人类活动对轨道尺度全球季风区降水影响的模拟研究【封面文章】

李新周 ，刘晓东，马红艳

中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

自20 世纪中期以来，地球气候长期演变的周期性逐渐形成共识，不同时间尺度上气候变化的驱动机制也被逐渐发现与确认（Hays et al.，1976；Imbrie，1982）。大量来自冰芯、深海岩芯、黄土沉积物和石笋的地质记录表明第四纪以来地球气候的长期演变与“米兰科维奇气候变化理论”是一致的，并且与100 ka 偏心率周期、41 ka 倾角周期和23 ka 岁差周期之间存在一定的对应关系（Hays et al.，1976；Imbrie et al.，1992；Wang et al.，2008；Liu and Shi，2009；Cheng et al.，2016）。其中，岁差引起的太阳辐射变化对低纬度气候尤其是季风气候有一定的调节作用（Liu and Shi，2009；Li et al.，2017），这值得进一步研究。

地球气候系统正在经历由单一的自然强迫向自然因子与人类活动共同作用转变的过程，人类活动甚至可能超越自然因子而影响全球气候变化。例如：早期的农业活动、第一次工业革命以及当前工业的快速发展似乎已经打乱了气候运行的自然驱动模式（Ruddiman et al.，2020）。多数研究指出，人类活动可能会推迟冰期的开始（王绍武，2011；Ruddiman et al.，2020），从而导致“超长间冰期”的出现（Loutre and Berger，2000；Berger and Loutre，2002；Hao et al.，2012；Ganopolski et al.，2016）。工业革命以来全球变暖的主要原因是人类活动引起温室气体浓度的急剧增加，并且这种变暖在未来将持续很长一段时间，因此在进行未来气候预估时必须考虑到这一点（Broecker，1975；Meinshausen et al.，2011；Guo et al.，2012；Clark et al.，2016）。

作为全球气候系统变化的核心组成部分，全球季风区气候异常与世界70%以上人口的生产和生活息息相关，具有深远的社会和经济影响（An et al.，2015；Wang et al.，2020）。其中，全球季风降水通过释放潜热，在驱动大气环流中发挥着关键作用，是全球水和能量循环的基础，在地质历史时期、现代和未来均受到重视（Zhang et al.，2019；Wang et al.，2020）。同时，全球季风区的降水变化影响着基础设施规划、粮食安全、减灾和水资源管理等，因此，预测全球季风区降水的未来变化并了解其变化机理至关重要（Wang et al.，2020）。已有研究证实，在末次冰期-间冰期旋回中，季风区气候与轨道强迫同步变化（Yi et al.，2018）。当前地球公转轨道的远日点出现在7 月，因此北半球夏季（冬季）接收到的太阳辐射刚好处于当前岁差周期的极小（极大）值，即处于岁差强迫最弱的时期，南半球则相反（图1a 和1b）；而早全新世及未来10 ka 后的情况则相反，远日点出现在1 月，北半球夏季（冬季）接收到的太阳辐射达到岁差周期的极大（极小）值（Milankovitch，1941）。早全新世气候主要受岁差的强迫作用，人类活动的影响非常有限。然而，在预测未来10 ka 后的气候变化时，不仅要考虑岁差的强迫作用，人类活动的影响也不可忽视（李新周和刘晓东，2020）。

图1 末次间冰期和当前间冰期的自然强迫和人类活动因子Fig. 1 Natural forcing and human activity factors during the last interglacial and current interglacial

本文以早全新世、现代和未来10 ka 后这三个典型时期为研究对象，探讨岁差尺度上自然强迫和人类活动对全球季风区气候变化的相对贡献，为积累未来气候预估的“历史相似型”提供参考（von Deimling et al.，2008；张冉和刘晓东，2009；Giaccio et al.，2015）。值得注意的是，本文所涉及的所有人类活动都是人为温室气体强迫。

1 数值试验

1.1 数值试验设计

与冰期气候相比，当前地球气候正处于间冰期阶段，万年尺度上主要的自然强迫因子是岁差引起的太阳辐射变化。根据当前间冰期岁差参数的长期变化（图1a，红实线），现在正处于岁差强迫的极大值（Liu and Shi，2009）。按照冰期-间冰期旋回规律，从图1a — 1c 给出的岁差和6 月45°N、12 月45°S 的太阳辐射变化可以看出，当前间冰期的自然强迫与末次间冰期相似。因此，早全新世和未来10 ka 后这两个时期可以与末次间冰期时段进行“历史相似型”对比分析（von Deimling et al.，2008；张冉和刘晓东，2009；Giaccio et al.，2015）。

