地球环境研究所基于高分辨率数值模拟揭示中全新世中亚干旱区降水偶极子模态

中亚干旱区作为全球最大的非地带性干旱区，在气候变暖背景下正经历着复杂的水文气候变化过程。中国西北地区在近几十年呈现出显著的暖湿化转型特征，而中亚五国则表现为一定的干旱化特征。然而，目前我们对中亚干旱区这种空间异质性变化的成因机制尚不明确，多数全球气候模式也难以对这一区域变化进行准确模拟。

近日，中国科学院地球环境所气候变化集成-模拟-同化-预测科研团队通过利用美国国家大气研究中心（NCAR）的地球系统模式CESM开展中全新世高分辨率（水平分辨率为～50km）数值模拟研究工作，并结合PMIP4-CMIP6的14个模式模拟结果，系统性评估了中全新世中亚干旱区夏季降水变化特征及其作用机制。数值模拟结果表明，中亚夏季降水主导区降水表现为显著的南北反位相变化（图1）：塔里木盆地降水显著增加，而天山以北地区如哈萨克斯坦、阿尔泰山一带则明显变干。这一模拟结果与湖泊沉积、黄土、石笋氧同位素等多种古气候代用指标记录高度一致。

进一步研究表明，中亚干旱区降水南北偶极子模态与中纬度西风和亚洲夏季风系统的进退演变有关。中全新世夏季，轨道日射驱动北半球中纬度西风带减弱、急流轴北移、并伴随西风带波列调整，从而作用于干旱区北部降水减少。南部降水增多与天山热源加强密切相关。在轨道日射驱动的中全新世偏暖的北半球夏季，增强的天山大气热源扮演了"热力泵"的角色，它通过加强季风型气旋性环流，更有利于将增强的亚洲夏季风水汽向西输送至塔里木盆地，从而增加降水（图3）；同时进一步加强西风带的减弱、北移和波列调整，在天山以北引发大范围下沉气流，导致干旱化加剧。研究强调，天山地形加热在驱动季风水汽向西输送的过程中发挥了与青藏高原热源类似但独立的关键作用（图4）。

这项研究不仅为中亚干旱区古气候演变机制提供了新的动力学解释，也提示气候模式对天山复杂地形及其热力效应的准确模拟对我们准确理解和认识中亚干旱区当前和未来水文变化具有重要意义。

图1 基于高分辨率CESM和IPSL-CM6A-LR模拟的中全新世夏季降水相对变化(%)

图中绿色圆圈/红色三角代表记录显示中全新世较晚全新世偏干/湿，紫色叉号表示石笋δ18O记录，紫色加号为伊塞克湖、博斯腾湖及巴里坤湖的湖泊沉积记录。

图2 高分辨率CESM模拟的中全新世夏季非绝热加热率(°C d-1)和水汽输送(kgm-1 s-1)变化

上述研究成果于2025年11月发表在中国科学院一区Top期刊Science China Earth Sciences上。西安地球环境创新研究院沙莹莹副研究员为第一作者，中国科学院地球环境研究所石正国研究员为通讯作者。研究得到国家自然科学基金(42494910、42221003、42030512、42107477、42205037)、崂山实验室科技创新项目(LSKJ202203300)和中国科学院青年创新促进会项目(Y2022101)等项目资助。

全文详见：

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

沙莹莹, 石正国, 张晓菲, 尚可, 周朋, 舒培仙, 雷婧, 李新周, 程海, 安芷生. 2025. 中全新世天山热源异常与中亚干旱区降水的偶极子响应. 中国科学: 地球科学, 55(11): 3793–3805, doi: 10.1360/N072025-0163