大气环流变化对探测区域地表气温趋势的影响外文翻译资料

 2022-11-13 15:52:49

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地球物理研究快报，第34卷，L08703, doi:10.1029/2006GL028502, 2007

大气环流变化对探测区域地表气温趋势的影响

杨金芳吴1 David J. Karoly1

2006年10月18日收到;2007年2月26日修订;2007年3月6日接受;2007年4月19日出版。

以前的研究表明，在全球许多地区500公里左右的尺度上发现了与人为强迫响应相一致的地表气温(SAT)显著变暖趋势。然而，区域卫星资料强烈地反映了主要的自然大气环流模式，如北极涛动(AO)和太平洋-北美半球(PNA)样模式。目前的气候耦合模型还不能很好地模拟与大气环流变化有关的变暖现象。在本研究中，我们探讨了排除与大气环流变化有关的变暖后对检测区域对人为和自然力量联合作用的影响。 我们将20世纪下半叶观测到的SAT趋势，与在一套六种耦合的一般环流模型中模拟的自然和人为气候作用因子的趋势进行了比较。

从这些用于提供对趋势的内部可变性的估计的模型中，我们发现，排除了考虑的与大气环流变化有关的变暖后，对人为和自然共同作用的区域反应的检测是强有力的。引文:Wu,Q，和D. J. Karoly(2007)，大气环流变化对探测区域地表气温趋势的影响，地球物理学。卷。， 34, L08703, doi:10.1029/2006GL028502。

1 介绍

在过去的二十年里,许多全球性的大规模研究使用各种时空检测方法已经确定的人为强迫在20世纪气候的重大影响( [2001]的政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三评估和审查由国际特设检测和归因集团[2005])。最近，有两项分析将这些研究扩展到区域范围。Karoly和Wu[2005]考虑了截止到2002年的30年、50年和100年间，在单个5°5°区域中观察到的变暖趋势，结果表明，在全球大部分地区，显著的变暖趋势无法用气候模型估计的自然变化来解释。他们还表明，20世纪下半叶的区域变暖与自然作用的反应并不一致。Knutson等人[2006]发现的证据表明，对20世纪下半叶使用GFDL CM2耦合模型评估单个网格单元的表面温度趋势来看，全球变暖的许多地区都出现了明显的人为变暖信号。

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大气环流变化对区域气候的影响已在许多研究中得到承认。例如，据报道，环流模式的变化[Thompson和Wallace, 1998]解释了北半球中纬度地区(NH)冬季观测到的变暖趋势[Thompson et al.， 2000]。在北半球冬季，类似PNA的模式也被证明可以解释北美和欧亚大陆观测到的变暖趋势[Wu and Straus,2004;Quadrelli和Wallace, 2004]。在南半球(SH)，南极涛动(AAO)与高纬度地区变暖趋势的相似性已被报道[Hurrell and van Loon, 1994;陈和严1997;Randel and Wu, 1999]。然而，与这些大气环流模式相关的区域地表温度变化趋势在大气环流模式中可能无法很好地代表，因为目前的大气环流模式可能低估了内部的变化，或者未能捕捉到大气环流对不断增加的人为温室效应和气溶胶的响应的幅度[Gillett et al.， 2005;吉列,2005]。

Gillett等[2000]和Zwiers and Zhang [2003]发现，20世纪下半叶全球大规模人为活动引起的地表温度变暖的探测，在排除了与AO相关的变暖之后，仍然是稳健的。本文主要研究大气环流变化对区域地表气温趋势探测的影响。从大气环流变化的观测和建模中剔除影响因素后，我们考虑了印度5°5°网格的局部变暖趋势的重要性。采用Karoly和Wu[2005]的显著性检验，确定剔除与AO、AAO和类PNA模式相关的变暖因素后，局部显著趋势的网格比例是否仍然大于偶然预期。此外，将观测到的残差趋势与相应的多模型平均响应进行比较，以评估观测到的残差趋势是否与主要人为和自然强迫因素变化的响应相一致。

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2 资料和方法

观测到的SAT趋势是根据1951 - 2000年和1971 - 2000年5°经纬度网格(HadCRUT3v)上的月平均地表温度资料计算的[Brohan et al.， 2006]。线性SAT趋势的[5]自然变异性是由工业化前的控制运行计算出来的，而强制SAT趋势是由IPCC第四次评估时生成的20世纪历史模拟(20C3M)计算出来的。