温室气体浓度作为气候系统的关键强迫因子，对全球气候长期演化具有一定的调节作用。从南极冰芯记录（EPICA）重建的大气温室气体含量变化（Lüthi et al.，2008）来看（图1d，黑实线），末次间冰期CO2浓度从低值逐渐上升，至128 ka BP 达到最大值，之后持续下降，气候进入了冰期。同样，在早全新世之前CO2浓度也由低值开始上升，在早全新世（约10.3 ka BP）达到最大值，之后开始下降直到中全新世。然而，与末次间冰期不同的是，在中全新世（约6 ka BP）CO2浓度出现翻转开始上升（图1d，红实线），这可能与早期的农业活动有关（Ruddiman，2003；Vavrus et al.，2008；Ruddiman et al.，2020）。值得注意的是，未来很长一段时间人类活动不可能消失（Archer and Ganopolski，2005；Meinshausen et al.，2011；Ganopolski et al.，2016），并且大气温室气体浓度很难恢复到工业革命之前的水平（Eby et al.，2009；Solomon et al.，2009；Clark et al.，2016）。按照联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告（IPCC-AR5）（IPCC，2014），未来人为温室气体排放存在多种可能情景。其中最低排放路径（RCP2.6）也只能保证在2300 年CO2浓度控制在360 μL · L-1左右（Meinshausen et al.，2011）；而在中排放路径（RCP4.5）中（图1d，红色点线），CO2浓度将在2100 年达到543 μL · L-1的峰值，之后保持稳定；在高排放路径（RCP8.5）中（图1d，红色虚线），CO2浓度将在2200 年达到1961 μL · L-1的峰值，之后保持稳定（Clark et al.，2016）。

基于上述考虑，本文利用全球海-陆-气耦合模式分别进行了6 组敏感性数值试验：早全新世（Early Holocene，简称EH）、现代（preindustrial and present day，简称PI 和PD）、未来10 ka 后（future with the natural forcing only、future with anthropogenic impact under medium and high emission，简称FN、FM 和FH）。即在之前研究的基础上（李新周和刘晓东，2020），增加了高排放路径试验。通过对比试验结果，检查轨道尺度上全球典型季风区对自然强迫和人为影响的气候异常响应，并进一步探讨人类活动在未来气候演化中的可能贡献。

数值试验的详细信息见表1。在FN 试验中，假设未来的强迫均为自然强迫，其中大气温室气体浓度是参考南极冰芯记录重建的数据（图1d）。与FN 试验不同的是，FM 和FH 试验中的温室气体浓度均被修改为IPCC-AR5 指定的未来中、高排放路径的稳定值（公元2300 年后）（Meinshausen et al.，2011；IPCC，2014）。

表1 试验设计Tab. 1 Experimental design

通过对比分析不同的数值试验，并用Student’st检验对结果进行评价，探讨轨道尺度上自然强迫和人类强迫对全球典型季风气候演化的相对贡献。例如：轨道尺度上自然强迫对气候异常的贡献可以通过比较EH、PI 和FN 来确定，而当前和未来人类活动对气候异常的贡献可以通过比较PD、PI、FM 和FH 来探索。本文将重点分析不同强迫因子下，全球季风区降水、地表温度和极端降水的变化特征和形成机制，并探讨自然和人类活动对气候的双重影响。

1.2 数值模式简介

使用美国大气研究中心（NCAR）2014 年发布的通用地球系统模式（CESM1.2）（Hurrell et al.，2013），其主要由大气（atm）、海冰（ice）、陆地（lnd）、河流径流（rof）、海洋（ocn）、陆地冰（glc）和海洋（pop）这七个地球物理模型组成，再加上一个耦合器（cpl），该耦合器协调地球物理模型的时间演化，并在它们之间传递信息。每个模型可能有“活动”、“数据”、“死亡”或“存根”组件版本，允许各种“即插即用”的组合。CESM1.2 中每个模块的版本都是“活动”。其中，大气和陆地的水平分辨率为0.90°×1.25°，垂直方向分别有26 层和15 层；海洋和海冰的水平分辨率为0.5°×0.5°，垂直方向有60 层。为了保障模拟结果的稳定性，在前期工作的基础上（李新周和刘晓东，2020），从工业革命前的初始条件开始，所有的数值试验均连续积分150 a，取最后20 a 的数据用于对比分析。

