文摘
我们的观察研究表明,降水增加湿面积和降低干燥地区在过去的二十年。这里,我们进一步调查是否当前大气模型可以定量地捕获的降水观测的特点。美国宇航局戈达德太空研究所(GISS)模型用于研究历史模拟的降水,历史性的温室气体和气溶胶的辐射强迫。历史GISS模拟之间的一致性和全球降水气候学项目(GPCP)降水表明模型可以定性地捕获的时间趋势降水在潮湿和干燥的地方。然而,模型中的降水趋势弱比观察。观察到的降水趋势没有出现在控制仿真与固定的温室气体和气溶胶的浓度,这表明由于人为全球变暖迫使可以影响降水的时间变化在潮湿和干燥的地方。诊断其他变量从模型的研究进一步表明,增强上升气流可以增加降水在潮湿的区域。
1。介绍
温室气体对全球变暖的影响已经进行大量研究[1- - - - - -3]。本文关注的是全球变暖可能会影响降水的时间变化和空间模式及其可能的影响导致降水极端。相比之下,克劳修斯——克拉珀龙方程有关的水蒸气大气温度(4,5),没有简单的降水和大气温度之间的关系(6- - - - - -10]。这是因为降水受多因素的影响,如大气环流、太阳能迫使人为强迫,和云11,12]。也发现,降水的变化可以归因于自然气候变化和外部影响(13]。大多数观察性研究[7,10,14,15和气候模型16- - - - - -18)表明,全球降水增加慢于水蒸气的总质量以应对全球变暖。先前的研究[10,19- - - - - -23]试图独立的数据分成湿和干燥的地区;他们发现,降水有增加趋势在潮湿的地区,有减少的趋势在干旱地区,这称为“rich-get-richer”机制。最近,周et al。24)发现潮湿的季节变得湿润,干燥的季节变得干燥。在这里,我们将调查是否目前的气候模型可以捕捉降水的时间变化的特点,通过强调温室气体和气溶胶的作用。定量模拟的降水趋势不仅有助于预测未来降水的变化,但也提供了数值依据,以便更好地理解背后的物理学降水的时空变异性。
2。方法和数据
观测和数值模拟都是用来检查降水在两个不同的地区在40°S-40°N:干旱地区降水量少于50毫米/月和潮湿的地区降水量大于200毫米/月。通过比较当前大气模型的观察,我们可以探索模型在模拟降水多好。此外,诊断分析的数值模拟将调查背后的物理学在不同区域降水的时间趋势。
我们使用美国国家航空航天局戈达德太空研究所(GISS)模型研究降水、温度、水蒸气和循环。具体来说,GISS大气环流模式耦合hybrid-isopycnic海洋模型(HYCOM) [12是就业。这是一个更新版本用于IPCC AR4报告2]。E20 / HYCOM GISS-EH模型是一个4×5×活用模型使用模型E大气代码(内部版本号E3), 20层在垂直,顶部0.1 hPa模型,耦合HYCOM海洋模型(v 0.9, 2×2×L16) (http://data.giss.nasa.gov/modelE/ar4/)。大气平流层的参数化模型包括一个台引力波拖累。海洋HYCOM动态模型可以产生一个合理的大小的厄尔尼诺南方涛动(ENSO)像可变性12]。这个模型被用来研究太阳能的影响和人为迫使热带水文(12),探索气候漂移对一分之二十世纪投影(25]。控制仿真始于1850年大气条件包含固定的温室气体和气溶胶。历史模型模拟包括历史性的温室气体和气溶胶辐射强迫的变化。
降水的观察性研究是基于数据集从全球降水气候学项目(GPCP),这是一个国际项目构建全球降水的长期记录在整个世界代表世界气象组织(WMO),世界气候研究计划(塑),和全球能源和水实验(GEWEX) [26]。有许多研究人员和组织导致这个项目(14,26]。的降水数据集的最新版本GPCP(即。,Version 2.2) are available on the public websites maintained by the Physical Sciences Division (PSD) of the Earth System Research Laboratory (ESRL) in the National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA) (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.gpcp.html)。GPCP 2.2版本降水数据来自卫星和计测量。它把数据从SSM / I排放估计,F17 SSMIS, SSM / I散射估计,谷歌价格指数和OPI估计和雨量计分析,TOVS估计(27]。GPCP V2.2降水的空间分辨率为2.5°×2.5°(经度,纬度)。分析基于观测数据集之间的一致性进行检查历史模拟和观察性研究从1988年到2012年,GPCP数据重叠与特殊传感器微波成像仪数据和被认为是更可靠的(28]。
