气候变暖环境下改变的水文反馈引发“暖洞”现象外文翻译资料

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气候变暖环境下改变的水文反馈引发“暖洞”现象

在20世纪最后的25年里，主要的大陆区域经历了夏季变暖的趋势，但在美国中部地区，气温却下降了0.2-0.8K。相反，大部分利用GCMs的气候预测表明，整个内陆地区，包括北美，均呈变暖趋势。我们利用区域气候模型检验了这个异常现象，发现在当前温室气体浓度加强的情况下，大气环流和降水表征尺度过小，以至于无法用当前的GCMs很好地检验。结果表明，美国中部地区的变暖最小值（“暖洞”）与低空环流相关，这种低空环流导致季节性土壤水分蒸发量增加，从而使得夏末的土壤水分蒸发损失量加剧，抑制了日最高气温。这种区域尺度的反馈过程可能部分解释了在20世纪后期观测到的美国中部气温变化趋势，并且可能降低该地区的温室效应。
索引词汇：略
引用：略

1.引言
气候系统中的强迫作用会引发新的或者不同的反馈过程。我们已经发现美国中部区域的水文循环存在此类反馈的证据，它使得在温室气体气候加剧的情况下，形成了大陆尺度变暖的区域最低值。这种特定反馈机制的影响被加强，是由于在水文循环中缓慢变化的一个成分（土壤湿度）的改变，这个变化使得一年当中夏季降水增强效应延续到后几个月。我们利用区域气候模式（GCMs）研究这个过程，降低当前与用全球气候模型预测的未来气候变化的差异，来预测美国大陆更为精确的气候变化模式。先前的工作表明，该气候模型为该区域的大气水文的联系提供了一个合理的解释。
在这个预测的气候模型中，最显著的特征是夏季（6-8月）美国中部存在变暖的最小值区（在下文中称“暖洞”）。暖洞中心的夏季日最高地气温（dTmax）的增长小于0.5K，显著小于美国大陆平均3K的增长幅度。暖洞区域的中心区域地表气温甚至出现变冷0.5K，而不是变暖的强暖洞现象。暖洞从6月开始，在9月达到最强，之后在10-11月逐渐减弱。本文的目的是分析这种温室效应减弱的背后成因，并揭示暖洞与已观测到的气候趋势的联系。

2.方法
利用HadCM2模拟当前气候和未来气候为使用RCM RegCM2的模拟提供了包含海表温度的边界条件。HadCM2为美国国家气候变化评估的两个模型之一，RegCM2模型则广泛运用于区域气候。HadCM2的空间分辨率为2.5度（纬向）x3.75度（经向），纵向分19层。RegCM2使用101x75的格点，中心位于北纬37.5度，西经100度，水平格点横跨52km。模拟结果覆盖了美国大陆以及临近的加拿大，墨西哥和邻海区域。横向边界条件由HadCM2产生，并运用到RegCM2的15格宽的强迫框架。这个研究中的模型在垂直方向使用了14层，thegema=0.995，0.980，0.950，0.895，0.815，0.720，0.615，0.510，0.405，0.300，0.210，0.135，0.070，0.020。模型顶层位于100hPa。HadCM2的模拟情况假定了1990年后温室气体浓度的年增长率为1%。

RegCM2融合了表面模型BATS（版本1e）、Arakawa-Schubert对流的简化版Grell、简单的暖云物理原理及显湿方案，用来模拟该研究区域的降水。RegCM2中的BATS地表方案将土地使用类别分为18类，土壤使用类别分为12类，其中三个类别重叠：顶层（0.1m）、根层（依土地使用类别发生变化）以及深层（10m）。

HadCM2控制气候所使用的10年窗口与1990年代一致，预测的窗口期为2040-2049年。尽管结果只是展示了变暖的季节，但是每10年模型数据都在持续整合。本报告中定义的“气候变化仅仅指这两个十年间的变化。

1. 结果

暖洞的演变和寿命与大气-地表气候系统中的一个显著的中尺度反馈链有关。这种反馈链集中在夜间的南风低空急流（LLJ），一个调整美国中部区域水汽流动以及夏季降水的中尺度动力学特征。LLJ的形成与大尺度地形（岩石山到密西西比河之间的山坡）、白天地表加热的变化以及天气尺度动力学相联系。在LLJ北界的辐合有利于条件性不稳定能量的释放以及组织对流形成一致的中尺度对流系统。美国中部地区的夏季降水存在一个夜间最大值，这是一个反应了LLJ和MCS带来的影响的特征。MCS带来的降水大致占美国中部地区暖季降水的一半，因此MCS对于维持土壤蓄水蒸散发作用至关重要。降水量的改变所影响的水分储蓄会改变土壤水分反馈下的大气过程从而影响气候。

