文摘

为观察趋势提供上下文陆地水储存(TWS)恩典(2003 - 2014)期间,趋势和变化在CESM1-CAM5大合奏(LE)检查。动力部分的异常气候变化的自然优雅,强迫变化的特点和内部模式量化及其影响观测估计。勒在恩典时代的趋势是由内部变化而不是强迫响应,与TWS异常的美洲,澳大利亚东部,西南部非洲和欧亚大陆的负面阶段很大程度上归因于太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋数十年震荡(AMO)。虽然相似之处观察趋势和model-inferred强迫响应也存在,这是不恰当的这种趋势主要归因于人为强迫。几个重点流域,意味着国家和年际变化的趋势和强迫响应的时间超过背景变化也估计而全球平均TWS方面,包括在年度振幅和年代际变化趋势,是量化的。研究结果突出检测人为气候变化的挑战暂时有限的卫星数据集和强调的利益利用模型的解释观察到的记录。

1。介绍

水资源的变化是影响的基本驱动程序相关的气候变化和变化,但量化和理解这些变化仍是一个重大的挑战,在一定程度上由于其固有的复杂性的观察,在区域和全球尺度上模拟和归因。虽然消耗地下水可以源于一系列因素,包括地下水抽水、灌溉等农业和水资源管理实践(例如,1]),降雨和气温的变化也产生根本性的影响。随着地球变暖,大气中滋润,水循环的变化预计包括降水的空间再分配有利于热带和高纬度地区,与潜在缺陷在许多亚热带和中间纬度地区(例如,2])。日益变水循环也预期,增强洪涝和干旱的频率(例如,3,4])。从实用的角度来看,这些变化对水资源管理构成重大风险和确保未来水资源3,5]。

出于这些问题的重要性,重力恢复与气候实验(GRACE)卫星星座2002年3月发射监控近地表质量的变化,这对土地相关积累或损耗的主要陆地水储存(TWS)。提供每月第一个全球估计分辨率,优雅显示一系列重大变化的时间尺度包括强烈的季节性变化、年际变化,和明显的趋势6]。虽然很明显,大气和陆地水文过程扮演中心角色在这些变化中,仍存在许多问题,主要是人为气候变化对GRACE-era趋势的潜在作用。

这里,内部变化的角色(即。,arising from interactions and chaotic variability within the climate system) and the anthropogenic forced response (i.e., driven primarily by human induced changes in atmospheric composition) are therefore investigated. This analysis is timely in that the GRACE record is likely nearing its end of life, with weakening of the satellite’s batteries currently requiring the instrument to be shut off for extended periods. Major questions nonetheless remain unanswered, such as whether the GRACE era is representative of recent decades generally. There are reasons to question whether this is the case given the strong negative phase of the Pacific Decadal Oscillation (PDO) that prevailed through much of the 2000s, accompanying a slowdown in global mean surface warming (e.g., [7])。这个和其他的角色模式,如厄尔尼诺南方涛动(ENSO)和大西洋数十年震荡(AMO),在影响地区TWS,同样仍是无人涉足。与气候变化有关的一系列问题也可以问。是一个水循环加剧可能导致检测增加年度周期TWS由于加强冬季积雪,先进的春天融化,并增加夏季干旱?还可能出现降水频率和季节性变化(例如,4]),如果是这样,什么是预期的大小相关的内部变化趋势和他们如何比较?TWS趋势的能力是持续几十年,减缓海平面上升,一个特定的问题相关的解释高度计记录(8]?

解决这些问题仅仅通过观察仍然具有挑战性由于有限的时间和精度全球水循环的记录,这里采用混合方法的模型模拟验证可用的观测,然后用于估计内部的空间模式和大小,迫使在长时间尺度变化。部分2描述了使用方法和数据,包括选择的依据,而部分3文档所观察到的气候变化的趋势和模式。部分4地址观察可变性和文档模式提出的问题与厄尔尼诺南方涛动(ENSO)、太平洋年代际振荡(PDO),大西洋数十年振荡(AMO)和强迫下人为气候变化的反应。部分5文件模拟可变性在关键地区部分6地址今天和未来全球预算的特点,然后讨论了关键的发现和结论部分7。

2。数据和方法

2.1。格蕾丝

恩典领域使用多个来源包括最近发布的质量浓度的解决方案(质量密集,9])和各种无约束球面谐波解决方案10- - - - - -12]。当前可用的恩典质量密集记录从2002年4月延伸至2014年11月,球面谐波扩展到2015年4月的解决方案。质量密集领域提供quasi-monthly分辨率在0.5°的网格而球面谐波1°网格解决方案,尽管这些字段的网格的分辨率高于报告解决恩典检索300 - 400公里。由于电池管理相关的仪器故障从2011年开始,一些优雅月失踪或部分平均跨多个月。字段从而转化为每月意味着允许删除的气候每年循环之前计算的趋势。冰盖表面质量变化恩典不评估。

