夏季地表温度与陆地降水之间的年际耦合对气候变化过程的影响*外文翻译资料

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夏季地表温度与陆地降水之间的年际耦合对气候变化过程的影响*

ALEXIS BERG,^a,b BENJAMIN R. LINTNER,^aKIRSTEN FINDELL,^c SONIA I.

SENEVIRATNE,^d BART VAN DENHURK,^e AGNEgrave;S DUCHARNE,^f

FREacute;DEacute;RIQUE CHEacute;RUY,^g STEFAN HAGEMANN,^h DAVID M. LAWRENCE,ⁱ

SERGEY MALYSHEV^,j ARNDT MEIER,^k AND PIERRE GENTINE^l

a Rutgers, The State University of New Jersey, New Brunswick, New Jersey

c Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, New Jersey

d Eidgeneuro;ossische Technische Hochschule Zeuro;urich, Zeuro;urich, Switzerland

e Royal Netherlands Meteorological Institute, De Bilt, The Netherlands

f.UMR METIS, Universiteacute; Pierre et Marie Curie/Centre National de la Recherche

Scientifiques, Paris, France

g Laboratoire de Meacute;teacute;orologie Dynamique/Lrsquo;Institut Pierre-Simon Laplace, Universiteacute; Pierre et

Marie Curie, Paris, France

h.Max Planck Institute for Meteorology, Hamburg, Germany

i National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado

j Princeton University, Princeton, New Jersey

k Centre for Environmental and Climate Research, Lund University, Lund, Sweden

l Columbia University, New York, New York

(Manuscript received 30 April 2014, in final form 27 August 2014)

摘要：夏季平均气温和陆地区域降水之间的广泛负相关性是陆地气候的重要特征。这种表现通常会在土壤水分—大气耦合模式中解释到：土壤水分不足与地表感热加强和表面温度增高导致的降水减少有关。本研究使用来自全球陆地—大气耦合实验耦合模式比较计划（GLACECMIP5）第5阶段的模拟进行多模实验重新考察了温度和降水负相关性的主要原因。基于对1950-2100年期间限定（非互交式）和互交式土壤水分的五个气候模式的分析，结果表明：季节温度和降水之间的负相关性是由于土壤水分直接控制地表热通量分配而形成的，在5个模式中至少有2个模式中的土壤水分—大气相互作用被人为的去除时，表明大气过程存在广泛的负相关性，同时这种负相关性对研究地表过程和夏季温度与降水的负相关性有重要作用。在较长的时间尺度上，降水和温度之间的负相关性显示了气候变化对近地面气候的重要影响，在所有模拟中，温度-降水反相关区域在年际时间尺度上是最明显的，区域长期变暖在很大程度上受到降水对气候变化的调节，降水增加（降低）与最小（最大）变暖相关。这种对应主要是由于土壤水分-大气相互作用的结果。

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* Supplemental information related to this paper is available at the Journals Online website: http://dx.doi.org/10.1175/JCLI-D-14-00324.s1.

b Current affiliation: InternationalResearch Institute for Climate and　Society, Earth Institute at Columbia University, Palisades, New York.

1、前言

温度和降水可以说是地表气候的两个重要组成部分，同时对陆地生态系统和人类社会具有重要影响。因此，这两个因素和控制或调节这两个因素协变性的变化过程，对于研究陆地气候变化以及自然和人类系统的变化有很好的参考价值。值得探讨的一个问题是，对这种关系机理的理解能够在多个时间和空间尺度上解释气候模式模拟并提高预测技能。