我们对于当今气候的模拟表明高频率的LLJ（位于Texas到中部偏北的美国地区）辐合观测的事实。预测的气候中，LLJ的出现频次由暖洞的地区向南部增加，向北部减少。美国南部LLJ出现频率的增加是部分由于预测气候中Texas的干燥土壤导致，它加强了有利于LLJ的边界层过程。同样的，在预测气候中，在墨西哥的Gulf地区（美国中部地区夏季主要大气水分来源）模拟的沉淀降水增长了约20%，反应出该地区海表面温度比当今气候暖2K。这个特征提高了美国中部地区低层水汽辐合，进而有利于云和MCS的发展。在LLJ频率的坡度上的增加的底层符合产生了更多的降水，尤其是5-7月，并增加了深层土壤水分。暖洞的夏季平均降水量增加了约1mm/d。暖洞区域上增加的云量也减少了日平均太阳辐照度约8W/m^2，因此减少了直接的表面增暖（它同样重要），抑制了5-6月的蒸散发量的增长（而不是增加土壤水分）。这样的结果是当降水量和蒸散发量都比预测气候大时，在这个区域里降水量的增加比蒸散发量的增加更多，所以土壤水分增加。最终潜热通量减少导致抑制了大气变暖并形成了暖洞。增长的蒸发冷却效应帮助暖洞维持过10月。

我们的结果与观测到的美国中部地区十年时间尺度温度、湿度趋势一致。20世纪观测到的全球变暖可以分成两个不同的变暖时期（1910-1945和1976-2000），它们之间被一个变化小的时期分隔。在最近的变暖时期内（1976-2000），美国中部地区经历了0.2-0.8K的夏季气温下降，其中一个主要区域出现了变冷。观测到的冷中心对于预测的暖洞有所偏西北侧。观测到的变冷现象可能部分归咎于在当地的规模灌溉；然而，灌溉率在1980年代早期达到了顶端，当时美国中部地区的灌溉区域达到了约6000平方公里，比观测到的暖洞大小小得多。我们基于区域模拟对暖洞的解释也大体上与其他分析一致，这些分析论证了观测到的美国中部变冷现象与该地区的长期降水量增长的一致性。因此，美国中部地区暖洞与降水量增长的联系已经逐渐被揭露，模式预测也具有了可信性。尽管我们主要关注区域的情况，遥强迫比如热带海洋表面温度，可能也对美国中部偏东地区在20世纪后半叶的变冷起到了作用。

因为LLJ出现频率正在变化，因此水分辐合是引起暖洞的关键。一种可能是：LLJ出现的变化是由于气候中大尺度环流系统的转换。先前的研究表明大尺度强迫（与白天边界层过程相联系）经常在LLJ的形成中发挥了作用，所以高层气流的改变会影响LLJ的频率和强度。我们诊断了1979-1998年，观测到的850hPa风的变化趋势（这个高度与西部大平原LLJ的平均高度接近），发现空间结构和变化趋势与我们对于未来设想气候的预测相似（美国中南部地区南风增强，中北部地区南风减弱），意味着美国中部地区的辐合运动加强。我们也发现设想气候的夏季平均500hPa位势高度和海平面气压场在苏比利湖到Texas狭长地段呈现出槽的加强现象；气候研究表明这种要素趋势对LLJ的频率增加和增强以及循环往复会使得降水量增加。

1. 结论

我们对运用全球气候模式和具有更好分辨率的区域气候模式对观测到的美国中部地区温度趋势的差异进行了研究。我们发现，美国中部地区的暖洞现象与大气环流（美国大平原的LLJ）、土壤湿度以及表面热力平衡有关。在一个温室气体增强情景的模拟中，5-7月美国中南部LLJ的出现频率高于中北部。相比于周围区域，气候预测中南北LLJ的频率梯度变化导致的5-7月的降水量增长表明了更强的水汽辐合，相应的会导致7-10月夏季土壤湿度和蒸散的增加，以及表面暖化的减弱。我们强调土壤水分储蓄在提供额外的“气候记忆”方面的作用，这种“气候记忆”会延长区域暖化的减弱，甚至超过降水量增加的时段。

根据上文描述的反馈过程，我们得出如下结论，模拟出来自南部LLJ北端附近水汽辐合的中尺度过程对更准确地预测出美国中部地区的气候变化至关重要。从内部比较区域预测模拟（PIRCS）实验（该实验曾评估过16个类似模式），以及我们之前的研究来评估，运用区域气候模式来模拟上述过程相当理想。相反的，运用当前全球气候模式（GCMs）来模拟区域降水和LLJ的关系的效果并不好，部分原因是其粗糙的空间分辨率。因此，在研究气候变化时，运用热带水平节点空间为200-300km的全球气候模式并不能显现这些对美国中部地区夏季气候起关键作用的中尺度过程。这也可能解释了为何大多数全球气候模式不能解释暖洞现象。最后，需要提醒的是，尽管我们的研究结果大体上与观测到的趋势一致，但是我们的结论还需运用其他区域模式和全球气候模式以及温室气体释放情景进行多年的模拟来进一步验证。

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