自然与人为强迫引起的不同的全球降水变化外文翻译资料

 2022-11-23 19:04:53

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自然与人为强迫引起的不同的全球降水变化

Divergent global precipitation changes induced by natural versus anthropogenic forcing

Jian Liu, Bin Wang, Mark A. Cane, So-Young Yim amp; June-Yi Lee

作为全球变暖的结果，降水有可能在高纬度和赤道地区增加，在本就干燥的亚热带地区减少。这些变化的绝对量级和区域详细信息仍然保持激烈的辩论。正如El Nintilde;o研究表明的那样，穿过热带太平洋的海表面温度梯度可以强烈地影响全球降水。古生物证据表明，在过去由于太阳辐射增加,导致地球变暖的时期，暖西太平洋和较冷的东太平洋之间的差距变大了。与此相反，大部分的模式推测，在未来温室气体导致的变暖下，这个梯度减小。目前还不清楚如何调和这两个发现。这里我们展示的气候模式模拟中，热带太平洋海表面温度梯度增加是由于增强的太阳辐射的变暖，减小是由于增强的温室气体强迫的变暖。在全球地表温度增加相同的情况下，后者的模式产生更少的降水，尤其在热带地区。这解释了为什么在模式中，二十世纪末比中世纪暖期（大概公元1000-1250）更为温暖，但降水较少。这种差异与全球对流层的能量收支是一致的，这要求降水和辐射冷却之间潜热释放的平衡。对流层冷却由于温室气体增加的影响较由于太阳加热的影响小，因为温室气体增加了对流层的辐射吸收，太阳辐射集中在地球表面。因此由于温室气体增加导致的变暖产生的气候信号不同于由于太阳辐射变化导致的变暖。

由于温室气体增加导致的全球变暖将使降水增加多少？温室效应导致的降水变化与自然强迫诱发的降水变化是否不同？过去的气候变化可能会提供指导。在通过代表性数据（树轮，石笋，冰芯，珊瑚，叠层沉积物和历史文献）的气候重建以及过去数千年的气候变化的数值模拟中，已经取得了很大成就。其中在了解全球平均气温和气候变率的动力模式（如北大西洋涛动和厄尔尼诺—南方涛动（ENSO））的千年变化方面取得了巨大进展，但降水变化的知识仍然非常有限，主要局限于区域尺度。

在这里，我们研究了过去千年由于自然变化中太阳—火山强迫的引起的全球降水变化，即太阳辐射和火山气溶胶变化的辐射效应之和，与温室气体强迫引起的降水变化的差异。由于代理数据稀少，降水空间分布复杂，因此我们的方法依赖于使用ECHO-G进行千年模拟，这是一种能够重现现实气候和短期气候波动的大气—海洋耦合气候模型。模式模拟的当今降水气候学与从最先进的再分析数据（补充图1）或具有最佳降水模拟的气候模型（见补充图2）得出的模拟相当。采用这种模式对气候变率（包括温度，ENSO和全球季风）的各个方面进行的调查，对了解与全球降水变化有关的物理过程的可信度建立了信心。重要的是注意，我们研究的模拟在处理火山气溶胶的影响中，就好像它与减少太阳辐射完全一样。由于难以从二十世纪结束的模拟中提取出对温室气体的响应的明确模式，而且还包括太阳强迫，我们致力于由A1B设想的温室气体增加强迫下的与二十一世纪的ECHO-G模型相同的模拟结果和仅1860-2000年观察到的温室气体强迫下的模拟结果（补充资料）。

令人瞩目的是，虽然二十世纪晚期比中世纪温暖时代温和，但降雨量较少（图1）。由于全球变暖，给定的上升温度将导致全球降水量增加多少是激烈辩论的主题。在千年强迫模拟（补充资料）中，这一比例在工业前期（AD1000-1850）期间约为2.1％ °C-1，但在工业时期（AD1850- 1990年）仅为约1.4％ °C-1（图2），差异在于高于95％置信水平（补充资料）。图2还显示，在同一模型的两个场中，仅在温室气体强迫下（方法），该比例接近但小于工业化时期，再次与唯一有意义的强迫是太阳能的工业前期相比有显着差异。区域降水变化取决于循环变化，受当地海面温度（SST）的影响，全球降水变化不仅仅取决于全球平均气温，但是怎么解释该比例在中世纪暖期与目前的差异？

