类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Jingyun Zheng，来自中国科学院地理科学与资源研究所陆地表面格局与模拟重点实验室（Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences）。其他作者包括Xuezhen Zhang、Mengxin Bai和Zhixin Hao，分别来自中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）和北京师范大学地理科学学部（Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University）。研究发表于《Global and Planetary Change》期刊，2021年第205卷，文章编号103596。

学术背景
本研究聚焦于前工业化时期中国北方（North China, NC）特大干旱（megadroughts）的潜在成因。特大干旱是指持续十年甚至更长时间的极端干旱事件，其影响远超普通干旱，可能导致粮食减产、水资源短缺甚至社会动荡。中国北方作为人口密集和粮食主产区，对干旱极为敏感。然而，由于仪器观测数据仅覆盖20世纪中期以来的记录，对更长时间尺度的特大干旱机制认识有限。因此，研究团队结合古气候代理数据（如树轮、历史文献）和气候模型模拟（CMIP5/PMIP3），从遥相关（teleconnection）角度探讨中国北方特大干旱的驱动因素及其与北半球（Northern Hemisphere, NH）水文气候的空间关联。

研究流程与方法
1. 数据来源与处理
- 气候模型数据：使用8个CMIP5/PMIP3模型的“全强迫实验”（full forcing experiments，包含外部强迫如火山气溶胶、太阳辐射变化等）和“控制实验”（control experiments，仅包含内部变率）。时间范围为850-1850年（前工业化时期），以避免人为温室气体干扰。
- 代理数据：
- 中国北方干湿指数（500-2000年）：基于历史文献记录的21个站点数据，通过10年滑动窗口计算干旱频率。
- 北半球196个站点的干湿指数（800-2000年）：整合树轮、湖泊沉积物、石笋等多源代理数据，归一化后插值为年分辨率。
- 标准化降水指数（SPI）计算：将月降水量拟合为伽马分布，转换为符合正态分布的SPI，用于量化干旱强度。

1. 特大干旱事件筛选

   • 定义“特大干旱”为SPI低于5%分位数的十年尺度干旱事件。
     
   • 从模型模拟和代理数据中分别筛选中国北方前五大特大干旱事件（如1146-1155年、1634-1643年等）。
     

2. 水文气候空间模式分析

   • 对比全强迫实验与控制实验中北半球SPI异常的空间分布，验证外部强迫的作用。
     
   • 通过代理数据重建北半球干旱同步性，验证模型结果的可靠性。
     

3. 大气环流机制分析

   • 分析特大干旱期间的地表气温、海平面气压、500 hPa位势高度、水汽输送等变量的异常特征。
     
   • 重点研究北大西洋涛动（NAO）的负相位对中纬度罗斯贝波（Rossby wave）的激发作用及其对北半球干旱的影响。
     

主要结果
1. 北半球干旱同步性
- 全强迫实验显示，中国北方特大干旱期间，北半球40.59%的陆地区域（如北美、欧洲）同步出现显著干旱，而控制实验仅能模拟局部干旱（15.60%陆地区域）。代理数据验证了这一模式，表明外部强迫是关键驱动因素。

1. 外部强迫的冷却效应

   • 火山喷发或太阳活动极小期导致全球冷却，削弱了西太平洋至东亚的气压梯度，减少水汽输送；同时，冷却背景下中国北方出现垂直下沉运动，抑制对流和降水。
     

2. NAO负相位的遥相关作用

   • 外部强迫触发NAO负相位，增强中纬度东向波列，加深北美大槽和欧洲大槽，导致槽后偏北风增强，高纬度水汽输送减少，进一步加剧北半球干旱。
     

结论与价值
本研究揭示了中国北方特大干旱与北半球干旱的协同性，并证明外部强迫（如火山活动）通过冷却效应和NAO负相位遥相关机制起主导作用。这一发现挑战了仅依赖内部变率（如PDO、AMO）的传统解释，为理解千年尺度气候突变提供了新视角。此外，研究指出当前CMIP5预测未考虑自然外部强迫，可能低估未来特大干旱风险，对气候政策制定具有警示意义。

研究亮点
1. 多数据融合：首次结合CMIP5/PMIP3模型与多源代理数据，系统验证了前工业化时期特大干旱的半球尺度特征。
2. 机制创新：提出“外部强迫-NAO负相位-中纬度波列”的连锁反应机制，解释了区域干旱与半球环流的关联。
3. 应用价值：强调未来气候预测需纳入自然强迫因素，为灾害风险评估提供科学依据。

其他有价值内容
- 研究对比了火山喷发与太阳活动极小期的影响，发现火山活动的干旱触发效应更显著。
- 指出代理数据与模型在亚洲中部湿润条件上的分歧，未来需改进陆-气耦合过程的模拟。