3所示。结果
观察气候的空间格局GPCP V2.2 1988 - 2012年降水图所示1(一)。high-precipitation和少量降水区域被定义为与气候的地区每月每月平均降雨量超过200毫米(mm / mon。)和小于50毫米/ mon。,分别。high-precipitation地区,降雨稀少地区由纯白色轮廓突出,点缀白色轮廓图1(一)。图1(一)说明high-precipitation面积大约是一样的热带辐合区(ITCZ)被高度反光的云29日]。降雨区域包括热带地区的大多数其他地区和情理之中。两种不同的方法是试图在评估这些数据在准备策划一个时间序列。自从ITCZ波动的位置,准备数据的方法之一是让湿和干燥的地方改变体位与月跟随ITCZ的运动。另一种方法是计算降水气候潮湿和干燥的地方,如图1(一)。这两种方法产生了类似的结果。时间序列的观测降水气候潮湿和干燥的地方在数据绘制1 (b)和1 (c)在陆地和海洋之间,其中包括数据40°年代和40°N。从这个时间降水的变化,很明显,地区已经收到大降水倾向于获得更多,而地区已经收到少降水倾向于接受。与潮湿的区域相关的趋势和不确定性毫米/ mon。/decade while for the dry area are毫米/ mon. /十年。细节趋势表中列出1。厄尔尼诺南方涛动(ENSO)信号已被移除的降水时间序列在每个位置的多元回归方法来避免大偏差由于显著的年际变化趋势。我们第一次回归原始时间序列在第一,第二,第三勒让德多项式,年度周期半年周期和ENSO信号(30.]。然后我们减去ENSO信号从原始时间序列。也应用于数据是一个20个月的低通滤波器去除高频信号。低通滤波器是构造一个阶跃函数的卷积汉宁窗和选择得到一个完整的信号从时间超过20个月31日]。时间序列的趋势系数线性最小二乘拟合计算。线性趋势估计的标准误差(32),是数据的标准偏差,是自由度的数量的数据,数据集的长度,相对应的时间序列是一个数量的测量。自由度的数量估计是一个公式吗建议由布雷瑟et al。33),相对应的自相关是一个滞后的时间间隔。
(一)GPCP降水气候学
(b) > 200 mm / mon。
(c) < 50 mm / mon。
接下来,我们使用美国国家航空航天局戈达德太空研究所/ HYCOM模型来调查模型是否可以捕获总体趋势的观察和复制降水的特点。我们进行实验模拟控制模拟温室气体和气溶胶是固定的和历史的历史模拟温室气体和气溶胶。图2说明了高和低的识别区域降水和包含每一个他们的降水趋势控制和历史性的模拟。相应的趋势和不确定性控制模拟湿地区毫米/ mon。/decade with毫米/ mon。/decade for the dry area, as shown in Figures2(一个)和2 (c)。没有明显趋势降水在潮湿和干燥的地方当温室气体和气溶胶浓度是固定的。相比之下,历史仿真演示了趋势毫米/ mon。/decade and毫米/ mon。/decade for the wet and dry areas, respectively, as shown in Figures2 (b)和2 (d)。的趋势(毫米/ mon。/decade and毫米/ mon. /十年)在GISS降水更小比的观测数据1 (b)和1 (c)),这可能与模型的弱点在模拟太平洋年代际变化(刚才)。所建议的顾和阿德勒34,刚才还可以有助于降水的长期趋势除了全球变暖。GISS / HYCOM模型不能模拟刚才,这可能导致弱降水趋势模型。我们也使用类似的分析AMIP-type CMIP5模型模拟和获得类似的结果。因为大多数CMIP5模型模拟结束在2008年,短时间的观察,我们不包括这些模型的结果。
(一) 毫米/ mon。
(b) 毫米/ mon。
(c) 毫米/ mon。
(d) 毫米/ mon。
水蒸气的浓度是一个因素,可以影响降水。图3说明了列水的历史性的趋势和控制模拟湿和干燥的地方。相应的趋势控制模拟湿地区毫米/ mon。/decade with毫米/ mon。/decade for the dry area. Column water trends for the historic simulation are毫米/ mon。/decade over the wet area with毫米/ mon。/decade for the dry area, as shown in Figures3 (b)和3 (d)。历史模拟展示强大的积极趋势湿和干燥的地方,同时控制仿真揭示了几乎没有趋势。此外,相当注意的是趋势的强度列水历史模拟和模型模拟能力较低的不确定性和小偏差。
(一) 毫米/ mon。
(b) 毫米/ mon。
(c) 毫米/ mon。
