文摘gydF4y2Ba

我们使用耦合模型来估计夏季降雨量的自然变化南美和确定时间范围时人为强制将开始产生了影响。我们使用三个实验的结合:工业化前的20世纪,达到此场景下的预期变化。的第一个经验正交函数型号的用于描述在夏天降雨的变化。该模型可以显示两个不同的政权自然变化的模式。在一个政权之间存在强耦合南大西洋辐合区(SACZ)和大西洋。在另一个政权,SACZ由内部大气变化。检测人为的影响迫使比较计算的概率密度函数(pdf)工业化前的运行达到下一个场景。我们发现检测强烈依赖于pdf用来描述内部气候变化。如果模式耦合的pdf SACZ和大西洋之间,人为影响感到很早就在未来场景(在不到30年)。相反,pdf,描述一个SACZ由内部大气变化,迫使是只发现几个(近50年)到场景中。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

理解和量化自然变化的振幅,气候系统内部,是至关重要的预测系统的行为在未来几十年,当响应外部强加的要求(如人为温室气体)预计将低于或与自然气候变化(例如,gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba])。gydF4y2Ba

一般有三种方法来估计自然变化:仪器记录的分析,分析古气候的代理,或气候模型。gydF4y2Ba

实际观测的使用有很多缺点:短时间序列,受人为污染的信号,在地球的每一个地区,等等。为了过滤人为信号在琼斯和研究[gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

古气候代理也在地球的每一个地区(在南半球缺乏尤为突出),经常是不完美的指标。然而,代理作为检查的气候变化模拟模型。例如,柯林斯et al。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)比较模拟可变性和代理重建过去的可变性。gydF4y2Ba

因此,鉴于上述评论,自然变化通常是基于模型的估计gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。全球气候模型,操作控制模拟模式,可能提供最好的机会估计自然变化,他们准确地再现自然的低频变化变量和地区的利益。例如,斯托特et al。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba和邰蒂等。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba直接使用一个控制运行估计自然变化,而Swanson et al。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]提出一种识别的技术全球平均地表温度波动归因于长期自然变化分析控制模拟和假设这种变化的可能来源是海洋。gydF4y2Ba

在这项工作中,我们专注于夏季降水在拉普拉塔盆地(LPB)。预计的变化意味着夏季降水在有限目的银行模式multimodel意味着21世纪的结束,在达到此情况下,显示dipole-like结构与降低沉淀在有限目的银行模式,增加向北。这种降雨变化模式一直增加的发生相关的负面相位年际变化的主要夏季模式(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。这种模式的可变性dipole-like,相反行动中心在南大西洋辐合区(SACZ)和南美洲东南部(SESA);它已被广泛研究和证明是周期性变化的时间尺度范围从subseasonal十年(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。此外,模型能够正确地复制这种模式的时间和空间特性的变化(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]。鉴于这些研究结果,本研究的目的是评估自然变化的降雨模式和使用这个估计确定的区域气候变化不能归咎于气候系统的自然振荡。gydF4y2Ba

观测的降水在南美洲只在20世纪,变化出现在他们的录音可能反映了自然和anthropogenically强迫变化之间的混合物。因此,为了理解自然的变化的一部分,我们呼吁模型模拟。gydF4y2Ba

我们使用的输出HadCM3耦合模型(这是一个模型显示增加的负相的主要模式降水变化趋势在21世纪)和使用相结合的三个实验:20世纪工业化前的运行,和投影跑在达到此情况下完成的。20世纪是用于验证模型,工业化前的运行用于估计自然变化,运行和未来场景是用于检测可能的人为信号。将显示,这个检测是高度依赖自然变化的估计。gydF4y2Ba

本文组织如下。节gydF4y2Ba2gydF4y2Ba我们介绍了数据集,使用模型和方法。节gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,我们描述了在夏季降水气候变化在南美洲。节gydF4y2Ba4gydF4y2Ba我们分析自然变化,使用工业化前的模拟。节gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,我们研究人为强迫的检测在未来的情况下达到并确定当变化不再是由于自然资源。最后,在节gydF4y2Ba6gydF4y2Ba中,我们总结并讨论结果。gydF4y2Ba

2。数据、模型和方法gydF4y2Ba

2.1。数据和模型gydF4y2Ba

降水数据包括月度值,从1979年到2009年,在一个2.5°×2.5°网格从谢和阿金(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),是合并的结果观察与降雨雨量数据估计从几个卫星。gydF4y2Ba