图1 | 外部强迫和反应。a，灰线显示了有效辐射（太阳和火山）强迫的年平均时间序列。红线显示了太阳辐射的11年滑动平均时间序列。蓝线表示火山辐射强迫。 黑线显示有效的辐射（太阳—火山）强迫。紫线显示CO2浓度（右轴）。b，所示为全球平均气温（红色），以及用ECHOG模型在强迫场中模拟的全球平均降水强度（蓝色）。（p.p.m.，百万分之一）

一个好的观点是对流层能量平衡：然而大气水汽的变化由克劳修斯—克拉佩龙（Clausius-Clapeyron）关系受温度的严格控制，降水变化受能量平衡约束。对于对流层整体而言，降水加热主要由辐射通量散度平衡。 因此，全球降水总量由对流层顶向上的辐射通量与地表之间的差异来控制。所有其他的事情是平衡的，地表面温度的增加，无论是由于太阳辐射通量增加还是温室捕获（效应）增加，都会增加这种通量散度，从而增加降水。然而，向大气中增加长波吸收将倾向于减小顶部和底部的通量之间的差异，因此，如果由于太阳辐射增加导致的地表加热，则降水的增加将会降低。

能量参数可以解释全球平均降水量的差异，但并不能解决降水变化的空间分布。我们首先通过区分这些在强太阳辐射和少量火山喷发（公元1100年至1200年，在中世纪暖期，见图1a）及弱太阳辐射和大量火山喷发（公元1630年至1730年，小冰期）的差异来估计降水和SST的变化。我们采取100年平均值来减少高频的自然变率的影响。 我们将把派生模式称为太阳—火山模式。其特征是在热带太平洋具有增强的纬向SST梯度（图3a），并且可以预期的是，更强的SST梯度伴随着赤道太平洋更强的东风带及更强的沃克环流。它与拉尼娜事件具有相同的特征，但其模式在许多方面有所不同，包括ENSO指数NINO3.4的正值（赤道东部范围框5° S-5°N ，120° W-170°W的SST异常平均值。补充图3），对于拉尼娜事件是负值。

图2 | 在地表以上2 m处，全球平均降水速率与全球平均气温的年代际平均值的散点图。蓝色圆圈表示了工业前期（公元1000-1850年）的千年模拟（ERIK），回归斜率为2.1％°C-1（0.058 mm d-1°C-1）。红色方块表示工业时期（1850-1990年）的ERIK，回归斜率为1.4％°C-1（0.039 mm d-1°C-1）。绿色符号显示仅有温室气体强迫的两个ECHO-G模型运行，回归斜率为1.2％°C-1（0.033 mm d-1°C-1）（方块）和1.3％°C-1（0.036 mm d-1°C-1）（圆圈）。

我们用不同的技术来检查这个结果，即检测年代际降水变化的主要模式。为了集中强迫响应，我们首先从千年运行(模拟)中删除了领先的内部模式组件（方法和补充图3和图4），然后在公元1000-1850年期间对降水和SST场应用最大协方差分析（即奇异值分解） ，唯一可评估的强迫是太阳—火山。SST和降水的主要耦合空间模式（图3b）与太阳—火山模式的强梯度模式显着相似（图3a）；SST和降水场的空间相关系数分别为0.98和0.92。降水和SST的时间扩展系数（补充图5）显示了一个突出的百年千年波动，在小冰期（公元1450-1850年）级非常干燥寒冷的期间，太阳—火山强迫下地表的辐射是弱的，潮湿和温暖的世纪发生在中世纪暖时期（公元1000-1250年），辐射是强的。

中世纪暖期的特征是太阳—火山模式（特别是更强纬向SST梯度），但是在小冰期的全球降温具有相反的模式，与现有的代理证据和模式结果一致。随着太阳—火山强度的增加，降水量增加超过气候学上的“潮湿”地区，导致全球平均降水量总体上升（图3）。

为了估计温室气体强迫引起的响应，我们研究了两种温室气体强迫场，一个用于工业化时期（公元1860-2000年），以观测到的温室气体浓度作为唯一的强迫，另一个是公元 1990-2100年， 受到A1B情景下增加的温室气体排放的影响（补充图6）。由于较强的温室气体强迫，由于A1B的运行幅度比工业运行的幅度大得多，所以两次运行的合成的SST和降水的趋势模式是相似的。图4a显示了从BECHO-G A1B运行估计的温室气体模式，其类似于耦合模型比较项目第5阶段（CMIP5）多模式平均投影（图4b），显示出这种模式对温室效应气体强迫的响应在模型中是常见的。与通过太阳辐射增温强迫的强纬向SST梯度相反，这种温室气体强迫模式显示赤道太平洋纬向SST梯度减小。与增强和降低的纬向SST梯度相一致，太阳—火山模式下的全球平均降水总体增加大于温室气体模式，尽管在中赤道太平洋太阳—火山模式比温室气体模式更干燥。在给定的温度增加情况下，由于温室气体升温（约为1.2％〜1.3％per °C）的全球总降水量增加少于由于太阳—火山变暖下（每盎司2.1％per °C）约40％（图2） 。在社会影响，值得注意的是，对于太阳—火山强迫模式，全球平均气温上升1°C时，热带地区的降雨量增加了5.5％，而对于温室气体强迫模式，相应的增幅为2.4％，不到前者的一半。

