中国东部极端降水趋势及其可能原因外文翻译资料

 2022-11-15 15:23:01

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中国东部极端降水趋势及其可能原因

LIU Run1, LIU Shaw Chenlowast;2,3, Ralph J. CICERONE4,5, SHIU Chein-Jung2, LI Jun1, WANG Jingli6, and ZHANG Yuanhanglowast;1

1北京大学环境科学与工程学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100871

2中国科学院环境变化研究中心，台北11529

3大气局部科学，NCU，Jhongli 32001

4国家科学院，华盛顿特区20001，美国

5地球系统科学，加州大学欧文分校92697-3100，美国

6中国气象局城市气象研究所，北京100089

（2015年1月2日收到; 2015年3月9日修订; 2015年3月27日接受）

摘要

据报道，在全球的大部分地区，强降水显着增加，而弱降水显著减少。全球变暖和人为气溶胶的影响被认为是造成这种变化的可能原因。我们研究了中国东部城市和农村气象站的数据（1955-2011），并将其与全球降水气候学项目（GPCP）1979-2007的数据和不同纬度地区的再分析数据进行比较，以研究降水极端值的变化。农村和城市的站点以及海拔低纬度地区的弱降水量显着减少，极端降水量增加，而降水总量变化不大。这些变化以及赤道带和其他纬度的变化特征表明，引起变化的主要原因是全球变暖而不是气溶胶效应。在中国东部，每年总干旱天数（28天）和连续10天以上干燥日（36％）的增加是由于弱降雨天数的减少，并建立了全球变暖、极端降水变化以及洪水和干旱的气象风险增加之间的因果关系。此外，基于GPCP数据和再分析数据的研究结果表明，这种因果关系在全球广泛存在。

关键词：极端降水，全球变暖，气溶胶，洪水和干旱的气象风险

引用：Liu, R., S. C. Liu, R. J. Cicerone, C.-J. Shiu, J. Li, J. L. Wang, and Y. H. Zhang, 2015: Trends of extreme precipitation in eastern China and their possible causes. Adv. Atmos. Sci., 32(8), 1027–1037, doi: 10.1007/s00376-015- 5002-1.

引言

据报道，在广阔的陆地区域，强降水显着增加，有时伴随着轻度和中度降水的减少（例如Karl和Knight，1998; Manton等，2001; Klein Tank和Konnen，2003; Fujibe等。2005; Groisman等，2005; Goswami等，2006; Qian等，2010; Benestad，2013）。特别是对中国而言,，大量的研究报道了类似的变化（例如Liu等，2005; Qian等，2007; Wang和Zhai，2008; Zhu等，2009; Wu和Fu，2013; Jiang et al。，2014）。事实上，在60°S-60°N范围内的大部分纬度地区都存在着强降水增加、轻度和中度降水减少的现象（Liu et al。，2009; Shiu et al。，2012），甚至在热带海洋上也是如此（Lau和Wu，2007，

*通讯作者：

lowast; Corresponding authors:

LIU Shaw Chen, shawliu@gate.sinica.edu.tw ZHANG Yuanhang, yhzhang@pku.edu.cn

2011）。总体而言，在强降水增加和弱降水减少的共同影响下，弱降水变成了强降水-。

众所周知，全球变暖可以增强降水强度，从而改变降水极值（Trenberth，1998; Allen和Ingram，2002; Semenov和Bengtsson，2002; Trenberth等，2003）。强降水增加会使地表径流增加，导致越来越多的洪水和较为严重的泥石流;轻度和中度降水的减少可以延长干旱期并增加干旱的气象风险，因为轻度和中度降水是土壤水分和地下水的重要来源。然而，由于许多原因的影响，将洪水和干旱的增加归因于全球变暖是一个难题。首先，量化洪水和干旱的趋势较为困难，因为没有完善的洪水和干旱指数，特别是在定义其严重程度方面。第二，广泛的防洪和干旱预防，

copy;中国科学院大气物理研究所，科学出版社和Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015

大坝和灌溉系统等工程可以极大的改变所观测到的洪水及干旱的趋势。此外，（Warner和Twomey，1967; Gong等，2007）还提出了短期气溶胶效应可以用来改变降水强度，从而改变极端降水情况。在这里，我们将短期气溶胶效应与长期气溶胶效应对气候的影响进行了区分，前者包括气溶胶的的微物理效应和辐射效应，时间尺度可达几年，后者是全球变暖的一部分，时间尺度为几十年。