海表面温度(SST)数据集包括月度值,从1979年到2009年,从提供的NOAA_ERSST_V3 NOAA /桨/ ESRL PSD,科罗拉多州博尔德美国,从他们的网站gydF4y2Bahttp://www.esrl.noaa.gov/psd/gydF4y2Ba的决议2°×2°。gydF4y2Ba

我们使用的输出HadCM3耦合模型的运行(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。特别是,我们使用一个工业化前的实验长341年,20世纪来看,和未来场景aib运行到2200年。工业化前的运行的输出包括一些缺失值被移除之前的分析。模型被选中,因为它已被证明充分代表气候在南美洲(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),因为很长的工业化前的运行的可用性。根据定义,工业化前的运行中所有遇到的变化是自然变化(此外,太阳辐照总量保持不变,没有自然硫气溶胶的排放被认为是)。另一方面,20世纪和未来的场景也可能包含强迫变化和运行将用于检测人为强迫。在20世纪,场景中达到此运行时,人为的温室气体和气溶胶辐射强迫代理商;又出太阳辐照总量保持不变,不包括火山强迫。更详细的规格描述模型可以在运行gydF4y2Bahttp://www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/model_documentation/HadCM3.htmgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

本研究着重于南国的夏天,这里定义为December-January-February (DJF),我们计算DJF意味着每一个感兴趣的领域通过平均每月的意思。异常计算实际的季节性手段和气候学的区别。gydF4y2Ba

2.2。方法gydF4y2Ba

该方法由几个步骤。首先,我们定义精确的降水模式研究。这种模式作为第一个获得经验正交函数(EOF) DJF降水在南美洲南部(50°S-10°S;280°E - 330°E), 20世纪HadCM3来看。我们将称之为EOF1模式。gydF4y2Ba

第二,我们验证模拟模式比较它与观察到的类似。我们比较EOF1和相关的风场模式与HadCM3获得20世纪对类似的领域获得运行在1979 - 2009年期间使用的观察。gydF4y2Ba

第三,量化EOF1可变性在任何外部强迫,我们项目HadCM3工业化前的降水异常运行到EOF1空间模式。异常是对20世纪的气候学计算实验。gydF4y2Ba

确定模式的变化在人为的迫使下,我们项目HadCM3 aib降水异常运行到模拟EOF1使用20世纪的运行模式计算。至于工业化前的情况下,异常对20世纪的气候学计算。gydF4y2Ba

实验上的投影EOF1提供了一个时间序列,描述了模型的时间演化的工业化前的实验(341年)和aib场景(200年)。这允许建设的概率密度函数(pdf),描述的EOF1将在不同的时间对比。gydF4y2Ba

3所示。夏季降水变化的主要模式gydF4y2Ba

我们第一次表明HadCM3能够繁殖的主要特色夏季降水在南美在20世纪。图gydF4y2Ba1(一)gydF4y2Ba显示了观察到的第一个EOF (Xie-Arkin)降雨期间DJF计算框所示图。结构由一个偶极子在降水的主要中心SACZ和弱中心SESA相反的迹象。降水异常SACZ在欧洲大陆和海洋带扩展偏西风为主。本EOF解释方差的35%。除了偶极子,回归在更大的区域显示了向南转移大西洋热带辐合区(ITCZ)特别是在欧洲大陆。模拟降雨的第一EOF HadCM3 (EOF1),计算20世纪100年的运行,提出了一种结构(图非常相似gydF4y2Ba1 (b)gydF4y2Ba)并解释相同的总方差的比例(29%)。然而,异常强大的无处不在。模式之间的相关性观察和模拟eof是0.77。gydF4y2Ba

为了测试的敏感性EOF1 20世纪的周期运行模式用于计算,我们执行相同的EOF分析使用,而不是完整的100年的模拟,滑动窗口的30年(时间长度可用的观测)。这个过程我们发现平均模式模拟EOF1之间的相关性和观察到的类似的是0.73,特别是,当EOF1模式相关性计算使用过去30年的模拟(最相似的时期观测)是0.76。因此,获得的EOF1模式使用20世纪100年的模拟可以被认为是健壮和代表观察到的变化。gydF4y2Ba

