趋势和变化可沉淀的水蒸气在北中国从1979年到2015年

文摘

本研究分析了可变性和趋势可沉淀的水蒸气(采集)从1979年到2015年在中国北部。年平均采集的空间分布的普遍特点是两个高采集中心在中国东部地区和塔里木盆地和两个低采集中心在西藏和青海北部和内蒙古。季节性的意思是采集的水平在夏季最高,其次是秋天和春天,冬天最低。最大的月度平均采集发生在7月和8月,而最低发生在12月到2月。在采集增加趋势,这一趋势从0.1到1.2毫米级的十年⁻¹在中国北方,在无线电探空仪观察,ERA-interim,和MERRA-2采集数据从1979年到1999年;但略有下降趋势−0.4毫米的十年⁻¹从无线电探空仪在华北大部分地区被发现从1979年到2007年。采集单调递增的趋势在中国北方发现在1979年至1999年之间,最大的趋势发生在夏天和冬天最低发生。1979 - 2007年期间,稍微被发现但不显著的减少趋势最多站在所有四个季节在中国北方。

1。介绍

水蒸气在气候变化中扮演着关键角色,水文过程,地球的能量平衡,和天气系统(1- - - - - -3]。水蒸气也最丰富的温室气体在大气中,它占大约60%的自然温室效应(4]。因此,饱和蒸汽压预计将增加对提高空气温度作为响应。因此,大气中的水蒸气为全球变暖提供了一个强大的正反馈以及二氧化碳、臭氧、甲烷和其他温室气体(1,5- - - - - -9]。因此,水汽变化如何在这两个真正的大气和气候模型是重要的,不仅对更好的理解水汽反馈探索全球变暖的气候变化。

在过去的几年中,各种研究已经进行检测的变化可沉淀的水蒸气(采集)使用各种采集数据集,可以从各种传感器获取,如全球定位系统(GPS)接收器(10,无线电探空仪6,11[],微波辐射计12,13),拉曼雷达(14),multifilter旋转影子带辐射计(MFRSR) [15,卫星遥感16,17),和地面太阳光度法18,19]。传统上,长期采集来自无线电探空仪观测记录代表一个重要的资源监测大气水汽的变化。因为它拥有高准确性和高垂直分辨率,无线电探空仪采集也经常用作参考数据在评估其他采集检测技术的性能20.- - - - - -22]。然而,很难量化一个准确采集趋势从无线电探空仪采集由于限制不完整和不均匀等观察和稀疏的空间分布(6,23]。此外,仪表等因素变化,无法控制的气球,升级工具,和时间尺度常常导致虚假的变化无线电探空仪采集时间序列(24]。这意味着长期趋势的采集来自无线电探空仪探测可能受决策影响的研究人员,包括质量控制程序,网站筛选过程,偏差纠正(23]。

大气再分析数据集是由同化各种类型的观察(包括地面和卫星观测)成一个连贯的动态数据集,基于一个大气环流模式(4,9,25]。再分析数据已被广泛应用于大气研究的话题,诸如气候变化、因为他们有优势,如多变量输出,覆盖全球,均匀的记录,和空间的完整性26,27]。值得注意的是,再分析数据可能不太可靠的一些地区有限或缺乏观测数据使用的数据同化(28,29日]。此外,预期的地面和卫星观测误差融入再分析系统可能传播大偏见再分析产品。这些错误可能引起虚假的长期变化再分析水蒸气。

许多先前的研究已经揭示了采集的趋势在不同区域尺度和在不同时期使用各种采集数据集。它已经表明,有一个上升趋势在北半球的大多数网站采集,使用无线电探空仪观察1973 - 1995年(30.]。基于无线电探空仪的27年的观察,采集的显著上升趋势已经观察到在中国的北部,但下降的趋势已经在中国南部的时期(1979 - 200531日]。1979 - 2001年期间,全球采集的大小增加了0.26毫米的十年⁻¹使用ERA-40再分析欧洲中期天气预报中心(ECMWF) [32]。通过使用各种采集的数据集,包括ECMWF和国家环境预报中心的重新分析,GPS,无线电探空仪、微波卫星观测,可变性和趋势在全球采集分析了1979年和2014年之间(Chen et al ., 2016)。研究显示积极的全球采集趋势为所有五个采集数据集在三个不同的时期:1979 - 2014,1992 - 2014,2000 - 2014。

