竺可桢先生是中国气象学家、地理学家，中国近代气象事业主要奠基人。竺可桢先生历时50 余年的积累对中国古代有关历史文献进行整理分析，于20世纪70年代初发表了博大精深的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》宏文[1]，开创了中国历史气候变化研究的新领域。竺先生不仅奠定了中国历史气候研究方法的基础, 建立了中国五千年来高分辨率的温度变化基本脉络, 同时也提供了利用历史文献记载、物候记载及考古发掘证据进行集成研究的范例，对气候变化研究做出了重要贡献。
自竺先生奠基性的工作以来, 我国历史气候变化研究工作已取得了重大进展[2-6]。近年来，历史文献记载、物候、沉积、树木年轮、积雪冰川、动植物分布、地衣测量、孢粉分析等资料方法以及历史气候数值模拟方法得到广泛应用，深化了对我国历史时期温度变化特征的认识。
数值模拟研究方法能够弥补历史气候资料重建方法的不足，是历史气候变化研究的两个基本手段之一。在古气候研究中，气候模式主要用于恢复重建历史气候变化，探索过去气候变化原因与机理。气候模拟方法具有以下优点：（1）能够弥补代用资料在空间和时间上的不连续且数量有限的不足；（2）能够定量分析气候与各种强迫因子的关系，对历史气候变化的过程与成因进行物理解释；（3）通过模拟结果与历史气候重建资料的对比，能够减少气候重建中的不确定性。历史气候模拟有助于回答以下三个问题：（1）如何确定近千年来三个典型时期（中世纪暖期（MWP）、小冰期（LIA）和20世纪暖期（PWP））的开始和结束时间？（2）哪个时期增暖更强，MWP还是PWP？时空分布特征有何异同？（3）历史气候时期年代到世纪尺度气候变化的过程和机制是什么？此外，历史气候数值模拟也能够对气候模式的模拟性能进行检验，帮助改善和发展气候模式。基于以上优点，历史气候数值模拟方法日益受到古气候研究者的重视。
本文试对近5 年来我国历史气候数值模拟研究进展进行综合评述，并对未来的研究方向进行展望。
1、历史气候变化特征及其成因的模拟研究
Zhou等(2008)利用中科院大气物理所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室研制的气候系统模式FGOALS开展了过去1000年古气候模拟，包括对三个典型时期时间片段的模拟，即MWP （1100-1200AD），LIA（1650-1750AD）和PWP（1900-2000AD）[7]。模拟结果能够再现出MWP和PWP的增暖以及LIA的变冷趋势，MWP和PWP的温度变化分别比LIA增暖0.36℃和0.41℃，与重建资料大体相当。分析表明，太阳辐射和火山活动的演变可以在很大程度上解释MWP和LIA的冷暖事件，同时CO2和CH4浓度的显著增加在PWP的快速增暖中发挥最重要的作用。研究还指出，MWP和PWP的变暖是全球尺度的现象，但在北大西洋地区存在局地变冷中心。LIA的变冷也是全球尺度的现象[8,9]。
近年来，我国学者还利用国外的气候模式开展了历史气候模拟研究。Ge等利用GKSS全球大气海洋GCM（ECHO-G）模式的千年模拟，考虑了外部强迫因子，包括太阳变率，温室气体大气浓度CO2和CH4以及平流层火山气溶胶的辐射效应。大气层顶的辐射通量还包括了太阳黑子和宇宙射线的作用。模式模拟结果与中国东部（25°－40°N，105°E以东）过去1000年冬半年温度距平的比较表明，该模式能够较好地重现MWP、LIA以及PWP，相关系数可以达到0.37，超过统计显著性97.5%的水平[10]。该模式还能模拟出Maunder太阳黑子极小期（1670-1710 AD）。但在MWP早期，模拟与重建资料存在较大偏差。结果表明，太阳辐射和火山活动是区域气温变化的重要控制因子，在过去100年的变化可以由温室气体浓度的变化解释[11]。