表1 观察和模拟类PNA模式a

观察/模型

NCEP / NCAR

GFDL_CM2.0

GFDL_CM2.1

实验3

脉码调制

MIROC

MRI-CGCM2

相关

0.92

0.81

0.85

0.58

0.92

0.84

线性趋势

1.63

0.31

0.16

-0.05

0.35

0.19

0.15

第一行列出了与NCEP/NCAR再分析观测到的模式相对应的6个GCMs半球类PNA模式(定义为1951 - 2000年期间20°N以北的次月SLP异常的第二个EOF)的空间相关性;第二行给出了观测和每个模型对应的第二主成分的线性趋势(每50年)。

通过对六种模型(GFDL-CM2.0、GFDL-CM2.1、CCSM3、PCM、MIROC3.2 (medres)和MRI-CGCM2.3.2) 3100年的工业化前的模拟，研究了趋势的自然变动性，这里使用的20C3M模拟器也来自这六个模型。上述6个模型的20C3M模拟的强迫至少包括主要人为和自然作用力的变化:温室气体、直接硫酸盐气溶胶效应、平流层臭氧、火山气溶胶和太阳辐照度。其中一些模型还包括间接硫酸盐气溶胶效应、炭黑气溶胶和土地利用变化。关于上述六个模型和假设强迫的附加信息，请访问http://www- pcmdi.llnl.gov/ipcc/model_documentation /ipcc_model_document .php。总共使用了26个单独的20C3M模拟，由于20C3M模拟一般在1999年或2000年完成，因此我们的分析集中在20世纪下半叶。只有在1951 - 2000年和1971 - 2000年期间的大部分数据可用的地区才会被考虑，在趋势分析中，网格距中超过66%的年份可用。模型网格数据的水平分辨率高于观测数据，并已插值到观测到的5°网格上进行分析。

1951 - 2000年间观测到的AO和类PNA模式的大气环流指数来自NOAA气候诊断中心提供的NCEP/NCAR再分析资料[Kalnay et al.， 1996]。利用经验正交函数(EOF)分析1951 - 2000年20°N以北月平均海平面气压(SLP)异常。在EOF分析中，面积加权是通过SLP乘以纬度余弦的平方根再计算协方差矩阵来实现的。SLP的前两个EOFs很容易识别为AO和类PNA模式[Wu和Straus, 2004;Quadrelli和Wallace, 2004]。将对应的两个标准化主成分(PC)时间序列定义为AO和类PNA模式指数。在这里，我们忽略了NCEP/NCAR再分析所导致的指数值的不确定性，该分析使用了最先进的全球数据同化系统来填补空白。在SH中纬度和高纬度地区，NCEP/NCAR再分析趋势的准确性受到了质疑[Randel and Wu, 1999;马歇尔,2003]，这里1951年至2000年的AAO指数取自Marshall [2003] (http://jisao.washington.edu/aao /slp/)。Marshall[2003]首先从1979 - 2005年20°S以南网格距SLP异常的EOF分析中得到了领先的PC。然后将这种PC与全球SLP异常进行关联，并将得到的关联图投影到数据上，从而生成AAO 1948 - 2005年的时间序列，更多的细节由Marshall[2003]给出。通过三个步骤估计每个格点上独立于这些大气环流模式的温度趋势:(1)同时将该格点的时间序列的月平均值回归到三个环流指数上;(2)剔除与这些环流模式相关的变化后，计算月平均SAT的剩余值;然后(3)由残差计算线性趋势。注意，在第1步中，SAT中的更改仅将循环指数作为表征。但实际上，在500公里尺度上还会有其他因素影响SAT，如全球强迫和内部变化。通过对指数进行回归，我们可以发现这些指数对SAT的影响有多大，而指数的部分变化可能是一种被迫的反应。用同样的方法定义了不依赖于模拟环流模式的历史SAT趋势模型，并用同样的方法消除了与三种环流模式相关的温度变化趋势。