为了检验CESM1.2 对当前气候态的模拟能力，本文利用1979 年至今的美国国家气候预测中心降水资料（CPC merged analysis of precision，简称CMAP）（Xie and Arkin，1997）来检验降水分布特征。CMAP 是一种水平分辨率为2.5°×2.5°的逐月、旬降水资料，获取了5 种卫星估计值（GPI、OPI、SSM / I scattering、SSM / I emission和MSU）和测量数据。图2a 和2b 显示了利用逐月CMAP 绘制的1980 — 2009 年的年降水和雨季降水分布特征，本文中的雨季是指北半球的5 —9 月和南半球的11 月—次年3 月。同时，图2c 和2d 显示了利用CESM1.2 完成的PD 试验中20 a的年降水和雨季降水分布特征。double-ITCZ 偏差是前几代气候模型中最突出的错误之一（Adam et al.，2016），可能会降低基于这些模型的未来气候预测的可靠性，但是这种偏差在CMIP3、CMIP5和CMIP6 的版本中略有减小（Fiedler et al.，2020；Tian and Dong，2020）。通过对比可以看出，除了double-ITCZ 偏差外，模拟与观测结果基本一致。

图2 美国国家气候预测中心降水资料（CMAP，a、b）和CESM1.2 模拟（PD，c、d）的年降水和雨季降水分布特征Fig. 2 Distribution characteristics of annual mean and wet seasonal precipitation from CPC merged analysis of precipitation(CMAP, a, b) and CESM1.2 simulations (PD, c, d)

1.3 全球季风区划分

预测和了解全球季风区的未来气候变化及其物理机制对基础设施规划、粮食安全、水资源管理和自然灾害管理至关重要（Wang et al.，2020）。传统的季风区定义主要考虑了雨季和旱季之间地表风向的相反特征，这可能将全球季风区主要限制在低纬度的热带地区（Ramage，1971）。随着近20 a 的发展，人们逐渐对季风区有了更深入的了解。因此，本文考虑季风区降水对世界所有季风区社会经济和科学的综合影响（Wang and Ding，2006；Wang et al.，2012），采用与雨旱季节降水相关的季风区定义（Wang et al.，2012），即雨季减去旱季的降水率超过2.0 mm · d-1，且当地雨季降水量超过全年总降水量的55%。如图2d 给出的全球季风区范围（红实线），CESM1.2 较好地展示了现代降水分布特征，与观测记录一致（Huffman et al.，1997）。此外，其还较好地再现了全球季风区的分布范围（Wang et al.，2012）：亚洲季风区（AM）、北非和南非季风区（NAF和SAF）、北美和南美季风区（NAM和SAM）和澳大利亚季风区（AUS）。其中，亚洲季风区被进一步划分为3 个子季风区：东亚季风区（EA）、印度季风区（IN）和北太平洋西部季风区（WNP）。

2 降水季节变化

季风区的季节性降水分布极不均匀，其年降水量完全受雨季控制。图3 给出了6 组数值试验输出的全球季风区降水日变化序列，CESM1.2 较好地模拟了全球季风区降水的日变化特征。北半球季风区如AM、NAF 和NAM 的降水主要集中在5 — 9 月，而南半球季风区如SAF、SAM 和AUS则相反，这些结果表明利用降水定义的季风区能较好地反映全球大多数季风区的特征。通过对比6组试验结果可知，太阳辐射强迫和温室气体强迫引起的降水变化主要集中在雨季，而旱季的变化相对较弱。此外，除了NAM 外，其他5 个季风区在FH 试验的降水最大，而且在雨季尤为明显，并且在所有试验中，FN 和PI 试验的降水率最低。

图3 全球季风区降水率的年循环Fig. 3 Annual cycle of precipitation rate in global monsoon regions

