全球变暖将会带来多少雨？外文翻译资料

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全球变暖将会带来多少雨？

除了使地球表面和对流层低层升温外，温室气体（GNG）浓度的增加可能会改变地球的水文循环（1-3）。如果降雨的强度和空间分布变化很大，它们可能成为与气候变化相关的最严重风险之一。水文循环对全球变暖的反应在很大程度上取决于增强的温室气体改变对流层辐射平衡的方式。随着温室气体排放量的增加，气候模型预测了增强的辐射冷却将通过降水潜热的增加来平衡（1，2）。通过耦合模型对比分析（4）和类似的模拟分析（1-3）预测了相对较小的降水增加（同样在蒸发中）以约1-3％的表面变暖K^-1的速率增加。相比之下，气候模型和观测结果都表明大气中的总的水蒸气增加了约7％K^-1（1-3,5,6）。

大气中99％以上的水以水蒸气的形式存在。正如在对流层低层的相对湿度保持恒定的条件下克劳修斯 - 克拉珀龙（C-C）关系所表示的那样，大量增加的水是由于较暖的空气能够容纳更多的水蒸气所造成的。因此，根据目前的全球耦合海洋大气模型（GCMs），降水量的增加速度将比总水量慢几倍。 这种明显的不一致性在模型中通过减少蒸汽质量通量来解决，特别是对于Walker循环，这就增强了信风（3,7）。 全球信风的减少是否是全球变暖的必然结果，这是一个尚待解决的复杂问题（8）。

利用特殊传感器微波成像仪（SSM / I）的卫星观测结果，我们评估了GCM对于降水和蒸发在全球变暖后缓和响应的预测。 SSM / I非常适合研究全球水文循环，因为它能够同时测量降水（P），总水汽（V）以及表面风应力（t0），这是计算蒸发（E）中的主要考虑因素（8,9）。

SSM / I数据集从1987年延伸到2006年。在此期间，根据全球历史气候学网络（10,11），地球表面温度每十年就升高0.19plusmn;0.04K。对流层低层的卫星测量显示类似的变暖为每十年升高0.20plusmn;0.10 K（12）。 误差区间属于95％置信水平。 这种变暖与20世纪的气候模式运行（13）一致，它提供了一个合理的，尽管很简短的试验过程，用于评估全球变暖对水文循环的影响。

当以月尺度来计算全球平均时，除了可忽略的小存储期限外，P和E必须平衡。这个E = P条件提供了一种有用的一致性检查方法，用于评估我们的结果。 但是，这种约束条件仅对全球平均值有效。 因此，我们分析的第一步是在1987年至2006年期间以2.5°空间分辨率构建P和E的全球月尺度地图。

此处所使用的SSM / I检索仅适用于海洋。为了补充SSM / I海洋雨水回收，我们使用了全球降水气候学数据集中的土地值，该数据集是卫星检索结果和雨量计测量值的综合结果（14,15）。陆地上的卫星雨水回收不如海洋上的，但这一缺点反而成为了优势，因为陆地上有大量雨量计限制将卫星检索。同样，全球蒸发量也是针对海洋和陆地单独计算的。由于世界上86％的蒸发来自海洋（16），因此海洋蒸发是我们的主要关注点。我们利用美国国家大气研究中心大气模型3.0（8,17）中的大量公式计算了海洋上的蒸发量。陆地上的蒸发不能从卫星观测中得出，我们对所有的大陆使用527毫米/年的恒定值，不包括南极洲（16）。对于南极洲和海冰，我们使用的值为28毫米/年。

GCM表明，E应该增加约1至3％K^-1的地表变暖。然而，根据本体公式（方程式S1）（8），假设其他项保持不变，蒸发随着表面温度的升高而与C-C关系类似地增加。 例如，表面气温全球增加1 K会使E（8）增加5.7％。 为了获得1至3％K^-1的静音响应，公式中的其他变量需要随时间变化。预计海气温差和近地表相对湿度几乎保持恒定（8），这使得t0成为可以将蒸发减少到平衡模型中辐射预算所需的能量的一个变量。 为了使公式满足辐射冷却条件，需要降低约4％的K^-1。因此，降水对全球变暖的缓和响应需要全球风的减少（2,3,7）。为了评估GCM对风的减少的预测，我们研究了19年的SSM / I风回收。这些风是以等效的中性稳定风速（W）ta 10 m高度表示的，其与t 0成比例。图1显示了W的年代际趋势图。对于每个2.5°网格单元，在消除季节变化后，计算了19年时间序列的线性拟合。还展示了来自国际综合海洋 - 大气数据集（ICOADS）的风趋势，但仅用于比较,并没有用在我们的分析中。虽然ICOADS趋势图由于采样和测量缺陷而非常杂乱，但它显示出类似于北大西洋和太平洋SSM / I的趋势，其中ICOADS船舶观测更为丰富。北大西洋涛动（NAO）在两个趋势图中作为三极特征均较为明显，在30°N和40°N之间风速增加，北风和南风减少（18）。这个特征与自1987年以来观测到的NAO指数的下降一致。当计算30°S到30°N的热带平均值时，风速每十年增加了0.04/毫秒（0.6％），并且超过了所有的海洋，其每十年增加0.08（1.0％）。SSM / I风回收通过与系泊海洋浮标和卫星散射仪风回收的比较进行了验证（图S1）。在此分析的基础上，SSM / I风趋势将估计为每十年plusmn;0.05 /毫秒在误差区间为95％置信水平（plusmn;8）上。