2.2。CESM1-CAM5大合奏

CESM1-CAM5大合奏(勒,13)目前由一套着的模拟生成1920 - 2100(1 1850年开始)。舍入错误(订单10级⁻¹⁴K)调整对流层温度是用于生成整体传播的一系列分支1920年开始运行。延长2000年耦合控制运行还包括作为整体的一部分。勒是一个独特的资源为研究陆地水预算的内部变化和区分它和强迫响应,与许多multimodel档案,它提供了所有必要条件来计算整个陆地水预算和允许的强迫响应估计平均的乐团成员(而结构对比multimodel档案阻止这样做)。此外,CESM一贯成绩最好的模型中代表主要的气候变化模式(例如,14])。陆地水储存(TWS)计算从勒的土地组件,版本4社区的土地模型(CLM4, (15])。在CLM4 TWS计算土壤的结合液体和冰,树冠水,雪水,河流和地下水字段。TWS捕获的年度周期合理CLM4 [16]。的恩典所面临的局限性是它无法区分这些近地表因素质量预算,CLM4提供额外的指导如何各种土地水库导致观察到的变化。CLM4不包括地下水的影响,灌溉,或者大坝水文模拟的表面。

作为一个例子的忠诚CESM代表内部可变性,ENSO探索远程并置对比图1降雨,近地表风速,500 hPa垂直速度(w500)退化对Nino3.4海表面温度(SST)勒2000年控制运行并与字段从欧洲中期天气预报中心临时再分析(17]。显示的字段是基于平均12个月的线性回归意味着从7月到6月(考虑到季节性ENSO)后删除任何长期的趋势。模拟结果与实际观测值的一般特征模式非常类似于反常地强降雨赤道太平洋中部伴有深对流垂直运动(w500 < 0)包围的地区提高沉降(w500 > 0)和抑制降雨,特别是在南美和澳大利亚的方式定性符合最近观察到的变化(例如,18])。温带降雨协会通常也符合这些观察积极回归战胜地中海南部各层的北美和南美洲南部。分歧的主要地区位于南部非洲和大西洋,在退化风能协会太弱和降雨回归CESM积极偏见。

2.3。指标的变化

理解报道关键变化在恩典记录是量化内部气候模式的特点。这里,用来描述ENSO指数,AMO, PDO以一致的方式使用方法在观测和模型在NCAR的气候变化诊断包(14]。ENSO状态估计Nino3.4地区从海洋表面温度(5°存在°S, 190°e - 120°W)。AMO指数计算,首先删除无冰地区每月全球平均SST (60°S-60°N)将大西洋数十年震荡(AMO)从全球平均被迫改变19]。平均去趋势的指数计算年平均海温异常在北大西洋(0°-60°N, 80°0°W)。这种方法有所不同的方法没有考虑全球平均的早些时候,一个特殊的意义的区别宽限期章节中讨论3。PDO指数来源于标准化主要个人电脑的第一个EOF去趋势在北太平洋海温异常(20°N - 70°N, 110°e - 80°W, (20.,21])。

3所示。观察到的趋势和变化

GRACE-era TWS趋势从2003年到2014年,基于质量密集的解决方案如图所示2地区的分歧在各种优雅产品趋势的标志所示点彩。特点是大量增加的趋势在中间纬度北美、南美的亚马逊和巴拉那河盆地西部和南部非洲,澳大利亚东部,欧亚大陆东部的部分。大降低明显在北美洲的北部和南部层,巴塔哥尼亚,欧亚大陆西部和喜马拉雅山。一般来说,各种优雅产品在描绘的趋势是一致的,与分歧局限于地区很小(< 2毫米年质量密集信号⁻¹)和西欧恩典检索检索沿着海岸线变化复杂的挑战。许多恩典记录趋势与重要潜在水循环驱动社会经济中断,包括美国南部的干旱(22),欧亚大陆西部的冲突(例如,(23),主要在澳大利亚洪水影响全球海平面(例如,18])。

许多地区的明显趋势是明显的恩典也强烈影响的内部变化,特别是降雨(21,24- - - - - -26]。因此理解这种内部变异的进化解释的关键趋势和ENSO的进化(使用多元ENSO指数、美27]),PDO和AMO如图3。这里,美是用来代替Nino3.4 SST是ENSO的更全面的测量,基于海平面气压,表面风、风场、表面空气温度,和云分数,虽然都是异常的美(0.01)与Nino3.4 SST (< 0.01 K)是恩典时代可以忽略不计。作为模型领域美不可用时,Nino3.4用于评估勒模拟。相比之下,PDO和AMO异常的时期与强烈的负面异常盛行在中间和后面的部分记录。值得注意的是,然而,在AMO指数方面,是早些时候估计技术,不占全球变化(24积极的异常报告,然而,一旦修正等影响,Trenberth的方法论和谢伊(19]显示它是温和的负增长(−0.33 K;−0.35)。这里,后者采用约定的强大的高纬度变暖发生在2000年代初在全球范围(例如,图9的7])。

