综述：亚非地区千年水分格局与海气环流模式变化的对应关系

《Global and Planetary Change》：Millennium moisture patterns across Afro-Asian regions corresponding to variations in ocean-atmosphere circulation modes

　　

摘要

过去千年来的水分变化为解读当前水气候过程并提供近期必要的预测提供了关键知识。此处我们提供了关于非洲 - 亚洲地区过去千年基于代用指标的水分记录的全面综合，代表了显著的时空格局。东亚夏季风（EASM）地区盛行经向三极型模式，揭示出中世纪暖期（MWP）期间明显的湿 - 干 - 湿格局，而小冰期（LIA）期间则出现反向阶段，这主要受厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）相位驱动，并受太平洋年代际涛动（PDO）状态调节。印度 - 东非季风（IEAM）地区基于代用指标的水分变化表现出广泛的纬向偶极型格局，中世纪暖期期间印度夏季风（ISM）区域相对湿润，而东非季风（EAfM）区域相当干燥。整体格局在小冰期期间反转，这被认为受与印度洋偶极子（IOD）相关的区域大气对流和水分输送变化调节。中亚干旱区（ACA）的水分状况总体上从中世纪暖期的相对干燥转变为小冰期的相当湿润，这可能与西风带、风暴路径以及与北大西洋涛动（NAO）相关的水分输送变化有关。此外，热带印度洋海表温度（SST）梯度、热带太平洋经向 SST 梯度和 NAO 相位之间显示出显著的相关性，表明全球水分变化存在综合强迫机制。特别是，ENSO 相位对东亚夏季风系统表现出显著的控制作用，并通过与 IOD 和 NAO 模式的耦合遥相关对 IEAM 和 ACA 产生可能影响。

引言

在过去一个世纪里，人为全球变暖已被广泛报道，特别是近几十年观察到的急剧趋势，这引发了对全球气候模式的明显影响（Bj?rklund et al., 2023; IPCC, 2021; PAGES 2k Consortium, 2013）。然而，水分模式对此变暖过程的响应表现出显著的空间差异（Sun and Wang, 2015; Zhang and Wang, 2024; Zhang et al., 2021a）。据报道，中到高纬度甚至干旱地区的降水增加，而各种季风领域经历了降水减少或季节波动（Greve et al., 2014; Ye et al., 2013）。这些差异代表了水分模式对气候系统变化的复杂性（Dai, 2013）。为了识别和量化气候变化及其潜在驱动机制，对过去千年的气候历史进行全面综合至关重要（Jones and Mann, 2004）。

中世纪暖期（MWP）和小冰期（LIA）是过去千年的两个关键阶段，主导着自然气候变率（Graham et al., 2011; Moberg et al., 2005）。各种温度重建显示了一致的时间模式，揭示出与小冰期相比，中世纪暖期条件相对较冷（Esper et al., 2002; Mann et al., 2009; PAGES 2k Consortium, 2013）。然而，水分变化的显著空间异质性被广泛报道（Chen et al., 2019b; Jiang et al., 2023; Li et al., 2022; Nash et al., 2016）。例如，中世纪暖期期间，西撒哈拉、突尼斯和南部非洲的降水显著增加，而相邻大陆经历了显著的干燥过程（Lüning et al., 2018; Nash et al., 2016）。同样，1400 至 1900 年青藏高原的水分模式记录显示显著的空间差异，揭示了沿纬度和经度梯度的明显差异（Li et al., 2022）。这些发现强调了区域大气环流动力学和地表特征在调节水分变化方面的潜在影响（Chen et al., 2024; Wang et al., 2026）。因此，调查水分变化在十年到百年时间尺度上的时空模式，结合潜在的大气环流相互作用，对于理解过去千年的水分演化至关重要（Hegerl et al., 2015; Markonis et al., 2018）。