全球年降水量等于全球年蒸发量，由全球地表能量预算决定，随全球温度的升高，降水量以大约2％-3％K-1的较小速率增加（Cubasch等，2001）。政府气候变化专门委员会第四次评估报告（AR4）分析了两个长期基于地面的降水数据集 —— 全球历史气候学网络（GHCN）（Vose等，1992）和气候研究单位（Mitchell和Jones，2005），这两个数据集显示年平均总降水量具有较小的线性增长趋势，但它们不具备统计学意义（Trenberth等，2007）。 AR4（1951-2005和1979-2005）数据集所决定其涵盖的其他时期显示出负正结合的趋势。年度总降水量中这些较小不明显的趋势与全球变暖所导致的全球降水及蒸发的小幅增加是一致的。因此，本研究将重点关注降水强度的增加和降水极值的相关变化，而不是总降水量。

Trenberth等人 （2003）通过解释降水强度来总结全球变暖假说，根据Clausius-Clapeyron方程，风暴的增加速度应与大气湿度的增加速度大致相同，大约为7％K-1。他们进一步指出，暴雨的增加速度甚至可能超过7％K-1，因为增加的水蒸气释放的额外潜热可能会增大风暴的活力。一场强风暴可以从大气中以大于7％K-1的速率去除水汽。同时，如前所述，全球蒸发仅增加约2％-3％的K-1，为轻度和中度降水留下较少的水分。此外，热带风暴引起的对流层上层潜热的增加也可以减小气温的递减率。在海洋 - 大气的耦合模型中，由于水汽递减率对气候的反馈作用很强，大气递减率也有所降低（Held和Soden，2006）。降低的递减率使大气更稳定，因此不太可能发生降水，特别是对于需要不稳定的大规模环境的轻度和中度降水。综合效果是通过增大强降水抑制轻度和中度降水来增加降水强度。 Sun等人对模型模拟变化的分析广泛证实了这些热力学理论。根据刘（2009）等人和Shiu等人（2012）的观察数据分析，他们对全球降水气候学项目（GPCP）观测到的降水进行了检验和再分析。

长期以来，人们一直认为气溶胶可能通过作为云凝结核对云和降水产生显着影响（Warner和Twomey，1967; Al-brecht，1989; Ramanathan等，2001; Andreae等，2004; ; Dai等人，2008; Koren等人，2008）。气溶胶对降水过程的影响被认为是“Albrecht”效应的一部分——对于云的范围和生命时间的“第二间接”影响（Ackerman等，1978; Albrecht，1989; Hansen等，1997）。它的影响是复杂且不确定的，特别是对于混合对流云（Tao e等，2012）。关于气溶胶对不同时期（例如年度，季节性）总降水量影响，已经有了不少研究，得出了不同的结果。一个很好的例子是华纳（Warner，1971），他认为，由于澳大利亚北部甘蔗燃烧产生的气溶胶，60年来的降水没有发生变化。此外，美国国家研究委员会（2003）的一份报告得出结论说“目前还没有令人信服的科学证据证明国际上人工影响天气的有效性”，其中许多是由于气溶胶的所导致的。

近年来的一些研究表明，气溶胶可以通过抑制降水的发生，吸收进更多的水汽、释放出更多的潜热、将水汽推向更高的高度并形成更多的冰云，从而增强对流;而对于小而低的云层，这种作用停止在抑制降水的开始和云层的蒸发（Andreae等，2004; Lin等，2006; Jiang等，2008; Ko-ren等，2008; Rosenfeld等，2008; Tao等，2012）。其净效应是抑制弱降水且增强强降水。但是，气溶胶对降水及其强度的影响仍存在很大的不确定性（Levin和Cotton，2009; Yang等，2011a; Boucher等，2013）。