4所示。模拟内部和可变性

勒的主要优点是,它包含多个实现的20世纪和21世纪的一个模型。因此可以准确估计的强迫响应平均在一起的各种乐团成员删除内部变化,可以被认为是随机的影响在任何给定的时间点上。这里,强迫响应的TWS估计恩典时代和整个跨度的勒(图4),趋势的迹象的地区缺乏一致性至少四分之三的乐团成员点画。强制GRACE-era趋势(图4(一))非常类似于勒的总体趋势从一开始到现在(1920年到2014年,图中未显示)以及展览的许多特性的强迫响应从1920年到2100年(图4 (b)),减少在北美西部和亚马逊和地中海地区和增加高纬度地区,在澳大利亚和非洲中部。然而,有大量分布在乐团成员和地区地带性意味着尺度,在每个被高度变量趋势的迹象在这样一个短暂的时期。相比之下,当完整的LE记录被认为是,这些地区的趋势加剧和跨乐团成员变得健壮。平均纬向平均整个记录尤为强劲,增加高纬度地区和北部热带地区附近(尽管重要空间结构)和减少40°N特别是北部70°N。

鉴于内部强大的角色变化显示在图3,主要模式的空间结构变化研究(图5回归指标)的气候变化对TWS勒2000年控制仿真。对于这些内部变化,CLM模拟最伟大贡献TWS液体土壤水和地下水的条款。高纬度地区(> 50°),土壤水冰和积雪也可以计划一个重要的角色。对ENSO(图5(一个)),强阳性协会是在北美的南部层明显,南美洲南部,中部非洲和欧亚大陆北部,西北部与赤字北美洲,南美洲北部和东部,西部和东部非洲,东南亚和澳大利亚。因此TWS模式空间与降雨相关远程并置对比(图1),这意味着一个强大的(也许是显而易见的)物理之间的联系。的许多特性ENSO PDO中也很明显,这可能会给他们强大的互联性(21]。区域关联与AMO然而在许多方面有别于ENSO和PDO,用积极异常在南美洲北部,萨赫勒地区,和东南亚,负异常横跨北美东部和西部非洲的大部分地区。其他功能,如回归在美国西南部,中部南美,欧亚大陆西部和南部非洲,是定性类似ENSO和PDO。这些特性导致观察到的变化的角色将在部分进一步讨论7。

5。地区的趋势和变化

空间格局的复杂性在强迫响应和内部变化激励模式的分析时间演化的区域结构(图6)。全球土地,有一个积极的TWS趋势(~ 0.3毫米年⁻¹),与一个加剧和空间分配水周期(例如,2]),增加内部变化(红色虚线),与情景干旱和洪水的风险升高(3,4]。可变性的增加20和21世纪晚期之间实质性的(~ 50%)。

区域特征可以大大偏离从全球的意思。在澳大利亚(图6 (b)),增加更强的存储(年~ 0.6毫米⁻¹)和一个较弱的增加变化(~ 30%)比全球土地是显而易见的。明显的亚马逊干燥趋势(图6 (c)年,−1.2毫米⁻¹)伴随方差(~ 35%)的增加。趋势不单调也很明显,比如科罗拉多河盆地(图6 (d)),一个总体负(0.7毫米年TWS趋势⁻¹)和方差(~ 25%)的增加是显而易见的。密西西比河流域也干(0.7毫米年⁻¹),而进化的差异本身就是高度可变。在加州(图6 (f)),意味着改变高度变量而变化增加(~ 35%)。

6。全球预算

在气候变化的最重要的指标和相关的影响的关键驱动因素。其解释然而极度依赖在能够区分贡献起源于海洋热含量和质量的变化。TWS是一个关键的一部分预算(例如,6,18])。Cazenave et al。8)土地使用模式迫于估计实际降雨量推测减速在海平面观测高度计时代推动了TWS增加在过去的十年中,要求增加净TWS近20毫米自2003年以来,相对于之前的十年。大量增加的合理性探讨。此外,它一直在猜测一个放大的年度周期TWS可以作为全球水循环加剧的一个有用的指标(28),工具,如恩典可以检测这些影响。这些假设的合理性是探索使用模拟。