中国,特别是中国北方,是一个典型的地区为研究水汽反馈对全球变暖(33]。为了加强对气候变化的理解,有必要分析采集分布和变化在北中国最近几十年34]。摘要年度的时空变化,季节性,每月采集分布在华北检查使用最新的37年ERA-interim ECMWF再分析。同时,采集数据集来自45个无线电探空仪站在北中国用于分析年度和季节性趋势三个不同时期(1979 - 1999、1979 - 2007和2008 - 2015年)与最新的湿度传感器的变化已经发生在中国自2007年(35,36]。此外,最新的ERA-interim ECMWF再分析产品,第二个一回顾性分析研究和应用程序(MERRA-2)在1979年和2015年之间也利用推导与无线电探空仪数据采集趋势直接比较。

2。数据和方法

2.1。无线电探空仪站描述和采集检索

基于一个球载平台,无线电探空仪可以提供原位测量的气象参数,包括温度、压力、相对湿度、风速和风向在不同高度。无线电探空仪气球一般每天两次发射,在00:00,12:00 UTC(当地时间+ 8 h)。测量精度的温度、压力和相对湿度是0.2 - -0.3°C, 1 - 2 hPa,分别和4 - 5%。采集可以计算积分的气象资料由无线电探空仪测量。据报道,这种不确定性在无线电探空仪采集数据从5到8%37,38]。总柱状水蒸气可以计算使用以下方程(39]: 在哪里重力加速度;和下层和上层大气压力,分别为(单位:帕斯卡);和蒸汽压(单位:帕斯卡)。

集成的采集计算水蒸气质量通过各级测深。只有中国无线电探空仪的数据从1979年到2015年被选中来检索采集。采集数据质量控制按照之前报道手续(31日,40):(1)数据从车站发现明显休息时被排除在外。(2)数据从车站没有两个完整的日常观察0点和12点UTC是拒绝。(3)在分析每个站的年平均采集时间序列,观察至少15天一个月用来获得月度平均值,并有效至少8个月较去年需要获得年度和季节性平均值。因此,总共45无线电探空仪站在中国北方被选为本研究期间1979 - 2015。45无线电探空仪站的数据可从网站的怀俄明大学的大气科学(http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)。图1显示了45无线电探空仪站的地理位置在中国北部。可以看出,它们位于经度从75°E 130°E,在纬度从32°N 52°N,在海拔从海拔400米到4800米a.s.l。(见图1)。

2.2。ERA-Interim再分析采集数据

ERA-interim是最新的全球大气ECMWF再分析产生的。它涵盖了数据丰富时期从1979年1月1日和不断实时更新(23]。这些数据可以下载从web接口(ECMWF公共数据集https://www.ecmwf.int/)。ERA-interim比起ERA-40再分析产品的质量改善(23]。四维变分同化系统使用数据分析系统,是基于2006年上映的IFS (Cy31r2)。采集的数据来源于ERA-interim再分析是基于各种水汽观测,包括晴空辐射测量从极轨和同步音响,以及遥感卫星的图像,如总臭氧映射分光光度计(41),特殊传感器微波成像仪(SSM / I) (42),洛斯操作垂直探测器(TOVS) [43),和高分辨率红外辐射探测器44,45]。

在这项研究中,每月平均采集数据来源于ERA-interim再分析从1979年到2015年。的空间分辨率ERA-interim再分析采集产品用于本研究0.5°×0.5°的纬度和经度。每月平均采集数据计算平均每日采集数据,6 h时间分辨率,然后平均每月获得的年平均采集数据采集数据。此外,春天的季节意味着得到(3月、4月和5月),夏季(6、7、8月),秋季(9月、10月和11月),和冬季(12月、1月和2月)平均每月意味着在每一个季节。

2.3。MERRA-2再分析采集数据

第二个一回顾性分析研究和应用程序(MERRA-2)是一个NASA大气数据再分析卫星的时代。它取代原来的一项目再分析数据46)使用一个三维的升级版本的戈达德地球观测系统数据同化系统(5.12.4版)。与一,所有数据收集来自MERRA-2提供在同一分辨率为0.5°×0.625°纬度和经度。采集数据来源于MERRA-2再分析是基于各种水汽观测,包括新的微波声纳和高光谱红外辐射仪器如大气红外探测器(47),SSM / I, TOVS。

在这项研究中,每月平均采集数据来源于MERRA-2再分析1979年和2015年之间。用于计算年平均的方法采集和季节性的意思是采集符合ERA-interim采集,如上所述。

基于年度或季节性意味着从无线电探空仪采集数据,ERA-interim的再分析,和MERRA-2再分析,采集的年度或季节性的线性趋势估计通过使用最小二乘线性回归方法。这种方法旨在确定最适合的方程时间序列数据通过最小化误差的平方和的剩余工资。

