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气温和降水对增暖响应的观测和模拟研究

谢永坤  
【摘要】:全球气温在近百年尺度上表现出显著的增温趋势。然而,原始的气温时间序列包含了各种时间尺度的信号,如年际、年代际变率等。由于气温不同时间尺度变率的产生原因可能不同,因此,对气温变化的研究需要区分其不同时间尺度的变率。基于这一问题,本文首先展开了针对北半球气温年代际变率的研究,特别是研究了近年来的增暖减缓现象,揭示了其产生的动力机制。在此基础上,有针对性地对中国地区气温的年代际变率及机制进行了专门研究。同时,北极海冰以及北极气温变化对北半球中高纬气候变化的影响一直是重要的科学问题以及研究热点。因此,本文利用观测和模式探讨了北极对北半球气温变化的影响。相对于气温在全球统一增暖的变化而言,降水变化的空间差异非常显著,即降水显著增多和减少的区域同时存在。全球增暖背景下,只考虑热力变化时,水汽的增多导致水循环过程的加速,即“干更干,湿更湿”现象。但全球变暖同时引起环流等的变化,而环流对降水的影响非常重要,特别是对依赖于环流输送源自海洋水汽的陆地而言。由于陆地上不同区域的热力条件和环流形势差异巨大,导致陆地降水对全球增暖的响应情况尤为复杂。中国降水直接影响十几亿人口,对中国降水预测进行研究的重要性不言而喻,因此,本文重点针对中国区域降水对增暖的响应进行深入研究。主要结论归纳为如下几个方面:(1)基于多种观测数据的研究表明,近一百多年尺度上,北半球气温存在显著的年代际变率,且年代际变率的幅度在冷季大于暖季、陆地大于海洋。并且北半球气温的年代际变率幅度远大于南半球。通过使用多种诊断方法进行相互验证后的研究结果表明,北半球气温的年代际变率主要是受气候系统内部变率模态的年代际变率调制。(2)在分析北半球气温年代际变率的基础上发现,近年来的增暖减缓现象主要由冷季气温的年代际变率由暖转冷的相位变化导致。增暖减缓期间,欧亚大陆东部和北美大陆存在两个北半球降温最强的中心,其对增暖减缓期间北半球温度变化的贡献率分别为43%和18%。进一步研究揭示,极地快速增温导致的经向热力强迫减小以及海洋内部变率模态的相位变化引起的纬向热力差异增大,共同造成绕极西风环流减弱、冷空气南下增强、以及阻塞天气频发等大气环流的变化,进而导致欧亚大陆和北美大陆的降温。(3)基于多种观测数据以及诊断方法的研究表明,中国气温在冷季的大幅度年代际变率造成了中国的增暖减缓以及增暖减缓前的快速增暖。进一步研究发现,中国气温的年代际变率与大气环流变化密切相关。在西风环流的年代际变化影响下,天气尺度的大气阻塞环流及其对应的异常低温天气事件的发生频率也呈现年代际变化,并最终导致中国气温的年代际变化。(4)通过对比观测和CMIP5(the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式模拟的二十世纪后半叶全球陆地的温度变化发现,欧亚大陆最强的增温出现在中纬度内陆地区,而模式中最强的增温出现在高纬陆地边缘。纬向平均的温度变化趋势表明,模式夸大了冷季高纬的增温,但同时低估了中纬的增温。进一步研究发现,CMIP5模式中夸大的北极增温对海冰减少的响应是造成其模拟的中高纬温度变化空间型存在显著偏差的可能原因。(5)探讨了北极海冰变化对中国冬季平均气温、日气温变率以及异常低温天气的影响。结果表明,秋季北极海冰异常偏少年中国常为冷冬,且异常低温天气出现频率更高。进一步研究发现,秋季北极海冰通过影响后期的北半球极涡、东亚冬季风和西伯利亚高压等环流变化影响中国冬季的天气及气温变化。(6)CMIP5模式预测的中国降水未来变化的模式间差异极大,同时存在显著变干和显著变湿的结果,表明模式对中国未来降水的模拟预测非常不可靠。针对这一重要问题,利用GFDL模式探讨了CMIP5模式间产生差异的可能原因。当全球海表温度增加2摄氏度时,GFDL的AM2.1模式预测在中国西北部有25%的降水减少。然而,用UW对流参数化方案替换原来的RAS方案后降水变为增加3%。进一步研究发现,对流参数化方案能够通过影响大气湿度和对应的大尺度环流从而影响区域降水变化。此外,低纬地区在不同对流参数化方案下的降水变化差异也能够激发不同遥相关波列从而导致模式中中国地区降水变化的差异。因此,对流参数化方案是CMIP5模式间存在差异的一个可能原因。此外,该研究表明需要用观测对模式的物理以及动力过程等方面的模拟效果进行检验后,才能将模式用于未来区域降水变化的预测。


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