方法和数据

我们首先检测了10°S~10°N之间海洋区域的GPCP降水数据（V1.0,1979-2007,2.5°times;2.5°，五角形）（Xie等，2003），并分析了降水极值变化与海温异常之间的关系。该地区远离人类排放地区，且不受人为排放的影响。我们预测该海洋区域的降水强度和相关极端降水的显着变化并非是短期气溶胶效应岁引起，更有可能是由全球变暖所导致的。之后将10°S~10°N的海洋区域的结果与北半球高纬度地区（10°-20°N，20°-45°N陆地面积）和中国东部地区的结果进行对比分析，因为这些地区有更多的气溶胶来评估预测降水强度和分析相关极端降水变化的原因。 20°~45°N土地面积的选择是为了与中国东部重叠，以便于比较。在中国气象局1955 - 2011年期间运行的194个国际交流气象站中，101个站所观测到的每日降水量数据也被用于本研究（http://cdc.cma.gov.cn/）

home.do）。 101个站点占总面积的40％左右，是中国重要的农业区域，选择他们的原因是其相对较高的超过500毫米的年平均降水量以及数据的完整性（每年小于5天的缺失）。降水量小于500毫米/年（主要在中国西北半干旱地区）的台站被排除在外，因为它们的年际变化太大而无法得出任何具有统计意义的结果。

在1955年至2011年期间，中国的化石燃料消耗量和由此产生的气溶胶排放量增加了约15倍（Streets等，2000; Lu等，2010;国家统计局中国，2012）。卫星图像清晰地显示了中国工业化地区气溶胶光学厚度的极高值和大幅增长趋势。考虑到气溶胶浓度具有较大的时空范围，如果气溶胶对降水强度具有显着影响，则可以看出不同地区的趋势之间存在显着差异，以及趋势中的城乡差异。图1显示了101个站的分布。可以看出，其中的大部分选址都位于华东地区，它们都受到主要来自西太平洋其次是印度洋的东亚季风的强烈影响。根据中分辨率的成像光谱仪所测得的土地利用数据（https：// lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table），将101个站点分为45个城市站和56个乡村站。这种分类通过城市和农村站点之间的温差来证实，表明城市热岛效应显著（Yang et al，2011b; Wang and Ge，2012）。

地面气温取自GHCN-Monthly，

图1.中国东部101个地面国际交换气象站的地理分布，年平均降水量超过500毫米。灰点表示45个城市站点，浅绿色表示56个乡村站点。

版本3.2.1（Peterson和Vose，1997; Jones和Moberg，2003）。SST取自扩展重建海面温度数据集v3b（Xue等，2003; Smith等，2008）。

赤道海域降水强度的变化

使用GPCP pentad数据（1979-2007），我们发现赤道海域30％的强降水和弱降水位于10°S~10°N之间（图2a）。显示的值为年度值

图2.（a）GPCP五联数据中10°S~10°N之间海洋区域的两个强度区的年平均降水量（单位：％）的时间变化：底部30％的弱降水（绿色，左侧）和前30％的强降水（红色，右坐标）;在10°S~10°N之间海温异常（蓝色，右偏置坐标）。虚线是线性回归。（b）如（a）中所述，但来自ECMWF ERA-中期再分析资料（1979-2007）

位于10°S到10°N之间的所有海洋网格的指定目录内的平均降水量（单位：％）。每个数据点共有81组322个数据点，在这个海洋区域的年份内，这些数据足够进行子集统计分析。前30％的强降水和最低30％的弱降水的线性趋势为3.2％（10年）-1和-1.3％（10年）-1，两者均在95%的置信水平区间上显著。综合来看，这些趋势意味着降水强度的显着增加。图2a中所示为该区域的海温。底部30％弱降水与海温之间存在明显的负相关，相关系数R = -0.74。这些相关性和趋势与Trenberth等人总结的全球变暖假说非常一致。 （2003年）。由于该区域的人为排放量可忽略不计，可以合理地提出，海温的增加是赤道海域强降水增加和弱降水减少以及它们降水强度的共同增加的主要原因。

另一项支持海温增加的论证是图2b所示的强降水增加和弱降水减少的主要原因，其中底部30%的弱降水和前30%的强降水来自于欧洲中期天气预报中心（ERA-Interim）再分析数据的共同绘制，在赤道海域SST介于10°S和10°N之间。不使用观测得到降水量的业务天气预报模型的降水再分析产品，而是根据观测到的水汽和风计算降水。从而提供与GPCP数据相比较的独立信息。图2b中的一般模式实际上与图

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