北半球中高纬度冷季气温和降水变化的归因分析

摘要

气温和降水是气候系统中最基本的两个变量，在气候变化中扮演着十分重要的角色，其变化不仅影响着气候和生态系统，更与人类的生产生活息息相关。气温的变化在过去百年时间尺度上以增温为主要特征，但增温在空间上是十分不均匀的，北半球中高纬度干旱半干旱区的冷季地表气温增加最为显著。在年代际时间尺度上，气温存在明显的振荡特征，以21世纪初期的增温减缓为典型代表。在全球变暖的背景下，降水发生了明显改变，且在过去百年尺度上呈现出很强的区域性特征。气候变化不仅受人类活动的影响，来自气候系统内部的大气环流也是影响气候变化的重要因素，尤其是在区域尺度上。由于受内部变率的影响，在观测资料中评估和量化人类活动对气候变化的影响具有一定的挑战。　　本文利用动力调整方法，以海平面气压作为大气环流的指标，对冷季气温和降水数据进行动力调整分析，从观测资料中分离出了内部大气环流导致的气温（降水）变化，剩余气温（降水）的变化则来自于以人类活动为主导的热力作用，可用于估计人类活动对气候变化的影响。基于该方法，本文首先探讨了大气环流的动力作用和以人类活动为主导的热力作用分别对北半球中高纬度干旱半干旱区冷季强化增温的贡献。其次，针对近年来引起广泛关注的冷季增温减缓现象，本文结合模式和观测资料分别分析了赤道太平洋海温异常、外部辐射强迫和大气内部变率导致的大气环流异常分别对增温减缓的贡献，特别是揭示了增温减缓期间冷季气温在不同区域出现降温的原因。最后，本文对过去百年时间尺度上的冷季降水变化进行了动力调整分析，估计了人类活动和大气环流分别对北半球中高纬度冷季降水变化的贡献。主要的研究内容和结论归纳如下：　　（1）在过去的百年时间尺度上，大气环流的动力作用导致的冷季气温变化主要表现为年际变率和年代际振荡，而以人类活动为主要影响因素的热力气温则主导了地表气温的显著变暖趋势。就气温变化趋势的空间分布而言，大气环流导致的气温变化表现为区域性的增温或者降温趋势，但变化趋势的大小在空间上较为均匀，而热力气温在北半球中高纬度整体表现为较强的增温趋势，且增温幅度在空间上分布十分不均匀。将北半球中高纬度划分成不同的气候区，发现热力气温在干旱半干旱区的变暖趋势显著高于湿润区，动力气温的变化趋势则在不同气候区之间的差异很小，且动力气温的变化幅度远小于热力气温的变暖幅度。热力气温在干旱半干旱区的增温对北半球中高纬度整体的变暖贡献达到约65%，远大于动力气温的贡献。因此，北半球中高纬度干旱半干旱区的冷季强化增温是由于热力气温在干旱半干旱区显著变暖主导的，表明了人类活动对干旱半干旱区强化增温的重要作用。　　（2）21世纪初期出现的冷季增温减缓在空间分布上存在3个显著的降温中心，最强的降温中心位于欧亚大陆，局地降温幅度达到-6℃/12年，另外两个稍弱的降温中心位于北美大陆和赤道太平洋。利用CESM1全耦合气候模式在赤道太平洋区域对海表气温进行特别试验的数据，探讨了外部辐射强迫、赤道太平洋内部变率和大气内部变率对区域性降温的影响。结果表明，欧亚大陆和北美大陆一部分的降温归因于赤道太平洋的海温异常变冷，而大部分的欧亚大陆和北美大陆的降温则是由于大气内部变率在欧亚大陆和北美大陆以及北太平洋区域导致了较强的反气旋式大气环流异常，使得冷空气被输送到欧亚大陆和北美大陆。此外，虽然外部辐射强迫使得大部分区域增温，但是在欧亚大陆中部辐射强迫引起了较弱的降温趋势，对欧亚大陆形成的强降温中心有较小的贡献。对于全球平均的冷季气温变化趋势而言，外部辐射强迫导致全球平均气温增加，赤道太平洋海温异常变冷和由大气内部变率导致的大气环流异常共同导致了全球平均的冷季增温减缓，且两者对全球平均增温减缓的贡献相当。　　（3）北半球中高纬度的冷季降水在过去百年尺度上的变化趋势呈现出显著的区域性差异。欧洲北部的降水量显著增加，通过对降水进行动力调整分析，发现由于大气环流在欧亚大陆北部有较强的气旋式环流异常，导致了约40%的降水量的增加，而以人类活动为主导因素的热力作用贡献了约60%的增加量。地中海周围的陆地区域降水量显著减小，其主要归因于北大西洋中部和地中海区域存在的反气旋环流异常。降水在北美东部地区的变化不明显，是由于该区域的反气旋环流导致动力降水显著减少，而由人类活动为主导致的热力降水显著增加，两者相抵消所致。通过对比观测的热力降水变化趋势与CMIP5和CESM1多模式集合平均模拟的降水变化趋势，发现动力调整拉近了观测的降水变化与模式模拟的结果。观测的热力降水变化趋势的空间分布和变化幅度均与CMIP5和CESM1多模式集合平均的结果有很好的一致性，这进一步证实了动力调整方法在估计人类活动对降水变化影响中的有效性。

目录

声明

第一章 引 言

1.1 研究背景与意义

1.2 北半球干旱半干旱区气温变化研究进展

1.3 增温减缓的研究进展

1.4 在降水变化中检测人类活动影响的研究进展

1.5 本论文的主要研究内容及章节安排

1.6 本论文的创新点

参考文献

第二章 数据和方法

2.1 观测数据介绍

2.2 模式数据介绍

（1）CMIP5模拟数据介绍

（2）CESM1模拟数据介绍

2.3 基于偏最小二乘回归的动力调整方法

2.4 基于构建相似环流型的动力调整方法

2.5 集合经验模态分解方法

2.6 其他分析方法

参考文献

第三章 北半球干旱半干旱区冷季强化增温的归因分析

3.1 引言

3.2 数据和方法

3.2.1 数据介绍

3.2.2 方法介绍

3.3 北半球中高纬度动力和热力气温的时空分布特征

3.4 北半球干旱半干旱区强化增温及其归因分析

3.5 北美、欧洲和亚洲干旱半干旱区增温的对比分析

3.6 CMIP5模式对干旱半干旱区强化增温的模拟

3.7 本章小结

参考文献

第四章 冷季增温减缓的归因分析

4.1 引言

4.2 资料与方法

4.2.1 模式资料

4.2.2 观测和再分析资料

4.2.3 方法

4.3 观测的冷季增温减缓的空间分布特征

4.4 模式的赤道太平洋海温异常特别试验对冷季增温减缓的模拟

4.5 冷季增温减缓的归因分析

4.6本章小结

参考文献

第五章 北半球中高纬度冷季降水的归因分析

5.1 引言

5.2 资料和方法

5.2.1 观测资料

5.2.2 气候模式资料

5.2.3 数据质量控制方法

5.2.4 集合经验模态分解方法

5.2.5 基于相似环流型的动力调整方法

5.2.6其他分析方法

5.3 降水变化趋势的动力调整归因分析

5.4 动力调整对原降水年际变率的解释方差

5.5 动力调整方法的讨论

（1）结果对使用数据的敏感性

（2）结果对使用EEMD 非线性趋势的敏感性

（3）提高动力解释方差的试验

5.6 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 主要研究内容与结果

6.2 不足与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