观察到的相关性EOF并发季节性SST的模式表明,它与冷海温异常15°35°年代西部20°W(图gydF4y2Ba1 (c)gydF4y2Ba)。这个结果是同意罗伯逊和MechosogydF4y2Ba14gydF4y2Ba和Chaves和诺gydF4y2Ba19gydF4y2Ba)表明,一个增强SACZ导致冷却由于云层。这种冷却可以反馈到海洋的一部分SACZ减弱对流(gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba]。此外冷却,有提示的正相关与SST异常10°以北的年代,这表明海洋在该地区可能会迫使SACZ降雨异常。这正相关与ITCZ的向南转移是一致的。如图gydF4y2Ba1 (d)gydF4y2Ba,该模型能够再现这些相关性:之间的负了南美15 35°S 10°以北和正相关。与观察到的模式的主要区别是,热带大西洋上空正相关性更强和扩展从东到西的盆地,在观察,正相关性是局限于盆地的西部。gydF4y2Ba

4所示。自然变化:工业化前的gydF4y2Ba

4.1。可变性的EOF1工业化前的运行gydF4y2Ba

在介绍中提到,这项工作的一个主要目标是研究EOF1模式的变化在任何外部强迫。我们感兴趣的是确定可能出现的长期变化由于大气气候系统内部的相互作用。这将给我们一个估计可能的动力学的变化这一模式并提供估计的不确定性,将作为未来气候变化的基础。gydF4y2Ba

为了解决这个问题,我们认为341年的工业化前的实验,没有外部/人为强迫。为了研究可变性的EOF1降雨量的变化在20世纪,我们使用时间序列计算投射在EOF1工业化前的降雨异常。gydF4y2Ba

一个方法研究时间序列的进化变化的EOF1是考虑pdf,随着时间的推移其形状如何变化。我们遵循的方法Livina et al。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)和Kwasniok罗曼(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba)对气候系统的非线性动力系统,可以有多个状态和变化在这些可能的随机强迫。在这一假设下,可以构造一个一维的概念模型所代表的朗之万与一定的势函数方程gydF4y2Ba和噪音水平gydF4y2Ba:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba气候变量被认为是(摘要:EOF1值)和gydF4y2Ba是一个标准维纳过程。gydF4y2Ba

在静止的条件下,潜在之间存在一一对应关系gydF4y2Bapdf和因此可能可以计算给定时间序列:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba是时间序列的pdf。gydF4y2Ba

我们假设可能可以表示为一个四阶多项式(没有独立的术语),这是最简单的模型,允许2不同的稳定状态。一个最小二乘的gydF4y2Ba通过这样一个多项式提供潜在的形状,独立的gydF4y2Ba一个常数因子。四阶系数决定了潜在的宽度:系数越大越宽潜力和pdf。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示了四阶的估计系数计算潜在的考虑gydF4y2Ba100年滑动窗口。可以看到,有时期系数非常小(如75 - 174多年,以下称为P1)和时间系数相对较大(242 - 341年,以下称为P2)显示不同的pdf文档,因此,不同气候的行为。gydF4y2Ba

4.2。敏感性的结果gydF4y2Ba

我们已经确定了P1和P2与他们的pdf文档的不同时期。P1和P2被发现使用投影的工业化前的EOF1上运行,这是一个模式获得使用20世纪的运行,因此,可能本身受到外部强迫出现在这个模拟。表明P1和P2的身份是不可能污染严重受损的EOF1模式由外部强迫,我们设计了一个敏感性测试,下面描述。gydF4y2Ba

我们把100年的滑动窗口的工业化前的运行和计算的第一个EOF降水,以同样的方式与EOF1我们做。通过这种方式,我们只获得242 EOF模式计算的工业化前的运行,因此,不受污染的外部强迫。对于每个这些模式,我们在前一节中重复这个过程,获得四阶多项式的系数代表的潜力。在图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,我们把结果。根据图,独立于模式用于投影可以确定的两个不同的时期:一个四阶系数很低(70年和170年之间),另一个系数非常高(170年之后);这些阶段包括P1和P2,分别。此外,色散系数的值远小于最高和最低值之间的区别,表明P1和P2明显不同,它们之间的差异是显著的。gydF4y2Ba

总之,尽管EOF1可能受到外部强迫,P1和P2的识别时间与不同的pdf文档时仍然保持强劲,参考EOF计算使用工业化前的(不是anthropogenically污染)运行。gydF4y2Ba