Miller等[2006]已经表明，这六种模型在本研究模拟了20世纪末真实的环流模式和年际方差，这些模型中的AO变化幅度小于1950年以来观测到的上升趋势(也参见Gillett[2005]等)。观察到的半球PNA模式(吴和施特劳斯,2004年,图1 b]已经嵌入在华莱士的模式和Gutzler[1981]的模式中, 一个被认为在解释观测到的大西洋和太平洋海平面气压之间的相关性领域中有突出贡献的研究者。这里的6个模型很好地模拟了类PNA模式，但是相关的趋势要比观测到的小得多(见表1)。关于类PNA模式变化的结果，以及Gillett等和Miller等人对AO变化的发现，意味着在当前的GCMs中，只有部分观察到的大气环流循环趋势被发现为强迫响应。

3 结果

3.1 观测到的SAT趋势与自然变化趋势的比较

每个网格盒的50年(30年)线性趋势的内部变异性是从总共3100年的控制模拟的50年(30年)段计算出来的，这些模拟由6个GCMs连接在一起，因为每种情况下只有一小段控制可用。针对每个模型，分别对每个网格盒的控制模拟气候漂移进行了分离。为了增加样本量，我们在控制模拟中计算了50年线性趋势的自然变异性，从25年间隔的重叠段开始(15年对应30年趋势)。

图1所示。在(a, b) 1951 - 2000年和(c, d) 1971 - 2000年期间观测到的地表温度趋势。图1a和1c趋势由原始HadCRUT3v数据集计算，去除AO、类PNA和AAO相关影响后，计算图1b和1d中相应的残差趋势。加号(减号)用单侧检验在95%水平上标记单个格点，其中观察到的趋势明显大于(小于)零。在每张地图上方是具有显著变暖趋势的网格的比例，以及由于自然内部气候变化可能发生的显著变暖趋势的比例分布的第95个百分位数。

我们有分别实现50年和30年估计线性趋势的120个和200个实现。控制运行的温度趋势近似正态分布，该分布的标准差可用来衡量线性趋势的自然变异性。在每个格点盒上，我们采用单侧局部显著性检验，以确定在95%水平时观测到的SAT趋势是否显著不同于零。基于Livezey和Chen[1983]的方法，通过田间显著性检验，确定了由于内部变异而可能出现显著趋势的网格盒的分数范围。平均而言，在一个稳定的气候中，只有5%的网格盒预计会在95%的水平上显示出明显的变暖趋势，这仅仅是由于随机变化造成的。由于卫星低频变化具有较大的空间相干性，较大的显著变暖趋势可能是偶然发生的。对于50年的趋势，我们从控制模拟中考虑每个网格盒的线性趋势，并确定显示局部显著变暖趋势的网格盒的比例。这种方法重复120次(30年趋势重复200次)，以确定由于内部气候变化而可能发生的显著变暖的网格盒部分的分布。

图1显示了在色彩上，具有明显的升温(降温)趋势用 ()符号表示。在有足够观测数据的网格距中，分别有60%和48%的网格距显示1951 - 2000年和1971 - 2000年的显著变暖趋势。虽然预期值为5%，但50年显著趋势的分数分布的第95百分位为18%，30年显著趋势的分数分布的第95百分位为16%。在两种趋势期间，观测到明显暖化趋势的网格距的比例都很大，并且远远大于由于内部气候变化而可预期的网格局的比例范围。这与Karoly和Wu[2005]的结果相一致，他们将HadCRUT2v数据集中的SAT趋势与来自三个单独GCMs的模拟估计的趋势的自然变异性进行了比较。

在北半球，环流的变化在很大程度上导致了气候变暖。除去这些环流模式的影响后，图1中两个时段对应的剩余趋势仍然与它们对应的总体趋势相同，但在NH中纬度地区则弱得多。在SH中环流模式变化也导致了SAT的一些变化趋势。在1951 - 2000年(1971 - 2000年)期间，环流模式格点的10%(13%)占SAT总趋势的20%以上。在剩余趋势中，有足够观测数据的个体网格中，分别有53%和44%的网格在50年和30年期间表现出明显的变暖趋势。在每个样本期内，观测到的变暖趋势的网格的比例仍然远远大于由于内部气候变化而预期的比例范围。在这些具有明显变暖趋势的区域中，我们可以说我们已经发现了一个明显的变暖趋势，而这很可能仅仅是由于自然内部气候变化造成的。

—

表2。重要区域趋势的全球部分

明显的趋势a 与20C3M趋势明显不同b

期

1951 - 2000

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