摘要：利用通用地球系统模式CESM的过去2000年气候模拟试验结果，在与历史重建资料以及观测/再分析资料进行对比验证的基础上，分析了蒙古帝国扩张时期，即十三世纪上半叶蒙古高原气候变化的特征并初步探讨了其成因。结果表明：蒙古高原地区在公元1200至1250年间气候较为温暖湿润。地表温度的变化全区一致增暖，其变化在多年际尺度上主要受气候系统内部变率影响，而在年代际尺度上主要受太阳辐射变化影响。降水量的变化同样呈现全区一致增加，且由北向南距平值逐渐增大，其主要受太阳辐射影响。
关键词：气候变化；气候模拟；蒙古帝国；区域差异；成因分析
1 引言
近年来全球气候极端事件频发，气候变化研究已成为科学界关注的焦点。IPCC第五次评估报告指出，未来气候变化的加剧很有可能带来更多的极端天气与气候事件，从而对人类生存环境以及经济发展造成严重威胁[1]。如何应对气候的剧烈变化已成为人类社会可持续发展中的重大课题。探究历史时期气候变化与社会变迁之间的关系，能够为应对当前及未来全球气候变化提供参考和借鉴[2]，增强对当代气候变化影响与人类社会适应的理解[3]。因此，探究社会变迁背后的自然气候因素已成为当前全球变化研究的前沿热点[4-5]。
国内外越来越多的研究发现，历史上多个时间尺度的人口迁徙、经济波动、社会动乱乃至朝代更替等社会事件与相应时期的气候变化存在着密切而又复杂的对应关系[6-9]。气候的变化可能导致战争、人口波动、文明的衰落与崩溃，同时也有可能促进创造性的发明、社会变革以及文明的兴盛[10]。目前已有学者对历史上某一具体时期社会变迁背后的气候因素进行了研究。Yancheva等[11]使用雷州半岛湖光岩钻孔代用资料分析了16000年以来东亚季风的变化，并指出中国唐朝的衰亡与当时冬季风增强、夏季风减弱造成的干旱气候有因果关系；Zheng等[12]通过探究晚明时期低温冷害、极端旱灾对社会的影响程度，证明明朝灭亡与明末时期的低温干旱气候有一定关系。但是，目前大部分的研究都是针对政权的衰亡，对于朝代兴盛过程中的气候因素探究很少。
蒙古帝国（1206-1259年），正式国号为大蒙古国，是一个横跨欧亚两大洲的全球性帝国，其在鼎盛时期疆域面积达3300万平方公里。蒙古帝国建立后屡次对外扩张，武力兴盛时期曾发动三次西征。1219年成吉思汗开始第一次西征，1223年蒙古军队到达黑海北岸。1227年成吉思汗去世，其继任者窝阔台继续征伐，并在1238年夺取莫斯科，1240年攻陷基辅，并在1241年入侵地处中欧的布达佩斯[13]。三次西征中蒙古帝国累计侵吞40多个国家。蒙古族为游牧民族，“其畜之所多，则马牛羊”，因此对牲畜的管理技术较为成熟。加以蒙古草原旷野万里，蒙古人自幼驰骋在草原上，其骑术熟练，故骑兵特别发达[14]。然而骑兵的组建受制于马匹的数量与质量，马匹是否充足健壮则与草原牧草生长情况密切相关，而牧草的生长直接受制于气候环境。目前已有相关研究表明，蒙古帝国的建立以及随后的三次西征都主要发生在中世纪暖期中[15]，并且，蒙古高原地区在十三世纪上半叶属于相对较温暖的时期[16]，同时经历了从未有过的持续湿润性气候[17]。尽管已有研究通过气候模拟表明中国区域在工业时代以前的气候变化主要受自然因素影响[18]，但是，至今尚无学者对十三世纪上半叶这一特定历史时期气候的形成原因进行过深入分析。
气候模拟是研究气候变化的成因和机理的有效手段，虽然其存在初始场、强迫场、次网格过程参数化等因素所带来的误差[19]，但其较高的时空分辨率可以弥补仅用代用资料研究的不足，使我们能够更加细致地认识气候变化的时空特征，并且可以探讨不同外强迫因子与气候系统内部变率对气候变化的影响。因此，本文利用通用地球系统模式（Community Earth System Model, CESM）进行了多个过去2000年瞬变积分气候模拟试验，在验证模拟结果合理性的基础上，依据模拟资料分析了十三世纪上半叶蒙古高原地区的气候特点及其成因，并探究了气候变化与蒙古帝国扩张的关系。
2 模拟试验与结果验证
2.1 模拟试验