3所示。结果与讨论

3.1。在中国北方空间分布和可变性的采集

3.1.1。年平均采集水平在中国北部

一项研究[48]证实ERA-interim的性能采集数据优于MERRA-2华北地区(见也较大的相关系数之间的无线电探空仪和ERA-interim图5)。因此,ERA-interim采集数据被用来研究采集的空间分布在华北。图2介绍了年平均采集的空间分布在华北,来自37年ERA-interim再分析数据。采集的分布在华北显示明显的地理差异。这种空间格局的年平均采集通常指的是两个高和两个低采集中心在中国北部(图2)。两个高采集中心在中国东部,与采集20到28毫米,和中国西北的塔里木盆地,采集12毫米。新疆高采集水平可能是水蒸气运输相关从地中海和里海海域49]。两个低采集中心周围地区高海拔地区西藏和青海北部,从2到8毫米,采集和高纬度地区的内蒙古地区,采集约8毫米。

3.1.2。在中国北方季节性和每月的变化

图3显示了37年平均的分布采集春天,夏天,秋天,冬天。采集整个华北的空间分布特征是两个高采集中心和两个采集中心低,保持不变在四季,虽然采集中心的强度之间不同的春天,夏天,秋天,冬天。总的来说,在夏天季节平均采集的水准最高,其次是秋季和春季,冬季最低。在春天,除了在中国东部,采集在华北保持在低水平。受东亚季风的影响,夏季采集显著增加在中国北部的大部分地区。在中国东部地区采集终于达到了最大值约为45毫米。新疆省的采集在内蒙古达到相同的水平,价值约18毫米。在秋天,季风的减弱,新疆的采集,中国东部、东北、内蒙古显著下降。在冬天,一个值的采集水平较低,低于9毫米华北大部分地区。

每月的意思是采集从37年的月度采集数据,检索和采集从1月到12月的月度平均分布在华北图所示4。每月平均每月采集分布在华北显示明显的差异。采集水平最高的华北发生在7月和8月,采集值大于45毫米在中国东部,大于18毫米在新疆和内蒙古,和在西藏和青海北部大于9毫米,这是密切相关的增强东亚夏季风强度和增加蒸发产生的温度在此期间增加。采集水平最低的华北发生在12月,1月和2月,采集值小于9毫米。

3.1.3。在中国北方年际变化

平均时间序列的年平均所有无线电探空仪采集站,ERA-interim, MERRA-2整个华北绘制在图5。所有华北值是基于算术平均45个人无线电探空仪的网站和一个地区的平均所有网格点从ERA-interim MERRA-2采集数据。如图5的趋势,年平均采集ERA-interim年际变化 和MERRA-2 可利用高度一致的观察到的无线电探空仪采集系列在中国北部。长期采集变化,然而,ERA-interim之间有明显的区别/ MERRA-2采集再分析数据和无线电探空仪采集观测,尤其是在2003年之前,因湿偏见可利用的早期(48]。此外,如图5,有一个稳定的偏差约0.25毫米之间的年平均采集时间序列从ERA-interim MERRA-2 2000年之前。从2001年到2005年,ERA-interim年度平均采集时间序列与MERRA-2吻合良好。2005年之后,一个稳定的偏见依然存在。

基于图5有趣的是,有一个明显的增加在1979 - 1998年期间,最大的采集值发生在1998。观察相应的显著下降在1999 - 2009年期间,采集值最低的发生在2009年。突然增加采集观测到的1997 - 1998和2009 - 2010年很可能与厄尔尼诺事件(Chen et al ., 2016)。

为了调查采集的变化和趋势在中国北方主要城市,九个省会无线电探空仪站(乌鲁木齐、西宁、银川、北京、太原、呼和浩特、长春、哈尔滨、郑州)。这些无线电探空仪站被选出来代表不同特征的采集在典型的整个华北地区。采集各站点的年际变化呈现在图6。显著的减少趋势观察到哈尔滨,银川,北京从1998年到2006年。年平均采集降低了从16.2毫米到11.7毫米在哈尔滨,在银川从14.4毫米到10.9毫米,从20.9毫米到16.9毫米1998 - 2006年期间在北京。站在中国中部,显著增加的趋势观察采集在郑州两个时期(1979 - 1990和1997 - 1998年),1998年峰值发生在25.6毫米(图6 (c))。同时,明显减少趋势观察采集两个时期(1990 - 1997和1998 - 2008年),最小值出现在1997 19.6毫米。