4.3。分析P1和P2的可变性gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了P1和P2的潜力以及相关的pdf文档。pdf的形状是截然不同的两种情况,只有一个最大时期P1和显示2 maxima P2。这两个pdf文件是根据柯尔莫哥洛夫检验统计不同的10%。我们使用了kstest2从MATLAB程序。此外,我们测试了双峰性考虑每一个pdf两高斯pdf的混合物(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba]:pdf是双峰如果峰之间的距离大于两个相关的高斯函数的方差。根据这个测试,pdf时期P1是单峰而后者P2, pdf是双向的。当一个单峰pdf表明系统具有唯一喜欢的状态(状态发生概率最高的),一个双峰pdf证明,该系统具有两个这样的高概率状态(见讨论)。gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba显示相关的EOF1模式和时间序列之间的相关性和海温异常在两个时期。在P1,有很强的相关性与大西洋SST与相同的标志和结构如图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,但值高于在这种情况下。这可能是部分原因是时间序列的长度,但可观察的P2,这不是故事的全部。时期P2,风场的相关性较弱的正面和负面的地区。伴随这些相关性的变化,有明显的EOF1的空间结构的差异。时期P1,当相关性与SST大SACZ有其最大的海洋旁边的海岸,在第二段较小、相关性与海温SACZ最大到大陆。在SESA,没有明显的降水异常的变化。因此,在强烈的相关性、与海温相关的降雨SACZ有其最大的海洋和pdf显然是单峰。弱相关的、与海温的SACZ有其最大的内陆和pdf EOF1是广泛和有两个峰值。gydF4y2Ba

时间序列的小波分析EOF1提供进一步的线索时期(图之间的区别gydF4y2Ba6(一)gydF4y2Ba)。它表明在P1,有50年的振荡在P2缺席的记录。这50年的振动,振幅较弱,也出现在南大西洋的时间序列指数(平均SST在(15°S-5°S, 330°E - 345°E))只有在P1(图gydF4y2Ba6 (b)gydF4y2Ba)。还要注意,最大的四阶多项式的系数值的潜在配合时期没有主导低频振荡的时间序列的记录EOF1(见图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

5。人类活动的检测信号:aib的场景gydF4y2Ba

回归未来场景的EOF1降水在夏天,我们可以确定未来进化模式的可变性。我们使用场景aib从2000年到2200年。图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba展示了进化的EOF1工业化前的运行,20日,21日和22日世纪。可以看到,许多时间尺度变化的模式显示,没有在工业化前的和20世纪的运行趋势。在21世纪aib迫使下很少有趋势约2050年。有趣的是,这是大约在同一时间,当有限公司gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba排放达到最大值开始减少。之后,模式显示了模式的负趋势图所示gydF4y2Ba1 (b)gydF4y2Ba代表一种润湿趋势SACZ SESA和一个干燥的趋势。20世纪开始倾向于恢复模式条件在22世纪的中间。gydF4y2Ba

我们计算相关联的潜力和pdf的200年21日和22日世纪,在工业化前的情况下,窗口长度的100年。考虑两个pdf文件的混合物,我们发现没有证据表明偏离一个峰值分布。相反,随着气候的发展达到此场景下,pdf就转向消极的平均值,单峰分布。一个例子是显示在图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba比较pdf在20世纪和2080 - 2179年的pdf。gydF4y2Ba

鉴于上述结果,确定当EOF1的演变影响温室气体类似决定当pdf与模式相关的不同特征的pdf的可变性在工业化前的运行模式。如上所示,在工业化前的运行模式的演变特点是不同的pdf单峰和双峰取决于降水和海温之间的交互。gydF4y2Ba

我们首先比较20世纪的pdf与工业化前的运行。柯尔莫哥洛夫检验不能拒绝假说的pdf文档属于相同的人口在10%的水平相比20世纪pdf P1和P2的pdf文档。这意味着,在20世纪,温室气体的影响没有显著影响EOF1的进化。gydF4y2Ba

我们下一个比较的pdf时间序列在21和22世纪50年的滑动窗口的pdf工业化前的运行期间P1和P2。每一次,我们计算gydF4y2BaPgydF4y2Ba柯尔莫哥洛夫检验值之间的相似度两个种群的pdf和情节图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。结果表明,当温室气体对降雨的影响变得显著依赖于pdf的工业化前的时期。如果我们比较未来pdf文档的pdf P1(单峰)已经考虑到windows集中在2029之后,柯尔莫哥洛夫检验拒绝假说(10%)的两个pdf文件来自相同的人口(蓝线)。然而,如果我们比较未来pdf文档的pdf P2(宽,双峰),只有在考虑windows集中在2048年温室气体对降雨的影响变得显著(10%的水平,红色线)。这清楚显示的重要性,具有良好的估计气候系统的自然变化之前属性降雨量的变化,温室气体强迫行为。gydF4y2Ba

