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较高的地表温度是否会加剧极端降水？
Does higher surface temperature intensify extreme precipitation?
Nobuyuki Utsumi,
1
Shinta Seto,
1
Shinjiro Kanae,
2
Eduardo Eiji Maeda,
3
and Taikan Oki
Does higher surface temperature intensify extreme precipitation?
Nobuyuki Utsumi,
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Shinta Seto,
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Shinjiro Kanae,
2
Eduardo Eiji Maeda,
3
and Taikan Oki
Nobuyuki Utsumi1，Shinta Seto1，Shinjiro Kanae2，Eduardo Eiji Maeda3，and Taikan Oki1
- Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Japan
- Department of Mechanical and Environmental Informatics, Tokyo Institute of Technology, Japan
- Global Environment Monitoring Unit, European Commission Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Ispra, Italy.
Does higher surface temperature intensify extreme precipitation?
Nobuyuki Utsumi,
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Shinta Seto,
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Shinjiro Kanae,
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Eduardo Eiji Maeda,
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and Taikan Oki
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Shinta Seto,
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Shinjiro Kanae,
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Eduardo Eiji Maeda,
3
and Taikan Oki
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Shinta Seto,
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Does higher surface temperature intensify extreme precipitation?
Nobuyuki Utsumi,
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Shinta Seto,
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Shinjiro Kanae,
2
Eduardo Eiji Maeda,
3
and Taikan Oki
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Does higher surface temperature intensify extreme precipitation?
Nobuyuki Utsumi,
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Shinta Seto,
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Shinjiro Kanae,
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Eduardo Eiji Maeda,
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and Taikan Oki
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[1]最近，在当前气候的背景下，几项区域性研究调查了克劳修斯-克拉伯龙关系对极端降水强度与地表空气温度之间尺度关系的适用性。然而，全球范围内极端降水强度的温度关系尚不清楚。我们首次使用原位数据评估日极端降水强度与日地表气温之间的全球关系。我们发现日极端降水强度在高纬度地区日地表气温单调增加，在热带地区单调减少。同样的，中纬度地区日极端降水强度在低温下升高，在高温下下降；这一下降主要归因于湿事件持续时间的下降。克劳修斯-克拉伯龙尺度适用于有限数量地区日降水强度的日增。然而，我们观察到克劳修斯-克拉伯龙尺度对次时间尺度的潜在适用性，即使在克劳修斯-克拉伯龙尺度在日时间尺度的比例不适用的地区也是如此。这意味着变暖的潜力可能会在次时间尺度上加剧极端降水。
1.引言
[2]通过自然和人类活动导致的气候变化来强化极端水文气象事件是当今社会关注的焦点。[Oki和Kanae, 2006; Pallet等人, 2011; Min 等人, 2011]。大部分较温暖气候地区的降水强度预计会增加，而且极端降水量的增加将大于平均降水量的增加[Meehl等人, 2007]。与温度升高（由克劳修斯-克拉伯龙（CC）关系描述）相关的大气持水能力的增加明显影响了较暖气候下极端降水强度的变化[Trenberth 等人, 2003]。基于数值模型的研究表明，与大气变暖相关的日极端降水量的增长率与CC关系（〜7％/℃）一致[Allen 和Ingram, 2002; Pall 等人, 2007; Kharin 等人, 2007]。然而，鉴于大气动力学的变化，偏离CC缩放是可行的。[Orsquo; Gorman 和Schneider, 2009; Sugiyama 等人, 2010]。因此，CC缩放的适用性仍未确定。