(d) 毫米/ mon。
水蒸气的浓度与大气温度的克劳修斯——克拉珀龙方程方程(35]。因此,我们进一步研究大气温度的时空变化GISS的模拟模型。GISS的结果337 hPa识别区域的平均温度高和低降水图所示4历史和控制仿真。相应的趋势和不确定性控制模拟湿地区°C /十年°C /十年干旱的地区。趋势337 hPa温度历史模拟湿区和°C /十年°C /十年干旱的地区,如图4 (b)和4 (d)。温度在潮湿的地区和干旱地区积极趋势,应对人为强迫的历史模拟。根据克劳修斯——克拉珀龙方程法,空气温度高会持有更多的水蒸气。列水蒸气还显示了积极的趋势在潮湿和干燥的区域图3。这种行为不同于降水的时空变化湿和干燥的地方。
(一) 毫米/ mon。
(b) 毫米/ mon。
(c) 毫米/ mon。
(d) 毫米/ mon。
为了更好的理解可能的物理降水的时空变化,我们检查垂直压力速度GISS模型在潮湿和干燥的地方。结果在337ΩhPa在图5。相应的趋势控制模拟湿地区Pa /天/十年Pa /天/十年干旱的地区。历史模拟337 hPaΩ的趋势Pa /天/十年在潮湿的地区,Pa /天/十年干旱的地区,数字显示5 (b)和5 (d)。图5 (b)演示了一个重大的负面趋势在337 hPa垂直压力速度。这种负面趋势表明,上升空气湿区和加强,反过来,可以增加降水。垂直压力的时空变化速度是一致的机制建议在一些先前的研究[19,21总值),潮湿的大气边界层的稳定性是减少由于水分的增加相关,因此对流和降水是放大。我们的调查的列水汽和温度显示列的积极趋势在干燥地区水汽和温度。此外,GISS历史模拟表明,垂直压力速度没有显著变化在干旱地区在过去的二十年。在干燥地区降水的时间趋势构成了挑战我们目前的理解,将未来的探索。
(一) > 200 mm / mon。
(b) > 200 mm / mon。
(c) < 50 mm / mon。
(d) < 50 mm / mon。
GISS / HYCOM模型还利用检查剩余子午发行量的时空变化。探索人为强迫在经向环流的影响,我们计算的时间序列337 hPa残余垂直速度31日)超过15°c15°S GISS / HYCOM控制和历史性的模拟。结果如图6。一般来说,ITCZ区域(即增加降水。,rich-get-richer) is accompanied by an intensifying convection over the tropical region. This intensifying convection can be seen by the increasing trend of residual vertical velocity shown in Figure6(一)GISS / HYCOM历史模型的模拟。剩余的垂直速度显示在图6(一)有一个增加的趋势米/天/十年。图6 (b)说明了GISS的残余垂直速度/ HYCOM控制仿真。剩余的垂直速度控制仿真的趋势米/天/十年。历史模拟揭示了一个健壮的趋势而不控制模拟。缺乏一个增加的趋势在控制仿真是人为影响的证据迫使残余垂直速度。增加的趋势显示在具有历史意义的仿真表明,强化对流发生在热带地区,因此加强这些地区的降水。这种强化对流与更强的经向环流有关,从而提供另一个视角上的大规模的经向环流的影响热带降水的时空变化。
(一)GISS历史模拟
(b) GISS控制仿真
4所示。结论
GISS模型模拟表明,人为强迫可以影响降水的时间变化在潮湿和干燥的地方。GISS历史模拟的结果表明,湿面积越来越潮湿,而干燥的地区变得越来越干燥,这与观察的结果一致。降水从控制仿真与固定大量的温室气体和气溶胶并不证明趋势在潮湿和干燥的地方。GISS的模拟模型的诊断的研究表明,大气对流相关动力学稳定性,因此垂直运动,有助于增加降水在潮湿的区域。比较残余垂直速度的控制和历史性的模拟也说明了经向环流的变化由于全球变暖,从而进一步推动在热带地区降水增加。这些重要特性的正确模拟气候模型可以帮助阐明时间的变化背后的物理沉淀,铺平了道路更准确的预测未来的气候变化由于人为活动。
与越来越多的极端天气与气候变化有关,重要的是要研究降水、温度和水蒸气趋势和它们相关的空间分布。的意义和广泛的影响很明显,当我们看增加了在一些地区干旱和洪水的后果在其他领域。火天气干旱加剧创建一个威胁,减少供水,复苏的经济影响可能需要数年时间。另一方面,快速和丰富的降雨可能导致洪水和经济损失。这些可能是有关全球变暖的影响。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢两个匿名评论者有用的评论。这项工作是由美国宇航局格兰特NNX13AC04G玫瑰- 2010消息。研究的一部分进行了喷气推进实验室,加州理工学院,在国家航空和宇宙航行局的合同。