季风亚洲、中亚干旱区和东非涵盖了从湿润季风领域到干旱大陆内部的广阔水气候梯度，水分变化主要受季风系统和纬度西风带调节（Chen et al., 2019b; Nicholson, 2017）。区域气候重建显示，1000 至 1300 年东亚夏季风地区内部存在显著的经向水分分化，随后 1400 至 1900 年出现广泛反转的配置（Chen et al., 2015; Jiang et al., 2023; Wang et al., 2022）。印度夏季风地区在 900 至 1350 年间普遍较湿润，在 1500 至 1800 年间变得干燥，这与北东亚夏季风地区的模式大致一致，可能与热带辐合带的经向位移有关（Dixit and Tandon, 2016; Fu et al., 2022; Wang et al., 2016）。另一方面，赤道东非经历了从相对干燥到相当湿润的转变，这可能与印度洋海表温度梯度的变化有关（Lüning et al., 2018; Nash et al., 2016; Verschuren et al., 2000）。中亚干旱区也从相对干燥转变为湿润，响应于北大西洋风暴路径的变化（Chen et al., 2010, Chen et al., 2015, Chen et al., 2019b）。总的来说，这些研究建立了理解过去千年水气候模式的广泛框架，以及单个区域内可能的驱动机制。然而，以前的综合研究主要集中在区域变率或单个环流模式上，而单个环流领域之间水气候异常的更大空间组织以及对大规模气候模式的潜在响应未得到充分评估（Chen et al., 2015, Chen et al., 2019b; Dixit and Tandon, 2016; Li et al., 2022; Nash et al., 2016）。现代气象学研究表明，环流系统之间通过遥相关和反馈存在复杂关系，即单个模式的区域气候效应可能受其他环流过程调节（Cai et al., 2019; Li et al., 2024a）。然而，目前关于这些过程的知识主要来自现代观测和数值模拟，而它们在过去年水气候变化中的潜在表现仍未受到区域水气候证据的充分约束（Li et al., 2022; Nash et al., 2016）。

为了解决这些问题，本研究基于统一的跨区域框架，系统地综合了季风亚洲、中亚干旱区和东非覆盖过去千年的水气候记录。主要目标是：（1）识别区域水气候变化的时空格局，特别强调中世纪暖期和小冰期的水分状况；（2）探索区域水气候波动的动力学机制；（3）评估区域水气候模式之间以及响应大规模气候模式的潜在相关性。

章节片段

水分记录收集

为了调查小冰期和中世纪暖期期间季风亚洲、中亚干旱区和东非的水分状况时空格局，基于以下标准选择了已发表的古水分记录。1) 解释的代用指标应表明区域水分变化。2) 记录需要跨越自 1000 年以来至少 600 年的连续时间，并且调查期内通常包含至少四个年代学控制点

过去千年水分变化的时空格局

一般来说，综合的水分记录表明过去千年存在显著的空间异质性（图 2，图 3）。中世纪暖期期间，北东亚夏季风（nEASM）、南东亚夏季风（sEASM）和印度夏季风（ISM）区域主要特征为相对湿润的条件，而中央东亚夏季风（cEASM）、东非季风（EAfM）和中亚干旱区（ACA）区域则经历了普遍的干旱情况。小冰期期间，区域水分格局广泛转变为相反的条件。

水分变化背后的潜在机制

区域水分变化被广泛归因于外部强迫，例如太阳辐射的变化（Dykoski et al., 2005; Fleitmann et al., 2003）以及相应热带辐合带（ITCZ）的经向位移（Haug et al., 2001; Yancheva et al., 2007），提供了大规模气候模式的必要机械证据。然而，这种半球尺度上的均匀模式限制了其对显著区域异质性的潜在解释力，

总结与结论

基于气候记录的全面综合，评估并调查了过去千年季风亚洲、中亚干旱区和东非的水分时空格局及其潜在驱动机制。东亚夏季风地区的水分变化表现出显著的经向三极型模式，江淮地区（中央东亚夏季风）显示出与北东亚夏季风和南东亚夏季风反相的格局。中世纪暖期期间，湿 - 干 - 湿三极型格局主导了

CRediT 作者贡献声明

崔凯：撰写 - 初稿，软件，方法论，调查，正式分析，数据整理。王拥博：撰写 - 审阅与编辑，方法论，经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢 Fabienne Marret-Davies 教授（编辑）和两位匿名审稿人提出的建设性建议，这些建议改进了我们的手稿。本研究得到国家自然科学基金（编号：42277444，41877282）的财政支持。

崔凯 | 王拥博

首都师范大学资源环境与旅游学院，中国北京，100048