在此之前，一定的时空尺度上对陆地表面温度和降水的反相关的研究有许多，Madden和Williams（1978）利用1897-1960年的站点数据证明,在北美洲的大部分地区夏季季节性平均气温和降水呈负相关，尤其是在大平原中部地区，这种相关性在其他季节大致相同。类似地，在欧洲发现这种相关性在冬季是正的，在夏季是负的。类似的结果已经报道：使用在1905-84期间北美的月数据（Zhao和Khalil 1993）和在欧洲的区域研究（Tout 1987； Rebetez 1996）以及在南美洲的研究（Rusticucci和Penalba 2000）。最近，Trenberth和Shea（2005）采用再分析数据和全球降水观测在全球范围内扩展这些结果：在夏季月温度和降水异常之间的海洋年际相关性趋于正，反映了海洋表面温度的降水强迫， 在夏季两个半球的陆面上发现了广泛的负相关性（从热带到高纬度）。Adler等人（2008）和Wu 等人（2013）利用不同的全球观测数据库证明了可比的结果。虽然上述研究表明不同季节的陆地温度—降水协变性有不同的行为，Deacute;ry和Wood（2005）也报告了在二十世纪观测的年平均气温和陆地降水之间的显着反相关。此外，Madden和Williams（1978）和Deacute;ry和Wood（2005）指出，这种关系跨越的时间范围是从月时间度到十年的时间尺度。因此，它们可能调节与气候变化或全球变暖相关的趋势。例如，Portmann等人（2009）表明，近几十年来降水的正趋势可能会在美国东南部导致“暖洞”。
图1显示了各种观测数据库包括上述研究中使用的那些数据库（Trenberth和Shea 2005; Adler 等。2008; Wu 等。2013）中的夏季陆地温度—降水相关性。所有数据库都进行线性去趋势，以消除潜在趋势对相关性的影响，并关注年际变率。 广泛的显着负相关性在陆地上占主导地位。一般模拟在数据库之间是稳健的：最强的负相关区域包括萨赫勒，南部非洲，澳大利亚，印度，以及北美，南美和欧亚大陆的部分地区，较短的记录（30年）相对于较长的记录（110年）相关性较小。对于较短的时间段，尽管存在一般模拟的一致性，但是在这些负相关的总程度（从陆地面积的32.2％到49.7％）的数据库之间存在不确定性。在相关性不为负的情况下，它们通常不显着：这种情况主要发生在沙漠，高纬度地区的一些地区和深热带地区。沿赤道，特别是在热带非洲，在较长的记录中可以发现小区域的正相关，然而，

图1使用不同的数据库的夏季平均T对P的逐点零滞后相关：气候研究单位（CRU）时间序列（TS）数据库，版本3.21；特拉华大学（UoD）月温度和降水数据库版本3.01；国家航空和航天局（NASA）戈达尔空间研究所（GISS）温度分析（GISTEMP）；欧洲中期天气预报中心（ECMWF）中期再分析（ERAI）； 全球降水气候学项目（GPCP）月降水数据库，版本2.2；和气候预测中心（CPC）合并降水分析（CMAP），版本1201.（上）CRU和UoD数据库使用原始分辨率（0.5*0.5）的完整记录长度。其他所有区域使用在一个共同的2.5*2.5网格（1979 - 2008年）上补充的数据。 颜色标度上的增量对应10％，5％，1％和0.1％的相关性（对于不同的记录长度）水平，并且不显着的相关性（10％）被白化。 南极洲和格陵兰岛从所有数据库中删除。 每个图底部的数字：中间数字：陆地百分比具有显着（5％）T-P相关性（蓝色表示负相关，红色表示正相关），右边的字段是通过蒙特卡罗程序估计到的阈值，其中T和P的年度图被随机地减少1000倍，使用的阈值是具有显着（5％）相关性对应1000个成员分布的面积百分比的95％，（例如Livezey和Chen 1983）。 虚线赤道线分离用于北半球的JJA和南半球的DJF。

这些模拟在数据库上显得不太稳定，虽然在所有数据库中作为整体的温度—降水相关性实现了区域显着性（例如 Livezey和Chen 1983），但是如果单独考虑，正相关性不是区域显着的（注意，在这种情况下，字段有效性的阈值稍微大于图1所示的值的一半）。注意，虽然热带纬度的温度变化性较低，但降水变率的绝对值往往较高（与高纬度地区相反，例如Trenberth和Shea2005）：利用跨越纬度的降水和温度，从而相互平衡其变化对相关性计算的影响。