根据IPCC-AR5 报告，在人类活动的影响下，到21 世纪末全球季风面积、季风强度和降水可能或很可能增加（Hsu et al.，2013；Christensen et al.，2019）。图4 显示了雨季和旱季降水差异的分布。相对于PI 试验来说，EH 试验中的AM 略向北和向西扩张，NAF 也略向北扩张。并且EH 试验中北半球季风区的降水也略强于PI 试验，而南半球的SAF 和SAM 则相反，这可能与早全新世北半球雨季较高的太阳辐射有关（图1b 和1c）。在PD 和FN 试验中，降水差异的分布与PI 试验相似。关于自然强迫和人类活动对季风区范围的影响，未来应加强更高分辨率的观测记录和数值模拟。

图4 雨季和旱季的降水差异Fig. 4 Differences between wet and dry seasonal precipitation

3 自然和人类强迫对降水的影响

3.1 雨季降水

不同强迫因子可引起全球雨季降水的异常。图5 显示了相对于PI 试验全球雨季降水差异的水平分布特征。与PI 试验相比，由于夏季太阳辐射较高，在EH 试验中欧亚大陆和北非地区的降水显著增加，北美大陆的降水减少，而NAM 的降水显著增加；由于南半球的太阳辐射较低，雨季降水减少（图5a）。根据图5b，现代人类活动对全球雨季降水的影响相对较弱。类似于EH 试验，与PI 试验相比，未来10 ka 后自然强迫导致的降水在北半球普遍增加，其中NAF 和NAM 的降水差异通过0.01 信度的显著性检验，而AM 仅有EA 的降水差异显著（图5c）。在中、高排放路径（FM和FH 试验）中，未来10 ka 后几乎所有区域的降水都在增加（图5d 和5e）。其中，在FM 试验中，除了NAM 和AUS 北部外，其他季风区的降水均显著增加，并通过0.01 信度的显著性检验；在FH 试验中，只有NAM 的降水相对于PI 试验减弱，其他5 个季风区的降水均显著增加。FM 和FN 的差异更适合用来解释人类活动的影响，其结果（图5f）表明人类活动引起的温室气体浓度增加是除NAM 外所有季风区降水增加的主要原因。中全新世和未来气候情景RCP8.5 试验也得出了相同的结论（D’Agostino et al.，2019；D’Agostino et al.，2020）。而NAM 降水减少也与温室气体增温效应引起的类厄尔尼诺变暖有关（Wang et al.，2020）。

图5 雨季降水的差异Fig. 5 Differences in wet seasonal precipitation

6 个主要季风区和3 个子季风区的雨季降水柱状图进一步证实了不同强迫因子驱动下的降水异常特征（图6a）。在所有季风区中，IN 的降水最大，约为7.5 mm · d-1，NAF 的降水最小，约为5 mm · d-1。EH 试验中轨道强迫引起的太阳辐射增加导致AM、NAF、NAM 和AUS 的降水相对于PI 试验增加，SAF 和SAM 的降水相对于PI 试验减少。在未来10 ka 后，自然强迫将具有相似的特征，但略有差异，北半球季风区降水增加，而南半球降水减少，并且人类活动将导致除NAM 外几乎所有季风区的降水相对于PI 试验增加，温室气体浓度的增加也将进一步加剧降水。在AM 的子季风区中，自然强迫在早全新世和未来10 ka 后对WNP 的影响较弱，EA 和IN 的降水与北半球其他季风区相似，随着太阳辐射的增加而增加。在未来10 ka 后，人类活动引起的降水异常在3 个子季风区具有相同的特征，降水都将随着温室气体浓度的增加而增加。统计结果显示：在未来10 ka 后，AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 在自然强迫下的降水相对于PI 试验将发生轻微变化，分别为- 0.05 mm · d-1、- 0.93 mm · d-1、0.41 mm · d-1、- 0.28 mm · d-1、- 0.30 mm · d-1和- 0.47 mm · d-1；FM试验的降水总体呈增加趋势，相对于PI 试验的变化分别为0.62 mm · d-1、1.05 mm · d-1、0.15 mm · d-1、- 0.02 mm · d-1、0.15 mm · d-1、- 0.03 mm · d-1；FH试验的变化分别为1.08 mm · d-1、1.32 mm · d-1、- 0.86 mm · d-1、0.33 mm · d-1、1.93 mm · d-1和0.54 mm · d-1。

图6 雨季降水（a）、强降水（b，R95p）和R95p 的贡献百分比（c）Fig. 6 Wet seasonal precipitation (a), heavy precipitation(b, R95p) and contribution percentage (c) of R95p

