大气-海洋-陆地温度变化和趋势外文翻译资料

 2022-11-29 15:37:00

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大气-海洋-陆地温度变化和趋势

Leonard J. Pietrafesa1*, David A. Dickey2, Paul T. Gayes1, Tingzhuang Yan1, James M. Epps1, Maura Hagan3, Shaowu Bao4, Machuan Peng5

1Center for Marine amp; Wetland Studies, Coastal Carolina University, Conway, South Carolina, USA

2Department of Statistics, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina, USA

3National Center for Atmospheric Research, Boulder, Calorado, USA

4University of Colorado, Boulder, Calorado, USA

5National Oceanic amp; Atmospheric Administration, Silver Spring, Maryland, USA Email: *len_pietrafesa@ncsu.edu

Received December 4, 2012; revised January 3, 2013; accepted February 5, 2013

摘要：据报道，自19世纪末以来全球地表气温的总体上涨主要表现为大气现象。然而，我们认为全球海洋是决定全球地表温度的重要组成部分。通过经验数学方法，我们揭示了160年来行星温度变化的内在模式，并发现了多种变化模式的冷却和变暖时期;季节性，年际，年代际，多年代际和整体变暖趋势。我们计算的总体暖化率与政府间气候变化政策计划以及非政府气候变化专门委员会的估计值有显着差异。我们还调查了气候因素的变异模式，并在两个气候系统数据集中发现了以前未报告的140年周期。所有气候因素都出现了相对较大幅度的60-70年的周期模式，可能与海洋季节性翻转循环的时间尺度有关。这和其他海洋特征都可能会调节全球表面温度。我们通过减少非平稳、非线性数据得出化石燃料燃烧与全球表面温度异常时间序列总体趋势之间的经验关系。

关键词：气候和气候因素;全球表面温度异常;海洋；大气

  1. 引言

地球系统吸收的短波辐射，通过[1]描述的自然过程和[2]的精细描述，以不同的速率重新辐射，存储或交换。对于行星的热量平衡关系，总辐射的长波的量必须等于入射短波辐射的总量。输出辐射不等于进入的辐射意味着地球的全球温度不是常数。因此在空间和时间上都有差距。这就是“气候变异性”。当然有很多科学家已经表明气候事实上在过去一直在变暖，他们把这种明显的变暖称为“气候变化”或“气候变暖”。同时，也有一些科学家以及联邦和州一级的行业发言人和政治代表，他们声称没有发生这样的全球变暖，或者说这只是一个自然发生的气候周期的暂时性差异，伴随着冷却的成分。这导致了公共媒体和其他媒体的许多争议;导致公众认知被混淆。

在[3]中提出了关于全球气候变暖或冷却的科学和神话彻底的公正讨论。作者指出，基于全球地表温度异常（GSTA）曲线中出现的温度呈上升趋势，大气似乎正在加热，这是根据源于19世纪可用的全球最佳表面温度数据生成的。此外，他们得出结论，全球地表温度的上升可能归因于人类活动和土地利用。Vogel 和Lazar也指出，诸如太阳能和地球轨道变化的变化等自然现象可能导致全球在数百到数千年的时间内降温，并可能导致下降到一个新的冰河时代。

在我们的研究中，我们不仅关注在陆地和海洋中收集的GSTA时间序列及其组成部分，还关注其他温度和热量数据集，例如可追溯到17世纪的表面温度数据集，以及各种全球气候因素指数。我们不是看过去的冰河时代，也不是未来可能存在的冰河时代。尽管我们将通过对我们在下文第4,5和6节研究的各种时间序列的调查的直接结果来解决气候变化和变率的变化和变暖问题。我们也消除了大气控制地球气候的观念，同时揭示了地球表面温度与化石燃料燃烧之间的关系。

  1. 气候系统

全球海洋占地球表面的71％，占地球上总量水的97％。当然，大气层覆盖整个星球。然而，液态水的热容量与空气或冰液态的热容量大不相同;关于氢键的量，H2O水分子具有热容量和第二次熔融潜热，仅次于NH3，这赋予了海水的热稳定性。难就难在这里。整个地球大气层的热量相当于全球海洋上限3.5米，土地具有低导热性，使得地表和大气层的热量储存非常有限。