为了解决这些问题,10年的频率分布全球土地TWS勒探讨(图的趋势7)。在这个计算,强迫响应估计出40人组成的意思是除去每个乐团成员和运行10年趋势计算为所有成员从1920年到2100年。是考虑ENSO的州,PDO和AMO发生的频率和强度归一化。意思是(),标准偏差()和偏态()也表现出不同的分布。总的来说,十年的趋势TWS往往比较小12月的3.1毫米⁻¹并积极倾斜(),可能由于雨量分布偏态(被迫改变被移除)。也许出人意料地给他们的明显影响区域预算(例如,图5),模式的变化并不严格限制意味着全球TWS趋势,从零无法区分为所有模式。然而有一些建议的增加PDO的负面阶段和AMO,将符合其预期的影响增强地面降雨洪水。然而,厄尔尼诺事件的偏态也会增加,不存在如此强烈的期望。TWS频率分布的因此,虽然方面仍有待理解,LE演示了两个要点:十年的趋势是很少大于12月6毫米⁻¹强烈的趋势本身并不是由内部模式的可变性。

最后,利用年度振幅TWS能力的指标探讨了水循环的力量。全球土地TWS的年平均周期为20和21世纪后期在图所示8随着的年际变化,年平均(图6(一))已经被移除。而形式的年度周期相似,意思是北方夏季最低大约一个月发生更早(8月和9月)低约1毫米,通常是在21和20世纪初。这些差异是显著的非常大的数年包括在复合(1200)。尽管如此,这种转变的期望的卫星记录十年左右将检测到非常可疑,考虑到大型内部固有的可变性的年度周期和相关检测的要求绝对的检索精度。这些挑战提出的LE除了陆地降水增加一个健壮的合奏,增加从2.24毫米d⁻¹2.44毫米d⁻¹从1920年到2100年,约9%。

7所示。讨论和结论

恩典记录代表一个非凡的技术成就,提供重要和前所未有的洞察力的气候变化和变化主要表现在陆地水文。然而,简洁的记录使其承受同样的紧张关系,长期以来存在之间的相对较短的高质量的全球卫星观测和记录所需的通常长时间单独的强制和内部变化的复杂影响。在这里,结果表明,模型可以在澄清这些角色发挥着基础性的作用,虽然自己的固有的不确定性。基于勒,迫使TWS响应通常是被内部变化在年代际时间尺度上,和AMO PDO玩特别有影响力的角色在许多关键地区。很大程度上,这些模式的负面阶段(图2)和相关远程并置对比(图4)发生在恩典时代,导致TWS增加在南美和澳大利亚和干燥层南北美洲南部和西部欧亚大陆。随着这些变化也与强迫响应一致,内部变化提供了可以合理地视为什么加速实现的许多变化最终预期下气候变化。例如,这一发现也表明,没有期望,报道的趋势在后续卫星任务(例如,优雅的发射在2017年预计)一定会在恩典在年代际时间尺度上所观察到的类似。尽管如此,尽管这模糊的角色内部变化,持续的发展迫使反应随着时间的推移,可能会出现一个清晰的模式的响应,并与陆地水文发生重大变化,可以掩盖或增强内部变化在任何给定的时间,预示未来重要的影响。

全球预算,检查结果也似乎是健壮的。需要特别注意的是,LE表明十年趋势TWS很少超过5毫米,不是PDO的强烈影响,AMO,或者ENSO。相当重要,显然随机散射存在年代际的分布趋势。基于TWS解释最近的海平面趋势(例如,8])增加所带来的影响,PDO因此似乎不可能根据LE应该探索和替代假说。同样,证据的断言的季节性周期的TWS可以作为一个有用的指标未来水循环加剧发现弱,因为它是受到月度变化大、小信号,预计水循环加强。

除了强劲的全球范围内变化,变化在区域尺度上显示了一个增加根据勒在许多地区。实现这些区域的变化在未来几十年可能更加不确定比许多上面的调查结果中,然而,由于结构模型的不确定性,可能相关的错误,和增加内部变化对区域的影响变化,甚至数十年时间尺度(例如,29日])。

最后,恩提供了一个数据记录,可能会产生额外的好处远到未来。字段为开发人员提供了一个新的数据集,他们可以使用审查和发展模型30.),允许增加富达在模拟地表水分的运动和交流。鉴于水的重要性在许多陆地过程(如碳、植被)及其耦合到大气中,这些改进的好处预计将远远超越TWS模拟。虽然许多这些改进模型尚未用于大型项目如勒,只是一个时间问题的见解和相关遗留优雅充分发挥他们的潜力。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

Fasullo博士参与这项工作是由美国国家科学基金会奖ID 1243125,美国国家航空航天局(NASA)奖。ID DE-SC0012711 NNH11ZDA001N,能源部奖。NCAR由美国国家科学基金会赞助。