3.2 极端降水

极端事件异常是气候预测中的一个关键问题（Freychet et al.，2015；Kim et al.，2020），在全球季风区尤为重要，洪涝和干旱事件会影响全球三分之二人口的生产生活和经济发展（Wang et al.，2020）。本文将强降水定义为雨季第95%位的日降水量（R95p），并计算其对雨季降水的贡献率（图6b 和6c），来分析不同强迫因子下季风区极端降水的变化特征。从图6b 可以看出：EA 和NAF 的区域平均R95p约为120 mm，包括WNP 和IN 在内的AM 约为190 mm，南半球约为160 mm。在自然强迫和人为干扰作用下，不同季风区R95p的变化也表现出不同的特征，其中的一个显著特征是，除NAM 外所有季风区R95p最高的是FM 和FH 试验，最低的是EH 和FN 试验。通过对比自然强迫和人类干扰，人类活动似乎显著增加了季风区的R95p，R95p占季风区雨季降水的15%左右，在EA 和SAM 中所占比例相对较低，约为13%，而在WNP、IN 和AUS 中占17%以上。进一步比较分析不同强迫因子下R95p对雨季降水的贡献（图6c），发现所有季风区R95p在EH、PI、PD 和FN 试验中基本相等，但在FM 和FH 试验中显著增加，也就是说人类活动增强可能会提高R95p的贡献率。由此可见，自然强迫对全球季风区极端降水的影响较弱，而人类活动可能会增加雨季降水中极端降水的比例。

3.3 地表温度和蒸发

地表温度是影响地表能量平衡的关键因素，在季风区水汽交换中起着重要作用。在早全新世和未来10 ka 后，雨季太阳辐射导致北半球地表偏暖，南半球地表偏冷（图1 和图7）。然而，由人类活动引起的温室气体浓度增加导致了全球地表增温，且陆地增温高于海洋。在PD 试验中，温室气体浓度增加可以使全球平均地表温度升高1.02 K，这与观测记录一致（Siegmund et al.，2020）。从图7 还可以发现，地表增温在高纬度地区比在低纬度地区更严重，在陆地上空比在海洋上空更严重。季风区雨季地表温度柱状图（图8a）显示全球季风区雨季平均温度接近300 K，只有EA 的平均温度略低于其他季风区，主要是由于EA 位于副热带地区，而其他季风区靠近赤道。所有季风区都表现出一个共同特征，在自然强迫条件下，早全新世和未来10 ka 后的雨季地表温度与工业革命前相当，现代人类活动可使季风区温度升高0.94 — 1.43 K，其中WNP 最低（0.94 K），EA最高（1.43 K）。在未来10 ka 后，自然强迫下AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 的地表温度相对于PI 试验的差值分别为- 0.18 K、- 0.36 K、0.11 K、- 0.92 K、- 0.43 K 和- 0.94 K，表明大部分季风区在自然强迫下有变冷的趋势。综合考虑人类活动后结果则相反，AM、NAF、NAM、SAF、AUS 和SAM 的地表温度将分别升高2.13 K、2.23 K、2.42 K、1.53 K、1.55 K、1.49 K，似乎在当前政策提出的全球年平均增温1.5 — 2 K 控温线的范围内（Schleussner et al.，2016）。但如果不控制人类活动产生的温室气体排放，地表温度将分别升高6.17 K、7.14 K、6.52 K、6.45 K、5.08 K 和6.45 K。

图7 雨季地表温度异常Fig. 7 Wet seasonal surface temperature anomalies

图8 雨季地表温度（a）和地表蒸发量（b）Fig. 8 Wet season surface temperature (a) and surface evaporation (b)

地表蒸发量是全球气候变化中水文循环和水量转换的重要环节，也是水资源规划和利用中的关键问题，特别是在人口相对密集的全球季风区。蒸发异常与太阳辐射、地表温度、风速、降水和气溶胶等因素密切相关。图8b 显示的地表蒸发并不完全受地表温度控制，自然强迫和人类活动对地表蒸发量的影响较小。相对于PI 试验，EH 试验中地表蒸发量在AM 减少最大（- 0.28 mm · d-1），在NAF 增加最大（0.27 mm · d-1），在其他地区变化较小。在FH 试验中，WNP、NAF 和AUS 的地表蒸发量相对于PI 试验分别增加了0.37 mm · d-1、0.32 mm · d-1和0.34 mm · d-1，而其他区域基本保持不变。区域蒸发量的变化将导致水文资源的异常（Xie et al.，2020）。