在1955年至1998年期间，基于当时最佳观测值的行星热平衡分量在[4]中给出。这些作者表明基本上在这44年期间(1022焦耳的单位):1)14.5是全球海洋吸收;：1）14.5被全球海洋吸收;2）0.9被大陆所吸收;3）0.8是融化大陆冰川所需的热量;4）0.7被大气吸收; 5）0.3是减少南极海冰程度所需的量; 6）0.1是融化山地冰川所需的量; 7）0.005是融化北半球海冰所需的量;以及0.002是融化多年生北极海冰所需的量。所以这些作者估计海洋的吸收量大约是大气的21倍。此外，从上述数据可以看出，全球海洋吸收了太阳辐射的约85％。考虑到数千米的海洋深度，大量的热量可以长时间存储在这些深度上，或者一些热量可以释放到大气中并降落。显然，在土地和大气层存储热量有限的情况下，海洋是行星保持热量和运送热能的关键因素。

在下文报告的研究中，我们将全球大气的温度及全球海洋的温度做延伸。可以认为，尽管全球大气温度记录受到很多关注，但正如温室气体在大气中建立的那样，人们对全球海洋温度记录在这种温度没有足够的重视。我们将研究全球时间序列记录中记录的海洋和大气地表温度和海洋热的变化。我们将在几个众所周知的时间序列记录中对温度和热量的变化情况进行研究，看看我们是否能够深入了解这些记录显示的关于地球气候系统的信息。由于气候系统可能由非线性和非平稳过程定义，我们将利用下一节所述的数据自适应技术来分解数据。

  1. 经验分析

为了分解非平稳（NS）和非线性（NL）时间序列的数据，可以采用傅立叶分析，小波分析，以及任何适合数据功能的其他方法。在[5]中讨论了对数据施加功能的数学方法的限制。在这项研究中，作者严格开发了Hilbert-Huang变换（HHT），当应用于任何连续的时间序列时，引发了经验模态分解（EMD）数据自适应分解法。EMD显示为自适应分解技术，如[5]所示，可以通过称为“筛选”的方法将NL和NL信号时间序列分解成具有不同频率的确定数量的分量。这些组件称为固有模式函数（IMF）。IMF具有良好的Hilbert-Huang变换，可以从中计算固有的固有频率。EMD的基本过程是本地识别信号中最快速的振荡，定义为内插交织局部最大值和最小值的波形。为了做到这一点，局部最大值和最小点用三次样条进行插值，以确定上下包络。然后从初始信号中减去平均包络，并对信号的其余部分重复相同的内插方案。当平均包络在任何地方接近零时，筛选结束，所得信号被指定为第一个IMF。迭代提取较高阶IMF，在删除先前的IMF之后，对初始信号应用相同的过程。在IMF的原始定义中，作为IMF，一个信号必须满足两个标准，第一个是局部最大值的数量和局部最小值的数量必须最多只能相差一个，第二个是其上下包络的平均值必须等于0。因此，通过EMD方法分解后的1维离散信号时间序列ST可以由以下形式表示：

其中IMF（n，T）是信号时间序列的第N个模式，残差是最大模式IMF或时间序列的剩余趋势。

在第4和第5部分中，我们接下来将采用整体方法，通过EMD运行每个时间序列的数据，创建一个集成的EMD或EEMD [6]来研究行星温度数据的变化。在下面的第4和第5节中，我们使用Wu [7]开发的“趋势”的定义采用了时间趋势的定义。在本研究中，提出了包括NS-NL时间序列在内的任何时间序列整体“趋势”的简单，逻辑的定义。有人认为，内在的推导趋势的方法必须是适应性的。这种趋势的定义假设存在自然时间尺度。所有这些要求表明EMD是从数据集中提取趋势的算法的逻辑选择。我们将在这个以气候为重点的研究中采用EMD，通过识别固有的振荡模式来消除整体数据集时间序列中的NS，并将NL降低到我们气候系统的大气和海洋方面的整体趋势。此外，GSTA实际上由陆地和海洋表面温度组成，这是时间和空间分开的时间序列。我们将采用EMD和EEMD来评估每个独立时间序列和其他气候因子时间序列的变异性。

