地球環境研究所基于高分辨率數值模擬揭示中全新世中亞干旱區降水偶極子模態

中亞干旱區作為全球最大的非地帶性干旱區，在氣候變暖背景下正經歷著復雜的水文氣候變化過程。中國西北地區在近幾十年呈現出顯著的暖濕化轉型特征，而中亞五國則表現為一定的干旱化特征。然而，目前我們對中亞干旱區這種空間異質性變化的成因機制尚不明確，多數全球氣候模式也難以對這一區域變化進行準確模擬。

近日，中國科學院地球環境所氣候變化集成-模擬-同化-預測科研團隊通過利用美國國家大氣研究中心（NCAR）的地球系統模式CESM開展中全新世高分辨率（水平分辨率為～50km）數值模擬研究工作，并結合PMIP4-CMIP6的14個模式模擬結果，系統性評估了中全新世中亞干旱區夏季降水變化特征及其作用機制。數值模擬結果表明，中亞夏季降水主導區降水表現為顯著的南北反位相變化（圖1）：塔里木盆地降水顯著增加，而天山以北地區如哈薩克斯坦、阿爾泰山一帶則明顯變干。這一模擬結果與湖泊沉積、黃土、石筍氧同位素等多種古氣候代用指標記錄高度一致。

進一步研究表明，中亞干旱區降水南北偶極子模態與中緯度西風和亞洲夏季風系統的進退演變有關。中全新世夏季，軌道日射驅動北半球中緯度西風帶減弱、急流軸北移、并伴隨西風帶波列調整，從而作用于干旱區北部降水減少。南部降水增多與天山熱源加強密切相關。在軌道日射驅動的中全新世偏暖的北半球夏季，增強的天山大氣熱源扮演了"熱力泵"的角色，它通過加強季風型氣旋性環流，更有利于將增強的亞洲夏季風水汽向西輸送至塔里木盆地，從而增加降水（圖3）；同時進一步加強西風帶的減弱、北移和波列調整，在天山以北引發大范圍下沉氣流，導致干旱化加劇。研究強調，天山地形加熱在驅動季風水汽向西輸送的過程中發揮了與青藏高原熱源類似但獨立的關鍵作用（圖4）。

這項研究不僅為中亞干旱區古氣候演變機制提供了新的動力學解釋，也提示氣候模式對天山復雜地形及其熱力效應的準確模擬對我們準確理解和認識中亞干旱區當前和未來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，紫色叉號表示石筍δ18O記錄，紫色加號為伊塞克湖、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月發表在中國科學院一區Top期刊Science China Earth Sciences上。西安地球環境創新研究院沙瑩瑩副研究員為第一作者，中國科學院地球環境研究所石正國研究員為通訊作者。研究得到國家自然科學基金(42494910、42221003、42030512、42107477、42205037)、嶗山實驗室科技創新項目(LSKJ202203300)和中國科學院青年創新促進會項目(Y2022101)等項目資助。

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, 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降水的偶極子響應. 中國科學: 地球科學, 55(11): 3793–3805, doi: 10.1360/N072025-0163