3.4 大气有效降水（P - E）

计算大气有效降水（降水减去蒸发，P-E）及其异常，结果如图9 所示。在自然强迫下，EH和FN 试验中AM、NAF 和NAM 雨季的大气有效降水增加，其中AM 和NAF 通过了0.01 信度的显著性检验；相反，南半球三个季风区的大气有效降水减少（图9a 和9c）。从图9b 可以看出：现代人类活动可以引起中低纬度地区雨季大气有效降水增加，但是仅有SAM 通过了0.01 信度的显著性检验。在未来10 ka 后，综合考虑自然和人为强迫，除NAM 外的季风区大气有效降水将增加，且在高排放路径下增加更为明显（图9d 和9e）。NAM 的大气有效降水与其他季风区不同，可能主要与增温背景下的类厄尔尼诺变暖有关（Wang et al.，2020）。

图9 雨季降水减去蒸发的异常（P - E）Fig. 9 Differences in wet seasonal precipitation minus evaporation (P - E)

综合考虑降水和蒸发，在早全新世和未来10 ka后，相对于PI 试验，北半球所有季风区的大气有效降水差异（Δ(P-E)）均增加，南半球所有季风区的Δ(P-E)均减少（图10）。在自然强迫作用下，AM 的子季风区EA 和IN 的Δ(P-E)增加，WNP 的减少。在EH 试验中，IN 和NAF 的Δ(P-E) 分别为 0.60 mm · d-1和 1.54 mm · d-1，只有IN 通过了显著性检验。未来10 ka 后，人类活动将增加除NAM 外所有季风区的Δ(P-E)，并且温室气体浓度越高，Δ(P-E)越大。WNP 在高排放路径下Δ(P-E)的下降可能与地表蒸发量较高有关（图8b），AM 和NAF 的Δ(P-E) 对自然强迫和人类活动更为敏感。未来10 ka 后，中等排放路径下IN、AM 和NAF 的Δ(P-E)分别为0.91 mm · d-1、0.60 mm · d-1和0.82 mm · d-1，高排放路径下EA、IN、AM、NAF、SAF、AUS 和SAM的Δ(P-E)分别为0.79 mm · d-1、1.59 mm · d-1、0.95 mm · d-1、0.99 mm · d-1、0.33 mm · d-1、1.59 mm · d-1和0.75 mm · d-1，WNP 的变化较小（0.04 mm · d-1），NAM 的为负值（-1.03 mm · d-1）。在岁差尺度上，自然强迫下北半球的大气有效降水对太阳辐射较为敏感，而所有季风区对人类活动都较为敏感。因此，人类活动在未来气候预估中具有至关重要的意义。

图10 降水减去蒸发（a）及其与工业革命前的差异（b）Fig. 10 Precipitation minus evaporation (a) and its difference from the pre-industrial (b)

为了分析自然强迫和人为因子对大气有效降水的调控机制，本文利用水汽收支公式：Δ(P-E)=ΔDY+ ΔTH+ ΔRes，分别计算了影响Δ(P-E)各个关键项的贡献率（Trenberth and Guillemot，1995）。其中：ΔDY为动力项，与大尺度大气环流密切相关；ΔTH为热力项，主要由大气相对湿度的变化决定，与温度变化密切相关；ΔRes为残余项，主要与地表状况、瞬变涡流以及其他非线性项有关。

图11 给出了Δ(P-E)、ΔDY、ΔTH和ΔRes的变化。在自然强迫下，由于大气环流增强，Δ(P-E)被动力项控制（Xie et al.，2020），ΔDY在早全新世EA、AM、NAF、NAM、AUS 和未来10 ka后EA、NAF、NAM 的贡献率均在50% 以上，而ΔTH的贡献率则相对较低，甚至为负值（如EA）。在当前人类活动的背景下，所有季风区热力项的贡献较大，动力项的贡献次之，残余项在大部分季风区出现负值，抑制了Δ(P-E)的增加。未来在人类活动的影响下，除了NAM 外所有季风区的Δ(P-E)将显著增加，除了EA 和NAF 的ΔDY和ΔTH的贡献相当外， 其他季风区ΔTH对Δ(P-E)的贡献均大于ΔDY。值得注意的是，在人类活动不受控制的FH 试验中，所有季风区ΔTH对Δ(P-E)的贡献都较高，这与前人的试验结果一致（D’Agostino et al.，2019；D’Agostino et al.，2020）；相反，高排放路径下部分季风区如WNP、IN、AM、NAM 和SAF 中ΔDY的贡献为负。总的来说，在轨道尺度上，人类活动通过热力项增加大气有效湿度，促进了全球季风区Δ(P-E)的增加，而自然强迫主要通过动力项改变大气环流来影响降水。