况雪源等（2009）也分析了该模式对历史气候的模拟能力[12]。从模拟情况与树轮反演降水的对比来看，二者相关系数达到0. 40，超过99%的置信度。虽然树轮反演的降水在长期趋势上不如模拟的明显,但二者在百年际尺度上的峰谷对应是比较一致的，二者均在198年处体现出了最明显的百年际周期，还有20～30年左右的年代际周期,表明模拟结果较好地体现了降水的年代际及百年际尺度的变化，与树轮代用资料具有高度的一致性。从模拟结果与青海湖湖芯的结果来看,二者相关系数为-0.22，亦较好地体出了模拟降水多的时段对应湖水盐度低，而模拟降水少的时段对应湖水盐度高。说明ECHO-G较好地模拟了中国不同区域近千年降水的时间演变特征。
刘健[13]采用相同的模式ECHO-G完成了1000模式年的长时间积分气候模拟，并通过拟合分析与比较，揭示了太阳辐射是近千年来中国东部温度变化的主控因子，而温室气体含量的增加是近百年来温度上升的主要因素，然而单个外强迫对千年气候变化的贡献没有进一步的试验和分析。
Liu等（2009）[14]还利用该模拟试验结果，分析了全球季风降水与外部强迫和人类强迫的关系，指出模拟的降水强度存在显著的准200年振荡，在过去1000年里，LIA时期降水减少，三个降水最少的时期分别发生在1460、1685和1800年，与太阳活动的Spörer极小、 Maunder极小和Dalton极小相对应。降水强的时期发生在MWP。最近30年的降水变化空间分布，表现出与MWP明显不同的特征。这表明，因为大气温室气体浓度增加引发的全球变暖，与太阳活动造成的全球变暖具有不同的降水特征。
此外，国内学者还进行了自然强迫作用的检测研究。Yin等（2007）应用McGill古气候模式MPM-2以及重建的太阳和火山活动自然强迫资料，研究了工业革命前（1000-1800年）无人类活动情况下的气候变化。结果显示，太阳变率和火山活动可以解释地表气温的变化，包括全球尺度和北半球尺度。太阳变率造成长期气候变化趋势，火山活动则可能加强或者减弱这种趋势。自然强迫可以很好地解释MWP和LIA的变化[15]。尹崇华等[16]比较了北半球气候变化与中国气候变化的异同，认为从总体上看,两者间长期趋势是一致的, 即温度都是逐渐变冷的。其次, 二者都明显地反映出了中世纪暖期和小冰期以及二者之间的过渡时期。但是在细节上, 二者也存在较大的差异。如中国的温度变化幅度远大于北半球平均,中国区域的温度变率显著大于北半球平均, 而且一些对模拟结果具有重要影响的火山活动, 在中国区域并没有很好地表现出来。
中国东部夏季降水的变化是历史气候模拟的重要方面。Shen等（2009）研究了过去一千年中国东部夏季降水的变率[17]，指出世纪尺度的振荡（65-170年）与太阳强迫相联系（Gleissberg循环）。而15-35年和40-60年振荡可能与气候系统的内部变率有关。该研究还发现，过去20年我国东部出现的“南涝北旱”现象在过去5个世纪里是异常的。
彭友兵（2009）[18]利用气候系统模式CCSM2.0.1逐个和综合考察气候系统外部因子和内部因子对过去千年气候变化（温度和降水）的作用和影响。模拟结果显示，在综合了所有随时间变化的外强迫(轨道参数、太阳活动、火山活动和温室气体浓度变化)作用下的模拟值与重建值在北半球、中国区域和中国东部区域的气温变化在年代际尺度和百年尺度变化上具有相当的一致性，能够反映出MWP、LIA和PWP，证明中世纪暖期、小冰期和20世纪暖期具有全球性。但中世纪暖期和小冰期并不是稳定的时期，另外中世纪暖期时南北半球气候变化呈现不同的格局，说明气候变化存在区域差异。过去千年降水变化较温度变化复杂，更具有局地和区域特性。模拟显示中国东部降水在中世纪暖期围绕千年均值上下波动，而在小冰期为干旱时期，1890年后气候变得湿润。重建与模拟结果均显示过去千年温度和降水变化存在年代际与百年时间尺度变率。
