际变率变化特征 在相对偏暖的中世纪气候异常期(950~1250年),模式集合平均显示温度年际变率相对于851~1849年普遍减小,且在高纬地区减小显著,年变率的减小幅度与季节减小相近。年温度变率(百分比)变化范围在-0.05~0.03℃(-9.6~3.1%)之间,全球平均减小0.007℃(2.0%)。陆地年变率减小幅度大于海洋,但二者的百分比变化十分接近;北半球年变率的减小幅度大于南半球。季节温度变率的变化范围更广,且DJF变率减小幅度较年平均大、其他季节减幅较年平均小,具有明显的季节分布特征。此外,年变率变化的模式一致性要高于季节变率变化结果。 在相对偏冷的小冰期(1450~1849年),集合平均的温度年际变率整体表现为不显著增大,主要的增大区位于北半球中高纬。年温度变率变化范围为-0.02~0.04℃,全球平均变率增大0.003℃,其中陆地和北半球变率增幅大于海洋和南半球增幅。年变率百分比变化范围在-3.6~4.8%之间,全球平均百分比变化0.6%,其中海洋对百分比变化的贡献大于陆地,北半球大于南半球。不同季节的温度变率较年变率变化范围更广。模式一致性在年平均中好于各季节。 CESM-LME模拟的年温度变率在北半球中纬有显著的线性增大趋势,且变率的增大与火山活动有关。 (4)暖、冷期降水年际变率变化特征 中世纪气候异常期和小冰期的降水年际变率呈显著的反向变化,均具有明显的区域特征,且暖期变率变化范围普遍大于冷期。暖期年变率变化范围在-0.04 mmd-1至0.05 mm d-1(-11.8%至4.5%)之间,全球平均变率(百分比)变化接近于0(-0.2%);冷期年变率变化在-0.04 mm d-1至0.03 mm d-1(-4.6%至9.8%)之间,全球平均增大0.6%。两时期都表现为海洋变率变化大于陆地,而南、北半球差异较小。季节变率的变化范围较年变率更大,且季节间分布彼此不同。 模式模拟的我国年降水变率变化与代用资料的降水变化在分布型态上有明显的对应关系。在中世纪气候异常期,年变率变化在我国黄河流域~长江流域~南方依次呈增大~减小~增大的分布;在小冰期,则呈相反的减小~增大~减小的分布。整体显示在降水增多时年变率增大、反之则减小,这与代用资料的分布特征一致。并且,年变化的特征主要来自于JJA的贡献。