通用地球系统模式是由美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research, NCAR）在2010年发布的[20]。我们利用该模式已完成8个过去2000年的气候模拟试验，模式分辨率为3.75°×3.75°。本文利用其中的4个单因子敏感性试验、1个控制试验（Control experiment, Ctrl）和1个全强迫试验（All Forcings experiment, AF）的结果进行分析。4个单因子试验包括太阳辐射敏感性试验（Total Solar Irradiation experiment, TSI）、火山活动敏感性试验（Volcanic eruptions experiment, Vol）、温室气体敏感性试验（Greenhouse gas experiment, GHGs）以及土地利用/覆盖敏感性试验（Land Use and Land Cover Change experiment, LUCC）（表1）。试验的外强迫条件包括地球轨道参数[21]、太阳辐射[22]、火山活动[23]、温室气体[23]以及土地利用/覆盖[25]，具体试验详见参考文献[27]。此外，由于气候变化对社会的影响存在一定的滞后性[28]，因此本文分析时先对各试验结果以及外强迫因子序列进行了5年滑动处理。
2.2 模拟结果验证
为了验证模拟结果的可靠性，本文使用现代观测/再分析资料以及重建资料与全强迫试验（AF）的模拟结果进行了对比（表2）。首先采用美国国家环境预报中心的观测/再分析资料[29]（National Centers for Environmental Prediction, 简称NCEP）与模式模拟的蒙古高原（37°46′~53°08′N，87°40′~122°15′E）年均地表气温进行对比，然后使用美国气候预测中心的降水集合分析资料[30]（Climate prediction center Merged Analysis of Precipitation,简称CMAP)进行年降水量的对比，最后采用杨保等[31]重建的过去2000年中国区域温度距平序列和史峰等[32]重建的过去1000年中国区域温度距平序列与模式模拟的温度序列进行对比。
图1a、1b分别为全强迫试验AF模拟的1979-2000年蒙古高原地区地表气温和观测/再分析资料NCEP（1979-2000年）的气候平均态，图1c、1d分别为全强迫试验AF模拟的1979-2000年蒙古高原地区降水和观测/再分析资料CMAP（1979-2000年）的气候平均态，四幅图均有 11×6共66个网格点。由于NCEP与CMAP空间分辨率为2.5°×2.5°，为了便于与模式模拟结果进行对比，首先将NCEP和CMAP资料进行高斯格点插值，使其转化为模式相同的分辨率（3.75°×3.75°）。此处模式模拟数据未经过滑动处理。从图中可以发现模拟结果与观测/再分析资料空间分布形态较为相似，图1a、1b的相关系数为0.97，图1c、1d的相关系数为0.91，均通过0.05的显著性检验。因此CESM能够较好模拟蒙古高原区域地表温度和降水量的空间分布特征。
图2为公元1000至1500年中国区域平均温度距平时间序列（相对于1851-1950年）。其中绿线为杨保等人重建的温度距平序列（Yang序列），蓝线是史峰等人重建的温度距平序列（Shi序列），红线为全强迫试验得到的温度距平序列（AF序列）。灰色阴影部分是对两条重建序列分别做出的±2倍标准差范围，代表重建资料的不确定性。由于两条重建序列时间分辨率均为10年，因此先将AF模拟的温度距平插值成对应的10年分辨率。从图中可以发现AF在1160年后的温度波动变化与两条重建序列的温度波动较为一致，且AF序列均位于灰色阴影部分内。另外1000至1500年AF与Yang和Shi的相关系数均为0.49，均达到99%置信度。由此可知，CESM模拟的温度变化较为合理。
3 结果分析
3.1 气候特征