彭友兵[18]的研究提出，轨道参数变化决定了近千年来的气候变化的千年尺度趋势，太阳活动是中世纪暖期和小冰期百年尺度上气候变化的主导因子，当太阳活动最小期与大的火山活动一起出现时，就会出现降温极值和中国东部降水量急剧减少，说明了火山活动对降温和干旱起了强化作用，温室气体浓度变化对工业革命前的气候变化影响不大，但在17世纪和16世纪由于CO2和CH4浓度降低，引起降温，为1680-1710年小冰期最冷期的出现起了强化作用，对工业革命后的升温和中国东部降水增加起着比太阳活动和火山活动更为重要的作用。她通过海陆热力差异的变化解释了大火山活动导致中国东部夏季降水显著减少的物理机制，还通过PDO与中国东部降水的相关分析提出PDO对华北中世纪暖湿和小冰期冷干气候特征均有贡献。
2、土地利用变化对历史气候变化的模拟研究
李巧萍等（2006）利用国家气候中心改进的高分辨率区域气候模式（RegCM-NCC）模拟研究了中国近代历史时期土地利用/覆盖变化对中国区域气候的影响[19]。模拟结果显示，1700年以来以森林砍伐、草地退化及相应耕地面积扩大为主的土地利用变化可能对中国区域降水、温度产生了显著影响。1700～1900年期间，由于土地利用的变化使华北、西南等地区降水呈减少趋势，但近50年来却使长江中下游地区、西北、东北部分地区降水有所增加。1700～1800年间的土地利用变化使得除东北及长江流域地区外的大部分地区温度呈下降趋势，1900年以后有所升高，特别是近50年来中国大部分区域平均气温升高，与这一时期由于大气中温室气体排放浓度增加造成的温度升高相一致。另外，土地利用变化不仅使大气温度、湿度发生变化，还可引起基本流场的变化，使东亚冬、夏季风气流有所增强，这主要是由于植被变化改变了地面温度，使海、陆温差进一步增大的结果。这个研究表明，土地利用变化对区域尺度气候变化的影响是不容忽视的。
还有国内学者利用全球气候模式研究了过去一千年土地利用变化对气候变化的作用。Shi等（2007）利用McGill 古气候模式MPM-2开展了一系列试验[20]。以耕地面积的变化来近似代表森林砍伐的动态过程。模拟显示，近300a来大面积的森林砍伐使全球变冷了0.09～0.16℃，而北半球年平均温度降低了0.14～0.22℃，尤其在春季更为显著。
3、历史气候数值模拟的研究展望
从上述历史气候数值模拟研究进展看，气候模式能够重现历史气候的主要特征，但与历史气候重建序列相比，在某些方面仍存在较大差异。如何减少模式模拟的不确定性是个极大挑战。利用集合试验来减小气候内部变率的不确定性是降低这些差异的方法之一。气候模式中次网格尺度过程的参数化也需要进行更多的改进。为了研究区域极端事件，需要更多地应用区域气候模式。当然也需要利用多种代用资料重建更多的过去长时期可信序列，从而来扩展我们对过去气候变化的了解，以得到更有意义的模式模拟和重建恢复之间的比较结论。
在历史气候变化机制和过程的模拟研究中，不仅考虑太阳辐射变化和火山活动以及温室气体如CO2和CH4的变化，还需要考虑一系列潜在的重要因子，如对流层人为硫酸盐气溶胶，土地利用和植被以及其他温室气体的变化。在目前的模拟研究中将火山爆发的影响仅处理为导致太阳辐射的减少，相当简单。另外，在模式中使用的火山活动序列没有考虑火山气溶胶的季节、纬度及高度分布变化，而这是真实模拟火山爆发对气候变化作用的重要部分。此外，对历史气候变化的要素需进一步扩展，不仅包括温度和降水，还应包括大气环流的变化，如200hPa急流和500hPa副热带高压以及850hPa风和湿度场等。
最后，为建立具有较好一致性的、格点化的历史气候代用资料序列集，应尽快研发历史气候代用资料同化模型。结合气候模式和历史气候资料的特点，选择计算量小且能保证足够精度要求的最优插值方法、变分等同化方法，得到有较高时间连续性和空间一致性的网格化历史气候分析资料。这对于历史气候研究极为重要。
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