6。总结和讨论gydF4y2Ba

在本研究中我们提出一个方法来描述夏季降水变化在南美和确定何时将成为重要的人为影响。方法可以概括如下。首先,计算模拟降雨20世纪第一个EOF和比较它与观测验证模型。第二,项目工业化前的运行到此模式来确定它的时间演化和内部差异性的特点。第三,达到此场景投射到模式来确定未来的时间演化。最后一步是比较预测场景的pdf和pdf的工业化前的运行。在我们的研究中,pdf文件是构建过程后Livina et al。gydF4y2Ba22gydF4y2Ba)和Kwasinok罗曼(gydF4y2Ba23gydF4y2Ba],柯尔莫哥洛夫试验被用来确定pdf文档之间的相似度。gydF4y2Ba

我们发现,降水变化在南美的特点是一个偶极子与中心SACZ SESA,所发现的许多作者。此外,我们发现工业化前的运行支持pdf文件,统计不同,代表不同的地区海气耦合。在一个案例中,低频海洋变化部队降雨量SACZ诱导最大异常在南美海岸海洋旁边,和相关的时间演化有一个单峰pdf。另一方面,当海洋的影响较弱,pdf是广泛的,没有明确的中央峰。因此,海洋限制SACZ变化如何?我们假设以下机制。gydF4y2Ba

巴雷罗et al。gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba,gydF4y2Ba21gydF4y2Ba)显示的总变异性SACZ可以分解在一个组件由于内部大气变化和一个SST-forced组件。此外,他们表明,内部变化通常比强迫组件更强,他们有不同的行动中心。由于内部大气降雨变化最大异常对土地和西南延伸了海洋,而SST-forced组件仅限于海洋SACZ的一部分。gydF4y2Ba

北斗七星和贝gydF4y2Ba25gydF4y2Ba)在以前模型模拟表明,南大西洋了dipole-like数十年变化受副热带高压的强度和位置的变化。此外,他们显示相关联的海温异常可以迫使降水在海洋SACZ的一部分。模式的周期大约是25 - 30年,发现这里的一半很可能依赖模型。gydF4y2Ba

内部大气变化可能是整个工业化前的运行期间总是相似的,因此不同的降雨行为必须与海洋有关。期间我们发现大型海洋相关,降水异常的最大振幅的海洋,一个地区,对海温强迫。因此,在这段时间内(例如,P1)温暖的热带异常,与海洋相关的数十年变化增强SACZ接近海岸(也许它向北)转变,而负异常南部15°S降水减少。海温异常强迫这些海洋SACZ的一部分,减少可变性。自EOF1 SACZ最大重量,相关的时间序列,将取决于其行为和在这种情况下,它将导致一个单峰pdf。另一方面,例如,在期间P2缺乏数十年的可变性导致海温不是力的一个重要信号SACZ从而最大降水异常在土地。反过来,这种模式没有驾驶的SST,可以获得较大的振幅创建一个广泛的pdf。gydF4y2Ba

存在两种可能的内部变化政权(pdf)在不同时间范围的模型结果人为信号会变得明显。如果未来是与政权窄pdf相比,温室气体对降雨的影响被认为很早就进入运行(在50年windows集中在2029或更高版本)。相反,如果EOF1未来的行为是与政权相比,有一个广泛的pdf,那么只有考虑windows集中在2048后,开始改变降水变率,充分强调的重要性,描述气候系统的自然变化以确定人为强迫的影响。考虑到观测记录的呼吸急促,这带来了强烈的约束在检测区域的降水模式的变化。gydF4y2Ba

这里使用的偶极子降雨模式描述的夏季降雨无处不在在大多数气候模型和观察和已被证明发生在许多不同的年代际时间尺度从subseasonal。然而,这项研究的结果有可能依赖模型,特别是因为降雨是最复杂的变量来模拟之一,因为海气耦合模型表示以不同的方式相互作用。因此,为了进一步支持这项研究的结果,将是可取的重复计算的输出耦合模型的新一代。gydF4y2Ba

承认gydF4y2Ba

研究导致这些结果已收到资金从欧洲共同体的第七框架计划(fp7/2007 - 2013)根据授权协议。212492 (CLARIS LPB Europe-South美国气候变化影响评估和研究网络拉普拉塔盆地)。gydF4y2Ba