在中国西北,明显增加的趋势在乌鲁木齐观察采集,西宁、银川从1979年到2002年,其次是2003 - 2009年期间减少在乌鲁木齐和西宁(图6(一))。最大的采集发生在1999年,一个值为12.6毫米,11.6毫米,14.4毫米,乌鲁木齐、西宁、银川,分别。9.1毫米的最低价值在乌鲁木齐2009年观察到的;9.3毫米的最低价值在西宁2008年观察到的;和10.0毫米的最低价值在2004年被观察到在银川。

站在中国北方,显著增加的趋势观察采集在呼和浩特,太原,和北京从1979年到1998年,与北京最大的采集值发生在1997和1998年呼和浩特市和太原(图6 (b))。此外,观察相应的显著下降在1997 - 2002年在北京和在2003 - 2009年在呼和浩特和太原。采集值最大的是21.9毫米,17.4毫米,13.3毫米,北京、太原、呼和浩特,分别。采集值最低的是15.6毫米,13.5毫米,9.0毫米,北京、太原、呼和浩特,分别。

站在中国东北,显著增加的趋势观察采集从1979年到1998年在哈尔滨和长春(图6 (c))。观察相应的显著减少趋势在1998 - 2011年在长春和哈尔滨,紧随其后的是2011 - 2015年期间增加。哈尔滨站,16.2毫米的最大采集值发生在1998年,和11.7毫米的最低采集值发生在2006年。长春火车站,17.7毫米的最大采集值发生在1998年,和13.5毫米的最低采集值发生在2011年。

3.2。在中国北方采集的趋势

3.2.1之上。在中国北方年度趋势采集

第五次评估报告的政府间气候变化专门委员会明确指出了人类活动导致的气候变暖趋势系统[50]。作为一个关键气候参数,采集的长期的年际变化和趋势的背景下,气候变化是至关重要的对于理解全球和区域气候变化和水蒸气的影响在全球变暖问题的反馈。无线电探空仪,进行了线性回归趋势分析ERA-interim, MERRA-2采集使用最小二乘线性回归方法。图7显示的线性趋势的空间分布三个采集数据集在三个不同的时期(1979 - 1999、1979 - 2007和2008 - 2015年)。如数据所示7(一)-7(c),当趋势进行了测试在1979 - 1999年期间,有一个增加采集趋势最多站在中国北方。在45网站,网站显示的数量增加的趋势从1979年到1999年是44。值得注意的是,采集趋势来源于ERA-interim和MERRA-2再分析数据与无线电探空仪观察是一致的;越来越趋势观察在华北1979 - 1999。增加的趋势的大小范围从0.1毫米到1.2毫米的十年⁻¹在1979年和1999年之间。站与线性趋势大于0.8毫米的十年⁻¹在中国西北、华北和东北。

相比之下,在45网站在中国北方,网站的数量增加的趋势是25从1979年到2007年,而网站的数量减少的趋势是20(图7(d))。这些结果表明,北中国不是单调递增的采集全球变暖的背景下。事实上,中国北方的一些地方经验减少采集在最近的十年。从无线电探空仪观测,获取与采集趋势的采集趋势ERA-interim和MERRA-2表现出稍微不同的空间分布特征。宽阔的空间范围的增加趋势观察ERA-interim和MERRA-2。高中心的增加趋势主要是位于中国中东和内蒙古南部最大的趋势是0.8毫米级的十年⁻¹。然而,略微下降的趋势被发现在新疆南部(ERA-interim),黑龙江省北部,内蒙古北部(MERRA-2)。1979 - 2007年期间,更高的采集ERA-interim趋势和MERRA-2相比,无线电探空仪采集是由于采集的影响,过高的估计在1992年之前(陈et al ., 2016)。

线性趋势检验时执行在2008 - 2015年期间,几乎所有的无线电探空仪网站显示增加的趋势。站与增加的趋势大于2.4毫米级的十年⁻¹位于新疆,内蒙古北部,黑龙江北部。更重要的是,类似的积极采集趋势与震级从0.8毫米到2.2毫米十年⁻¹从ERA-interim和MERRA-2数据检索,观察到在中国北方的大部分地区,除了青藏高原北部,中国青海省,中东(数字7(h) -7(我))。然而,应该注意上面的趋势在未来需要确认,因为2008 - 2015年期间中国无线电探空仪数据包含不均匀性。有已知的严重尺度中国无线电探空仪记录2007年之后,尤其是在高海拔地区。可利用的趋势,同化探空仪的记录数据,它们也可能是偏见由于无线电探空仪水分不均匀性的数据。