图2.简化的两条路径的表示，通过这些路径，夏季可能发生季节性平均气温和降水之间的相关性：红色代表大气过程，蓝色代表土地 - 大气相互作用。 注意，为了清楚起见，这里并不描述所有的物理关系（例如，温度对土壤水分的影响和对云覆盖物的表面通量的反馈未示出）。

如图2所示，在陆地上的夏季往往是暖和干或冷和湿，但通常不是暖和湿或冷和干，这可以对几个备选过程做出优先于经验的解释。第一，夏季温度和降水之间的协变性在晴空条件下可能与减少云覆盖雨和增加地表短波辐射相对应，相反，在雨天条件下与增加云量和降低表面加热相对应。第二，局地陆—气相互作用，可能在夏季发挥更强的作用（Entekhabi等人1992; Koster等人2004; Seneviratne等人2010），它可以通过降水对土壤水分和伴随的地表热通量的影响在季节尺度上诱发这种关系。例如，降雨量的减少与土壤湿度和潜热通量的降 低有关，从而增加地表的感热会导致近地面温度的升高（相反，较高的降水量与较低的温度相关），这种途径与土壤水分—大气相互作用的“陆地分支”相对应，（Guo 等人）2006；Dirmeyer2011）。改进的地表热通量分配对云层/辐射（例如，Gentine等人2013）和大规模循环（例如，Haarsma等人2009）的正反馈可以进一步扩大降水变化对温度的影响。

土壤水分异常对随后温度的影响在许多机械模式研究中显著提出，这些研究将土壤水分的可变性作为夏季日间表面温度变异性的来源，特别是在潮湿和干燥气候之间的过渡期（Koster等人2006；Seneviratne等人2006; Koster等人2010）。基于观测的土壤水—温耦合模拟预测的结果与这些模拟相一致（Miralles 等人2012），极温条件对土壤水分—大气相互作用起到放大作用，这与最近对欧洲热浪观测和研究的结果相同。（Vautard 等人.2007；Hirschi 等人.2011；Quesada 等人2012）（Fischer等人2007； Zampieri等人2009）。观察提供了对先前土壤水分缺乏的支持，增强了随后在全球不同地区的夏季炎热条件的可能性（Durre等人2000; Shinoda和Yamaguchi 2003; Mueller和Seneviratne 2012）。

这些研究表明陆—气耦合过程是夏季陆地温度和降水区域广泛的反相关的主要原因（Trenberth和Shea 2005; Koster等人2009b）。如图1所示，局地地表过程是否仅仅和夏季平均温度和降水之间大尺度的年际协变性有关（也参见Trenberth和Shea 2005；Adler等人2008；Wu等人2013）仍有待确定。Koster等人（2009b）通过使用单一气候模式分析夏季平均温度和降水

之间的关系表明，当模拟陆—气相互作用被规定的地表波动破坏时，这些温度—降水反相关基本消失；他们因此认为土地大气过程是主要驱动力。Krakauer等人（2010）也指出当通过一定的条件抑制土壤水分—大气耦合时，在另一模式中温度和降水耦合程度也会减弱，但是他们没有详细研究这种特征。

本研究的目的是更广泛地探索多个模式中的平均温度和降水之间的相关性，以解释图2所示的不同过程的贡献。为此，我们利用了最近耦合模式比较项目（CMIP5）全球陆地—大气耦合实验（GLACE-CMIP5; Seneviratne等人2013）第5阶段的模拟，其中，在对1950-2100的模拟实验之后使用一套当代模式，从而使陆地—大气相互作用失效。具体章节：我们在第2节中描述分析的模式和场。第3节介绍GLACE-CMIP5模拟中温度—降水的相关性。第4节研究了这些相关性对陆面和大气的控制，第5节描述了这些相关性对气候变化预测的潜在意义。我们在第6节讨论研究的主要结果和影响。

2、资料和方法

在整个GLACE-CMIP5实验中，对五个模式中心进行了短暂的陆—气过程模拟（以下称为“expA”），在完全耦合的CMIP5模拟中，在1971-2000年对应历史表明各自模式中的气候值超越了总土壤水

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