二十世纪晚期比中世纪暖期暖和，但降雨量较少（图1b），我们认为，以上差异可能归因于增温是由于温室气体升高而不是太阳—火山加热，即能量平衡限制的差异。气候系统通过改变全球变暖的格局来适应能量收支的差异。对于同样的全球平均气温的增加，太阳辐射强迫模式比温室气体强迫模式具有更强的SST梯度。随着SST梯度的增强，Walker环流增强，水分辐合集中在印太暖池区域。这个潮湿地区变得更加湿润，增加了全球降水。

图3 | 太阳—火山强迫模式的空间型。a，响应于太阳强迫的差异，显示了中世纪暖期（MWP，公元1100-1200）减去小冰期（LIA，公元1630-1730）的降水和SST变化。b，ERIK千年模拟中，主导的最大协方差分析模式的降水和SST模型在公元1000-1850年期间显示，基于在内部变率的主导模式去除之后的11年滑动平均。（他们分别解释了方差的15.3％和11.1％）。整个域的a和b之间的降水的模式相关系数为0.92，SST为0.98。

目前正在争论赤道太平洋是否通过加强或减少东西梯度来应对加热。“海洋动力恒温器”理论认为，由于东部地区的加热受到来自下方的冷水的上升流的冲击，所以西部地区的地表SST加热的增强更多。SST梯度的增加导致气压梯度的增强，因此导致更强的东风和更强的Walker环流，这反过来又增强了SST梯度，这是一种被称为“皮耶克尼斯（Bjerknes）反馈”的机制。反对论据的本质在于，由于变暖使大气中的潮湿静能比与降水有关的能量传输量大得多，所以沃克环流必须减慢，因此皮耶克尼斯反馈意味着较弱的SST梯度。“海洋动力恒温器”论证得到古生代理数据和中间模型模拟的支持。 另一方面，政府间气候变化专门委员会（IPCC）对二十一世纪的模式预测通常表现出较弱的纬向SST梯度，而支持更弱的沃克环流的论证。

图3和图4显示，太阳辐射加热导致更强的SST梯度，而温室气体加热导致较弱的SST梯度，表明古气候记录与IPCC模拟之间没有矛盾，两种理论都可能具有一定范围的有效性。然而，这两种理论都不表示结果应该取决于加热类型。我们发现，与早先的温室气体强迫的降水比太阳火山强迫更少的论点一致，大气静力稳定度的增加在温室气体强迫下明显增加（补充图7）。增加的大气稳定度有利于较弱的纬向循环和伴随的较弱的SST梯度表征温室气体模式。我们建议尽管在过去当外部变暖是太阳火山时，恒温器和相关的更强的梯度模型在主导，但与温室气体强迫相关的更弱的梯度模型将主导未来的变化。

图4 | 年平均降水量与SST变化的比较。a，ECHO-G在A1B运行下由温室气体变化强迫的模拟变化仅在公元2070-2099年期间相对于公元1990 - 2019年期间。b，针对六个最佳（6BMME）CMIP5模式的多模式平均值，根据代表性浓度途径4.5（在AD 2100年的稳定辐射强迫位于4.5W m-2或更低的情况）强迫（参考文献30），公元2070 - 2099年相对于公元1980 - 2005年的降水和SST变化。六个最佳模式是平均和年循环降水模拟最好的模式，如补充图所示。 a和b之间的降水的模式相关性为0.42，而SST为0.98。

方法概述

分析了两个千年模拟和ECHO-G耦合气候模型的两个仅有温室气体强迫的场：（1）使用设定在现在的值的固定的年循环强迫生成的1,000年的控制（自由）模拟;（2）强迫场试验，命名为ERIK，涵盖了外部强迫为太阳辐射变率的公元1000-1990年期间，平流层火山气溶胶的有效辐射效应和大气中的温室气体浓度，包括CO2和CH4，用于公元1000-1990年;（3）温室气体强迫场试验在公元1860-2000年期间，原始条件选自长期的工业前控制模拟。使用19种观察到的温室气体，包括CO2，CH4和N2O（参考文献18

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