气候系统10万年周期变化的随机动力学模拟-南京信息工程大学大气.pdf

中国科学: 地球科学 2015 年 第45 卷 第5 期: 656 ~ 664 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 气候系统10 万年周期变化的随机动力学模拟 ①* ② 段明铿 , 周秀骥 ①南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室, 南京 210044; ② 中国气象科学研究院, 北京 100081 * E-mail: mingkeng@ 收稿日期: 2014-07-16; 接受日期: 2014-11-20 国家自然科学基金项目(批准号:和江苏高校优势学科建设工程项目资助 摘要 以随机共振理论为基础, 从随机动力学的角度模拟研究了地球气候 10 万年周期变 关键词 化的形成机理. 将理想反照率模型与气候系统的地质证据和观测事实相结合, 构建了新的反 太阳辐射 气候变化 照率模型; 并将其引入零维能量平衡模式后, 形成了满足双稳条件的非线性系统. 基于这一 随机动力学 系统, 模拟研究了同时考虑太阳辐射周期变化和各种随机扰动时的气候系统 10 万年周期变 随机共振 化情况. 结果表明, 当噪声强度达到一定数值时, 均可产生随机共振现象. 但是这种噪声强 能量平衡模式 度在实际的气候系统中并不存在. 为了解释弱的太阳辐射周期变化强迫产生 10 万年冰期、 间冰期旋回的机制, 除了考虑太阳辐射随机扰动量, 还需要考虑其他非太阳辐射随机扰动量 对这一气候变化过程的随机动力学影响. 对同时考虑太阳辐射随机扰动量和非太阳辐射随 机扰动量的模拟分析结果表明, 当同时引入适当的、目前观测到的这两类随机扰动量时, 也 可以产生随机共振现象, 其中太阳辐射随机扰动的贡献率约为38%, 证明太阳辐射随机扰动 对10 万年气候周期的形成具有重要作用. 大气随机动力学是大气科学领域一个新的发展 (1964)提出的暖云降水起伏理论都考虑了不同类型 方向, 但目前关于随机动力学的研究还很薄弱, 尚未 大气过程中随机扰动因子的重要影响. 这些研究说 形成完整的体系. 目前, 大气科学总体上仍处于在确 明, 对于一个非线性系统(例如地球大气), 当其远离 定性科学框架内, 随机扰动常被视为可忽略的小量, 平衡态而处于不稳定状态时, 任意小的扰动作用于 或仅考虑其被动的耗散或扩散作用, 而很少关注其 系统时都有可能被放大, 甚至决定系统发展的趋势, 在某些情况下所起的关键作用. 但实际上, 地球大气 并在系统中有组织地涌现出新的有序结构( 胡岗, 时时处处都处于叠加在确定性平均运动上的起伏状 1994). 态, 存在着各种类型的随机扰动因子, 因此在研究、 米兰科维奇理论(Berger, 1988)认为, 第四纪晚 模拟和预测大气过程时可能必须考虑随机扰动因子 期(过去70 万年) 以来气候以2~10 万年为周期的一系 的重要影响(周秀骥, 2005). 例如, Benzi等(1982)提出 列冰期- 间冰期旋回变化特征是由北半球夏季高纬地 的“ 随机共振(stochastic resonance)” 理论和周秀骥 区太阳辐射变化(地球轨道偏心率、黄赤交角及岁差 中文引用格式