观测到的SSM / I风的增加值与GCM结果相反，GCM结果预测1987年至2006年的变暖应该伴随着风的减少（每十年0.19 K）（4 ％K^-1）=每十年0.8％。然后我们研究了过去二十年全球降水和蒸发的变化。图2A显示了P和E的时间序列。还显示了V的海洋SSM / I重新生成。为了生成时间序列，首先去除海洋变率，然后变量为低通通过卷积滤波，高斯分布在半峰值功率下具有plusmn;4个月的宽度。时间序列中显而易见的主要特征是1997-1998厄尔尼诺现象和1986-1987厄尔尼诺现象，其次是强大的1988-1989拉尼娜现象。值得注意的是，E，P和V都表现出相似的年际变率和年代际变化趋势（表1）。应用plusmn;4个月平滑后，E与P的相关系数为0.68。因为全球降水和蒸发必须平衡，观察到的P和E导出值的差异提供了我们用来估计十年趋势不确定性的误差估计。 E和P的95％置信水平的估计误差率为每十年plusmn;0.5％（8）。

SSM / I风趋势图

ICOADS风趋势图

图1. 1987年7月至2006年8月期间的地面风趋势，空间分辨率为2.5°。（A）SSM / I windtrends。（B）ICOADS风趋势。在北太平洋和北大西洋，ICOADS船舶观测更加丰富，这两个数据集显示出类似的趋势。北大西洋的三极特征与近期NAO指数的下降一致。

然后，我们研究了过去二十年间全球降水和蒸发的变化。图2A显示了P和E的时间序列。还显示了V的海洋SSM / I重新生成。为了生成时间序列，首先去除海洋变率，然后变量为低通通过卷积滤波，高斯分布在半峰值功率下具有plusmn;4个月的宽度。时间序列中显而易见的主要特征是1997-1998厄尔尼诺现象和1986-1987厄尔尼诺现象，其次是强大的1988-1989拉尼娜现象。值得注意的是，E，P和V都表现出相似的年际变率和年代际变化趋势（表1）。应用plusmn;4个月平滑后，E与P的相关系数为0.68。因为全球降水和蒸发必须平衡，观察到的P和E导出值的差异提供了我们用来估计十年趋势不确定性的误差估计。 E和P的95％置信水平的估计误差率为每十年plusmn;0.5％（8）。

图2A中还显示了九个气候模拟模拟的集合平均值，其平滑方式与卫星观测值相同。这些气候变化来自大气层模型比对设计II（AMIP-II）（19,20），其中海面温度（SST）是根据观测规定的。气候模型的降水时间序列与卫星观测的降水时间序列之间存在显著的差异。 与观测结果相比，气候模型结果中年际变率的幅度，对厄尔尼诺现象的反应以及年代际趋势均小2至3倍。 根据早先报道的厄尔尼诺 - 南方涛动事件的降水变化幅度低估模型的这一特征（21），表明气候模型也低估了年代际变率。

图2.水文变量的异常时间序列。（A）观测到的总水汽的降水和蒸发以及海洋结果的全球结果。还显示了通过AMIP模拟预测的平均模型降水。（B）热带海洋蒸发，总水汽，地面风速和海温的结果。 SST时间序列按比例缩放了9.1％K-1。在厄尔尼诺现象期间，蒸发和风与蒸气和SST不同相。 1996年底，SST和蒸汽开始增加，而风开始减少，对蒸发没有净影响。大约8个月后（1997年中），热带地区的风开始恢复，然后急剧增加，在1998年底达到最大值。此后，所有四个变量都保持在较高的值。（C）Sameas（B），除了水蒸气和SST曲线在时间上向前移动了6个月，并且风曲线向后移动了2个月。表1给出了全球时间序列的统计数据，包括误差线。

当仅分析热带海洋（30°S至30°N）时，卫星衍生时间序列的相似性变得更加明显，其中大部分发生蒸发。 尽管条件E = P对于该区域分析不再有效，但蒸发与其他变量的耦合更为明显。 图2B显示了E，V，SST和W的热带时间序列。变量V和SST表现出高相关性[相关系数（r）= 0.96]，它们的比例关系为9.1％K^-1等于 CC率（6.5％K^-1）乘以湿润绝热失效率（MALR）因子1.4（5）。 MALR因子是对流层温度的下降值与SST变化的比值。V和SST之间的这种强耦合是又可证明大气中的总水量随着C-C温度的升高而增加。