根据不同学者对过去全球气候的研究[34-37]，大部分学者都认为十三世纪上半叶属于中世纪暖期。图3a、3b分别为根据全强迫试验AF的模拟结果得到的1200-1250年均地表气温与平均降水量相对于1150-1300年的距平空间分布图。从图3a中可以发现该时间段蒙古高原全区年均地表气温相对于前后50年明显偏高，幅度约0.2到0.4℃，说明十三世纪上半叶蒙古高原气候处于典型中世纪暖期时间段内，地表温度维持在较高的水平上。此外，尽管全区温度均为正距平，但仍存在区域差异，在今蒙古国北部及西南部温度距平超过0.4℃。
而由图3b可知该时间段蒙古高原区域年均降水量相对于前后50年有明显的增加，全区平均增幅约为8到16mm/a，占该时期蒙古高原年平均降水量的5%左右。且由北向南距平值逐渐增大，代表蒙古高原南部更为湿润。另外蒙古高原中部相对于其东、西部降水量增幅更为明显。因此，十三世纪上半叶蒙古高原地区处在中世纪暖期的相对温暖湿润的气候环境之中。
根据史料，公元1220年成吉思汗决定将蒙古帝国首都由蒙古高原东北部的曲雕阿兰（Avarga）迁至中部的哈拉和林（Karakorum）[13,38]。从图3b中可以发现，哈拉和林相对于曲雕阿兰气候更为湿润。而随着降水量的增加，一年生植物的生长期、植物高度、叶长、生物量等均会增加[39]，降水量每增加1mm，牧草气候生产力增加12.1kg?hm-2a-1[39]，且降水量对牧草气候生产力的影响远大于温度的影响[41]。由此可以推测，十三世纪上半叶哈拉和林附近相对曲雕阿兰水草可能更为丰盛，从而有利于马匹数量和质量的提高以及骑兵部队的组建。
3.2 成因分析
3.2.1 地表温度
为了探讨蒙古高原十三世纪上半叶地表温度变化的形成原因及区域差异，对各试验的年均地表温度5年滑动距平场进行EOF分解。其中全强迫试验AF的地表温度EOF分解第一模态由图4a表示，其解释方差为69.2%。根据North等[42]的EOF分解特征值样本误差估计检验方法，第一模态可以通过North检验，即能被独立区分。由图4a可以发现，地表温度的第一模态表现出全区一致性，且北部变率大于南部，中部变率大于东西部。整个研究区域最大变率中心位于蒙古国北部贝加尔湖附近。蒙古高原西南部温度变化幅度较小。
之后，本文对比了全强迫试验、控制试验以及四个单因子试验的年均地表温度5年滑动平均距平场的EOF第一模态。控制试验与各个单因子试验第一模态均通过了North检验。其中控制试验Ctrl（图4b）和太阳辐射敏感性试验TSI（图4c）与全强迫试验AF（图4a）的空间相关系数分别为0.63和0.64，均通过0.05的显著性检验，并表现出了全区一致性，变率中心均在蒙古国北部区域，与AF第一模态表现一致。而火山活动敏感性试验Vol（图4d）、温室气体敏感性试验GHGs（图4e）和土地利用/覆盖敏感性试验LUCC（图4f）与全强迫试验AF的空间相关性为0.10、-0.47和0.53，不能通过0.05的显著性检验。因此忽略此三个外强迫因子的作用。
此外对全强迫试验、控制试验以及四个单因子试验第一模态的PC序列进行功率谱分析（图5），考虑此前对原始序列进行了五年滑动后发现，全强迫试验AF的PC1序列具有6年、8年以及13年的显著周期（图5a），而控制试验Ctrl具有对应的6年、8年显著周期（图5b），太阳辐射试验TSI具有对应的13年周期（图5c），上述周期均达到95%置信度。综上所述，全强迫试验年均地表气温的EOF1空间分布型，即十三世纪上半叶蒙古高原温暖气候主要受太阳辐射和地球气候系统内部变率所影响，且多年际周期主要受地球气候系统内部变率影响，年代际周期主要受太阳辐射影响。
3.2.2 降水量
为了分析蒙古高原十三世纪上半叶降水量变化的形成原因及区域差异，对年均降水量5年滑动平均的距平场进行EOF分解。图6a为全强迫试验AF的降水量EOF分解的第一特征模态，解释方差为26.7%，且通过North检验。由图6a可以发现，降水量的第一模态表现出南北反向的变化特性，即今蒙古国地区与内蒙古地区呈现出相反的变化趋势。整个研究区域变率中心分别在蒙古高原东、西、南部地区。中部地区变率较小。