  1. 热输入和海洋热含量数据

我们研究中使用的全球和区域地表温度数据，海洋热时间序列和气候因子指数是从美国联邦和几个外国机构档案获得的，并在下文中提及。在图1中，我们使用从国家海洋和大气局-国家海洋数据中心获得的数据，从1955年至2010年期间从海洋表面收集到700米的全球海洋热含量数据的平均值，提供了季节和年度异常数据[8,9]。热量含量在季节和年度基础上有很大的变化，从负10times;1022焦耳的相对热异常升到正10times;1022焦耳（J），增加2.0times;1023焦耳（图1）。从季节来看，热含量异常范围为-1.8times;1023〜 1.4times;1023焦耳或3.2times;1023焦耳。参考文献是这个时期的平均气温，我们可以推导出1955年的总热量为0.077℃，参考值为7.77856/（2.0)(1.49(1023)- 3.3(1022））=5.46times;1023焦耳。同样地，如果设定为0.0˚K作为参考温度，那么在1955年我们得到209.18times;1023焦耳作为热含量。全球海洋中这种热量的上升是什么？来自太阳的热量是否和56年内热含量的上升有关？海洋热水库如何重新分配其内部和外部的热量？我们将在下面讨论以下这些问题。

图1. 1955年至2010年，全球海洋热含量异常的3个月平均（红线）和年平均（蓝线）从地表下降到700米深。

当海洋将热量和水分释放到大气中时，气候因素和条件可能会改变，大气漩涡（又称“大气风暴”）可以形成。然后，热量和能量被大气重新分配，主要是从赤道地带到极地区。大洋西边界流同样将热量从赤道转移到极地和大型垂直平面海洋环流，例如大西洋经向翻转循环（MOC）的向南流动的深部分流，将冷水，盐水从极地向赤道运动，使具有增加在向极地方向的经向热分布的净效应。MOC被称为海洋的热盐循环（THC），这是由温度和盐度变化控制的循环的一部分，但两者是同义的[10]。MOC是子午速度的区域积分，而THC是涉及翻转的机制。这就提出了一个问题：在任何相关的全球海洋表面温度升高或降低情况下，整体热量记录实际上是什么意思?

在图2中，我们看到了1955-2009年期间全球热量含量3个月平均时间序列的EEMD。这里有7种固有模式。显示的模式分别为C1，3-6个月，C2年度至年际，C3为2-4年周期，C4为7-8年周期，C5为约20年周期，C6约30年周期，最严重的模式，总体趋势已经大大超过了记录的长度。

图3是从国家大气研究中心（NCAR）获得的太阳黑子活动时间序列，表明太阳活动高度变化，近11年的周期非常突出，大致趋势相对平缓。海洋和大气可能会响应太阳黑子的发生。从记录来看，太阳黑子活动从现在回到19世纪中期显示9种模式，模式9是相对平坦的趋势。模式8是155年大致记录的长度振荡，模式7是55-60年的数量级。模式6约22年，模式5集中在11年左右。所有这些振荡的振幅幅度达到30-40次，达到历史最高纪录，相对平稳的趋势约为每年55-60次。

图2. 3个月平均全球海洋热含量时间序列的EEMD。

图3. 1849年至2009年每月太阳黑子活动的161年时间序列。EMD分解显示9种模式，包括相对平坦的趋势（红线）和长周期，多年代际周期。众所周知的近11年周期是相当明显的，渗透模式1-4，并显示为模式5.模式6是一个约22年周期。模式7是大约55-60年的多年代，而模式8本质上是记录长度~155年。

因此，从图2和图3的比较可以看出太阳黑子活动和海洋热含量的比较。20世纪后半叶和21世纪初的十年模式8的兴起可能表现为热量分解模式7，但由于模式8的斜率变为负值，而热量模式为正但减速则不清楚。图2所示的太阳活动时间历史中呈现的固有变异模式在我们感兴趣的全球表面温度行星数据集中是否具有类似性？我们将在数据集的组合和以下讨论中解决这个问题。

  1. 全球陆地和海洋表面温度异常数据和英格兰中部地表温度时间序列

我们现在考虑在英格兰中部地区采取的几个时间序列的全球地表温度异常和罕见的时间序列表面温度。这四个数据集是从Hadley Cru南半球和北半球网站(http://www.cru.uea.ac.uk/cru/info/warming/),，全球表面温度异常（GSTA）记录和英国的数据集合中获得的。

图4. 18世纪50年代以来，哈德利中心CRU半全球和戈巴表面温度异常时间序列。顶层：蓝色阴影区域代表北半球年度时间序列，黑线

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