在两个厄尔尼诺现象期间，蒸发和风速与蒸汽和SST不同相。蒸发量的增加使蒸汽的增加滞后6个月，使风的增加滞后8个月（图2B）。 当使用6个月的滞后时，E和V之间的相关性在热带地区为0.84，在全球范围内为0.88。

图3显示了P-E的趋势图。最明显的地区是热带西太平洋暖池，其中D（P - E）约为每十年400 mm，D代表变化。 这是一个最大P - E区域（每年为1500至2000毫米）。 简单的水文模型预测D（P - E）应与P - E（3）相似。 也就是说，潮湿的地区应该变得更湿润，干燥的地区应该变的更干。 这似乎是暖池的情况，但在其他地方，这种直接的比例并不明显。

在过去的二十年中，水文参数E，P和V对两个厄尔尼诺现象表现出相似的反应（除了6个月的滞后），类似的年际变化幅度（1.0到1.3％）和类似的十年趋势 （每十年-1.2％至1.4％）。 在此期间，地球表面每十年变暖了0.2 K，因此观察到的E和P变化表明水文循环加速度约为6％K^-1，接近C-C值。 另外，海风在每十年期间略增长1.0％。 在观察中没有证据表明对流层中的辐射强迫抑制了E，P和W的变化。相反，E和P似乎只是与总大气含水量变化一致。

观测的数据与GCM之间存在差异的原因尚不清楚。一种可能的解释是，由于二十年的时间段太短，使得我们看到内部气候变化掩盖了辐射强迫的限制效应。然而，我们认为尽管二十年可能太短或推断的趋势不明显，但确实可能足够长，以表明观察到的比例关系将在更长的时间范围内继续。另一个可能的解释是卫星检索中存在错误，但独立检索和风与其他数据集的验证之间的一致性证明其他情况。最后，气候模型有可能在表征对流层和地球表面的辐射平衡方面存在补偿误差。例如，在地表建模云辐射强迫的变化可能对降水反应产生相对较大的影响（4），而温度反应更多地受到云如何影响对流层顶部辐射的影响。

在全球变暖的情况下，降雨量减少和C-C增加之间的差异对其产生了巨大影响。 随着二氧化碳增加，大气中的总水量会增加15％，但是预先沉淀是否只会增加4％（1），变暖真的会带来全球风的减少吗？ 这里观察研究的结果不然，但显然这些问题远未解决。

图3. 1987年7月至2006年8月期间卫星衍生的P - E的趋势。最大的变化是在西太平洋的暖池中：潮湿的地区变得更湿润。

表1. 1987年7月至2006年8月期间全球蒸发量，全球降水量和海洋水汽变化的统计数据。趋势误差线的置信度为95％。括号中的值是百分比变化，而不是绝对变化。

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1.计算海洋上的蒸发量

我们使用NCAR Community Atmospheric Model 3.0（S1）中的散装公式计算海洋上的蒸发量。 蒸发速率与地球表面特定湿度的垂直梯度成正比，可用大量空气动力学方法表示：

其中kappa;是冯卡曼的常数，rho;是表面空气密度，tau;是表面风应力，q0和qz是地表面和高度z的特定湿度。术语z0和psi;是潜热通量的粗糙长度和轮廓。与现场风测量相反，使用卫星风回收的一个优点是卫星回收可以用表面应力的直接测得。给定tau;，体积公式可简化，不需要动量阻力系数。特定湿度q0和qz是海面温度（SST），在高度z处的空气温度和高度z处的相对湿度（RH）的函数。这三个术语来自辅助数据集。

对于SST，我们使用Reynolds的最佳插值积（OISST），该积分源自卫星红外SST检索，校准到原位SST观测（S2）。海洋气温（MAT）数据集来自哈德利中心（S3）。 MAT是质量控制的船舶和浮标气温测量的全球数据集，平均每月5°网格。在SSM / I期间，这些空气温度测量的参考高度为z = 15 m。仅使用夜间测量来避免由于船甲板的太阳能加热而产生的偏差。

我们发现从1987年到2006年，相对于SST，MATs每十年降温0.06 K。 MAT数据集中的这种相对降温趋势已在别处注明（S4），并用于支持卫星微波探测单元（MSU）的早期结果。 MSU观测的早期结果表明热带低层对流层（TLT）不像地表那样变暖。然而，后来发现了应用于MSU的方法中的错误（S5），并且新结果表明TLT实际上比大多数气候模型所预测的要变暖更快。

鉴于这些新的MSU结果，很难解释MAT中的相对冷却趋势。此外，如果冷却趋势是真实的，静态稳定性的相应降低将使E每十年增加0.6％，达到接近每十年2％的值。我们认为蒸发量的这种大幅增加并不合理。它与降水结果不一致，与气候模型预测不符（S6）。因此，假设MAT中的相对冷却是假的伪影，并未将其纳入我们的分析中。相反，我们平均差异Delta;

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