3.2.2。在中国北方季节性趋势采集

季节(春:高于3;夏天:6;秋天:9;和冬天:该型号)采集趋势来自45集中的无线电探空仪站在三个时期(1979 - 1999、1979 - 2007和2008 - 2015年)提出了在图8。如数据所示8(一),8(d),8(g)8(j),线性趋势检验时进行了同期的1979 - 1999年,44岁的44岁的39岁和43 45网站显示在所有四个季节增加趋势。这些结果表明,明显增加采集趋势发生在中国北方的大多数网站在所有四个季节从1979年到1999年,最大平均增加发生在夏天和冬天最低发生。45站,与此同时,在车站的数量减少的趋势在1979年- 2007年26日,15日,18日和19日在春天,夏天,秋天,冬天,分别为(数字8(b),8(e),8(h)和8(k))。在春天,中东的采集趋势中国相对显著的减少趋势,显示从−0.8−0.2毫米的十年⁻¹。在夏天,中国中部的减少趋势逆转,但疲软的减少趋势发生在中国的东部边缘。在秋天,一个类似的趋势分布格局与观察,在夏天在中国北部的大部分地区。冬天采集的空间分布趋势在1979年和2007年之间类似于夏季和秋季,有轻微的增加发生在新疆和辽宁和轻微的减少发生在内蒙古。相比之下,越来越趋势是明显的四个季节在中国北方在2008和2015之间。网站的数量有增加的趋势,从2008年到2015年是41岁,40岁,35岁,和42在春天,夏天,秋天,冬天,分别。总的来说,越来越趋势观察春天最多站北中国。的最大大小增加的趋势发生在中东和中国新疆省,约2毫米的十年⁻¹。在夏天,一个相对较大的增长趋势观察在中国北方的大多数网站,新疆,青海,但是大大减少的趋势发生在中东中国关于−2毫米十年的趋势⁻¹。在秋天,采集的空间分布趋势是类似于采集在春天的趋势。北方冬天,几乎所有网站显示一个相对轻微的增加的趋势与其他季节相比,但增加趋势的大小范围从0.2到2毫米的十年⁻¹在2008年和2015年之间。然而,上面的季节性趋势在2008 - 2015年还需要深入的分析证实了在未来由于中国无线电探空仪数据尺度。

4所示。结论

本研究揭示了年度的分布、季节和月度意味着采集,采集以及年际变化和趋势,在中国北方,基于三个采集的数据集,无线电探空仪观察和ECMWF和MERRA-2再分析数据,从1979年到2015年。采集的分布在华北显示明显的地理差异。这种空间格局的年平均采集整个北中国一般表现为两个高采集中心,位于中国东部(从20到28毫米)和塔里木盆地(约12毫米),和两个低采集中心,位于西藏和青海北部(从2到8毫米)和高纬度地区内蒙古地区(约8毫米)。受东亚季风的影响,夏季季节性的意思是采集的水平最高,其次是秋季和春季,冬季最低。基于每月平均采集,采集水平最高的华北发生在7月和8月,这是密切相关的增强东亚夏季风强度和增加蒸发产生的温度在此期间增加。采集水平最低的华北发生在12月,1月,2月。

平均的年际变化趋势的时间序列的年平均采集ERA-interim和MERRA-2再分析数据是高度一致的观察到的无线电探空仪采集系列在中国北部。最大的采集值发生在1998年和最低的采集值发生在2009年。增加趋势,年平均采集,趋势大小从0.1毫米到1.2毫米的十年⁻¹在中国北方,被发现在无线电探空仪,ERA-interim,和MERRA-2数据从1979年到1999年,使用最小二乘线性回归方法。1979 - 2007年期间,略下降趋势−0.4毫米的十年⁻¹观察到在中国北部的大部分地区。最近8年,2008 - 2015年,尽管所有采集数据集显示上升趋势在中国北方十年2.4毫米的最大价值⁻¹从无线电探空仪、数据一致性在未来必须检查。

基于数据来自37个无线电探空仪站,明显增加采集趋势被发现在大多数网站在中国北方四季从1979年到1999年,最大平均增加发生在夏天和冬天最低发生。稍微最多但不显著的减少趋势被发现站在北中国1979 - 2007年期间在所有四个季节。除了明显的增加趋势,采集1979 - 1999年期间,增加的趋势(在夏季最大)也发现在北中国从2008年到2015年期间;然而,这些趋势确认后需要解决无线电探空仪数据尺度在未来对中国北方地区。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作为中国国家重点研发项目资助(2016 yfa0601901),中国国家自然科学基金(41590874和41590874),项目国家特殊环境和功能的观察研究共享服务的基础设施,和年轻人才项目的黑龙江气象局(2015 yt002)。

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