图11 降水减去蒸发（Δ(P - E)）、动力项（ΔDY）、热力项（ΔTH）和残余项（ΔRes）的异常Fig. 11 Anomalies of precipitation minus evaporation (Δ(P - E)), the dynamic term (ΔDY), the thermodynamic term (ΔTH),and the residual term (ΔRes)

4 结论

本文重点研究了全球季风区在早全新世、现代和未来10 ka 后的雨季降水异常现象。通过对6 组敏感性数值试验的对比分析，得出以下结论（详见表2）：

表2 降水（P）、强降水（R95p）和大气有效降水（降水减去蒸发，P - E）相对于工业革命前的比率Tab. 2 Percentages of precipitation (P), heavy precipitation (R95p), and atmospheric effective precipitation(precipitation minus evaporation, P - E) relative to the pre-industrial

（1）在自然强迫下，与工业革命前相比，未来10 ka 后的雨季降水在北半球季风区增加，而在南半球减少。

（2）现代人类活动导致的温室气体浓度增加可使所有季风区的降水增加，如亚洲和南美季风区分别增加25.32%和27.37%，均通过了0.01 信度的显著性检验。高排放路径下，季风区降水变化进一步增强，各季风区的降水均显著增加。

（3）未来人类活动将增加极端降水对总降水的贡献。在自然强迫下，R95p在早全新世和未来10 ka 后的不同季风区之间没有明显的变化。在未来10 ka 后，人类活动将导致全球季风区的R95p显著增加，高排放路径下东亚、北太平洋西部、印度、亚洲、北非、南非和澳大利亚季风区的R95p将分别增加39.18%、28.02%、39.81%、41.19%、55.50%、26.16%和42.44%，这些均通过了0.01 信度的显著性检验。

（4）大气有效降水相对于工业革命前的变化（Δ(P-E)）能更好地反映自然强迫和人类活动在轨道尺度上的贡献。在自然强迫下，Δ(P-E)在大多数季风区增加。综合考虑自然和人为强迫，未来10 ka 后Δ(P-E)将在除北美以外的所有季风区显著增加。进一步分析表明：自然强迫作用下季风区Δ(P-E)的增加主要是动力作用引起大气环流增强所致；未来在考虑自然强迫和人类活动的影响下，Δ(P-E)的增加主要是由于热力作用引起大气水汽含量增加所致。

5 展望

本文主要目的是研究轨道尺度上人类活动对全球季风气候变化的贡献。根据米兰科维奇和冰期-间冰期旋回理论，未来10 ka 后北半球夏季的太阳辐射将低于早全新世，并且自然温室气体的浓度也将低于工业革命前的水平。敏感性试验结果表明大部分季风区的地表温度和降水将下降，这与冰期-间冰期100 ka 的旋回理论一致，预示着下一个冰期的到来（Kukla et al.，1972；王绍武，2011）。

结合自然强迫和人类活动的影响，未来10 ka后地表温度将显著升高，热力作用的增强将导致全球季风区的降水显著增加。本文仅叠加了温室气体中、高排放路径来模拟未来10 ka 后的气候，这些试验完全是在现有研究的基础上理想化的，可能会与未来的事实相冲突。为了更好地理解轨道强迫和温室气体强迫是如何相互作用的，更好的方法是设计更理想的敏感性实验，并允许不同强迫的影响可以被分隔开来。此外，人类活动很可能在未来发生重大变化，如气溶胶（Xie et al.，2020）、地表植被（Notaro et al.，2011）、土地利用和土地覆盖变化（LULCC，Kim et al.，2017）以及未来的能源使用政策（IPCC，2014）将产生强烈的影响。因此，利用PMIP 集成模拟，并综合考虑多种因素对进一步研究未来气候变化具有重要意义。