[3]最近，一项基于原位数据的研究发现，在荷兰的德比尔特，日极端降水的强度随着日地表气温（Ta）的增加而增加，其速率在低于Ta范围8-10°C时与CC率（7％/°C）相似，而在高温下处于亚CC速率[Lenderink 和 van Meijgaard, 2008]。另外，除了在高温环境下强度的增加率大于CC率（所谓的“超级CC率”），我们发现日极端降水强度在小时时间尺度上有一个类似的增长。德国的研究提出，大型的相对贡献和对流降水的变化可能是产生这种超级CC率的原因 [Haerter 和Berg, 2009; Berg 和 Haerter, 2011]。根据在德比尔特进行的研究框架，基于覆盖全欧洲的网格0.44°分辨率观测数据的研究表明，日极端降水强度在冬季随Ta增加（这种增加受CC关系的限制），而在夏季随Ta的增加而下降[Berg 等人, 2009]。在澳大利亚，人们发现原位数据的日极端降水强度随着Ta增加到20-26°C，且在较高的温度下降低 [Har dwick Jones 等人, 2010]。日极端降水强度的增长率并不一定与CC率一致。只有时间尺度小于30分钟时，才能发现类似CC率的频率。
[4]然而，全球日极端降水量与温度的关系我们尚不清楚。因此，本研究基于全球观测数据集来解决以下问题：在哪些地区和哪个温度范围日极端降水强度在Ta观测值增加的情况下会增加或减少呢？如果观察到日极端降水强度的增加，CC缩放可在多大程度上适用？此外，当观察到日极端降水强度降低时，降低的原因是什么：是降水事件强度的减少还是持续时间的减少？
[5]我们注意到CC速率是温度（例如在0℃为〜7.3％/℃，在20℃为〜6.2％/℃）和纬度的函数。为简单起见，本研究中使用7％/℃作为CC率的代表值。并且我们还注意到，尽管表面空气温度被认为是本研究中极端降水强度的代表因素，但地表气温也可能会受到极端降水的影响。
2.世界各地日极端降水强度与日地表温度之间的关系
图1 六个国家（美国东部（E.US），澳大利亚（AS），法国（FR），印度（IN），日本（JA），泰国（TH））的P99_d的特性。“E.US”是美国从22°N到50°N，65°W到85°W的部分。每个图涂色表示每个站的每个Ta温度箱的P99_d。粗线表示六个国家的LOWESS平滑线。CC缩放由细黑线示出以供参考。
[6]我们分析了从全球历史气候学获得的全球原位日降水量和Ta数据。网络日报（GHCN日报）（http://www.ncdc.noaa.gov/oa/climate/ghcn-daily/）。GHCN日报包含43,000多个站点。这些台站多数报了降水量的值，超过23,000个站点报了最高和最低气温。一些台站有超过100年的记录。为了提高台站空间密度的均匀性，我们在每个0.5°times;0.5°经纬度网格框中选择了包含最长时间序列数据的观测站，导致本研究中考虑的有大约8,900个站点的子集。按照早期仅使用湿天数据的研究[例如, Lenderink 和 van Meijgaard,2008; Hardwick Jones 等人, 2010; Berg 和Haerter, 2011]的框架，每个站的第99百分位数的日降水强度（P99_d）被估计为Ta的函数。因为GHCN-Daily只提供每日最大和最小表面空气温度，所以我们将日最大和最小表面空气温度的平均值作为近似平均日表面气温Ta。每个站的降水数据首先由Ta分层，然后对于具有可变宽度的每个温度箱，再对P99_d进行计算。我们将平均温度箱的大小定义为2°C，但调整为每个温度箱具有大致相同数量的数据值。我们需要在每个温度箱中至少有150个数据值，然后将每个温度箱的平均温度值用于我们的分析。此过程进行的结果比用均匀宽度箱来分析到的结果更强大，因为每个温度箱中观测数量的差异的影响可以被忽略。然后为了更好的示意和分析，我们收集了每个非重叠4°times;4°网格框中的P99_d和Ta的组合，并且对每个4°times;4°网格框进行分析。最后我们证实，即使对每个站点进行分析，基本结论也没有改变。
[7]对于大多数地区，P99_d与Ta的变化可以分为以上观察的三类[Berg 等人, 2009; Hardwick Jones 等人, 2010]：P99_d随着Ta的增加而单调增加（例如法国（图1）），单调下降（例如泰国（图1））和峰状结构（例如，美国东部，澳大利亚，印度和 日本（图1）），其中P99_d随Ta增加到一个阈值Ta（这里称为“峰值温度”），然后随着Ta的进一步增加而降低。通过对Ta的P99_d散点图应用“局部加权回归（LOWESS）平滑”[Cleveland, 1979]来检测峰值温度。LOWESS平滑曲线的温度有一个峰值，被认为是峰值温度。这里我们验证了LOWESS平滑捕获峰值温度效果很好。在非常高的纬度（gt; 55°N）里P99_d的单调增长处于主导地位（图2a），在热带地区（20°N-20°S），主要是单调下降，这与澳大利亚地区研究发现的结果是一致的[Hardwick Jones 等人, 2010] ，而在中纬度地区（20°-55°N和20°-55°S）表现出P99_d的峰状结构。据Berg 等[2009] 报道，日极端降水的强度随欧洲夏季Ta值的上升而下降。在我们没有将季节分离的结果中，欧洲高纬度地区的这种消极的缩放消失了，在具有峰状结构的区域中，高纬度地区或山区（如落基山脉）倾向于具有低峰值温度（图2a），这意味着峰值温度与局部温度密切相关 （见辅助材料）。
[8]为了解决第二个问题，“如果在P99_d中观察到增加，CC缩放适用于多大程度？我们使用Hardwick Jones提出的方法[2010]，使用相关降水P对温度变化△T的指数回归，研究了CC缩放对P99_d增加阶段的适用性。
其中alpha;是P与Ta变化的比率。 然后将指数回归拟合应用于每个4°times;4°网格框中收集的数据。如果在P99_d和Ta之间的关系中观察到类似峰的结构，则仅适用于峰值温度。
[9]有限数量地区的alpha;与CC率即7％/℃相似（图2b中的绿色）。东亚亚太地区，东澳大利亚和东欧的中纬度地区（30°N-45°N）处于类似CC状态的关系。我们主要在北美地区15°-30°N和15°-30°S以外的区域观察到大于CC率，热带地区一般呈现负值
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