之后，本文对比了全强迫试验、控制试验以及四个单因子试验的年均降水量5年滑动平均距平场的EOF第一模态。控制试验与各个单因子试验第一模态均通过了North检验。在各个试验的EOF第一模态中，太阳辐射敏感性试验TSI（图6c）表现出了与全强迫试验AF第一模态（图6a）相似的南北反向特征。计算得到与全强迫试验第一模态的空间相关系数为0.55，且通过0.05的显著性检验。而控制试验Ctrl（图6b）、火山活动敏感性试验Vol（图6d）、温室气体敏感性试验GHGs（图6e）与土地利用/覆盖敏感性试验LUCC（图6f）与全强迫试验AF的空间相关性为0.35、0.33、0.07与0.16，均未通过0.05的显著性检验，因此不存在显著关系。
此外对全强迫试验、控制试验以及四个单因子试验第一模态的PC序列进行功率谱分析（图7），考虑到此前对原始序列进行了五年滑动后发现，全强迫试验AF的PC1序列具有7年以及10年周期（图7a），太阳辐射试验TSI具有对应的7年周期（图7c），火山活动试验Vol具有对应的10年周期（图7d），上述周期均达到95%置信度。但Vol与AF的空间相关系数未通过0.05的显著性检验，结合上述结论可知，全强迫试验年均降水量的EOF1空间分布型主要受太阳辐射所影响，且其主要影响年代际周期变化。
3.2.3 太阳辐射量对比
综上结果可知，蒙古高原地区在研究时间段内地表温度与降水量变化均受到太阳辐射的影响，因此利用Shapiro等[22]在2000年重建的太阳辐射年平均值结果，将本文研究时间段与前后50年，即1150-1300年进行对比。可以发现，全球在1200-1250年受到的年平均太阳辐射量约为1365W/m2，而在1150-1300年受到的年平均太阳辐射量约为1363.5W/m2。观察该时间段内太阳辐射重建序列以及全强迫试验AF中得到的蒙古高原年平均地表气温和年降水量序列，温度与降水量序列的变化趋势与太阳辐射序列有一定的一致性。此外计算得到太阳辐射序列与年平均地表气温序列相关系数为0.53，与年降水量序列为0.52，均通过0.05的显著性检验。因此可以发现，该时间段内全球太阳辐射强度处于较高水平上，较强的太阳辐射对温度与降水起到了一定的影响作用。
4 结论与讨论
本文利用通用地球系统模式CESM的多个过去2000年气候模拟试验的模拟结果，探究了十三世纪上半叶蒙古高原地区温度以及降水量空间分布特征及成因，以及与蒙古帝国扩张及迁都的关系，主要结论如下：
（1）CESM模拟的气温和降水与重建资料和观测/再分析资料显著相关，模拟的蒙古高原地区地表温度和降水的气候平均态与观测/再分析资料的空间相关系数分别达到0.97和0.91，模拟的中国区域地表气温与多条重建序列的波动变化较为一致。
（2）十三世纪上半叶蒙古高原气候处于典型中世纪暖期，年均地表温度与年均降水量均维持在较高的水平上。温度方面，此时蒙古高原全区年均地表气温相对于前后50年明显偏高，偏高幅度约为0.2到0.4℃，且在今蒙古国北部及西南部温度距平超过0.4℃；降水量方面，此时蒙古高原区域年均降水量相对于前后50年有明显的增加，全区平均增幅约为8mm/a。且由北向南距平值逐渐增大，代表蒙古高原南部更为湿润。此外蒙古高原中部相对于其东、西部降水量增幅更为明显。
（3）蒙古高原地区地表气温的变化在十三世纪上半叶呈现出全区一致性增暖，且北部变率大于南部，中部变率大于东、西部。其主控因子是太阳辐射及地球气候系统内部变率，且多年际周期主要受地球气候系统内部变率的影响，而年代际周期主要受太阳辐射的影响。从降水量的变化来看，在该时期蒙古高原地区呈现出南北反向变化的特征，且中部变率较小。太阳辐射外强迫因子对降水量年代际变化起主导作用。
此外，从分析的结果中可以看出，十三世纪上半叶蒙古高原气候较为温暖湿润，且哈拉和林相对于旧都曲雕阿兰气候更为湿润。降水量的增加有利于牧草的生长及生物量的增加，因此哈拉和林附近相对曲雕阿兰水草更为丰盛，从而可能对蒙古帝国决定迁都产生了一定影响。丰盛的粮草使得蒙古骑兵及马匹健壮充足，有利于骑兵部队的组建与训练。而蒙古军队主要依靠骑兵征战，因此气候变化很有可能为蒙古帝国的兴盛创造了条件。
以上结论与推断只是对模式模拟结果的初步分析，关于各个外强迫因子及气候系统内部变率影响地表气温和降水量的过程和机理，以及气候变化对社会经济政治影响的验证还有待进一步深入研究。
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