20世纪后期云的增温和变化外文翻译资料

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20世纪后期云的增温和变化

John Mclean

摘要 1950-1987年的ENSO和HadCRUT4全球气温异常之间存在强的相关关系，但偶然间被火山爆发中断。1987年后他们之间的关系发生偏离，气温异常增长超过预期值，但他们之间的相关关系又在1997后年因高出的0.48度被抵消重新建立，1987-1997年温度增长期和全球陆地平均异常气温一致，1950-1987年间陆地上的气温比海洋上低0.04度，但1997年以后陆地上的气温却比海洋上高0.41度。全球平均气温异常增长以及陆地和海洋表面气温的偏差与全球平均云量的两个显著变化一致，总云量在1987-1997年减少，对于1984-2009年的绝大部分剩余部分来说，低云量的减少伴随着中高云量的增加。这些变化可以在全球平均云量和每一个30度的纬度带中发现。云量这些变化带来的影响可以用HadCRUT4全球气温异常和陆地和海洋表面气温的偏差来解释

关键词 气候变化 气温变化 高温 ENSO ISCCP HadCRUT4

1引言

政府间气候变化委员会的最新报告指出一些气候模式高估了气候系统对自1998年持续增加的温室气体的响应，换句话说，他们预测的温度比目前观测到的温度要高。

根据1950-1987年模式的准确率考虑到模式高估二氧化碳的影响，政府间气候变化委员会（IPCC）在4AR中表示这样的情况只有模式低估了其他强迫因子的影响才会出现。

其中一个被低估的强迫因子就是云量。学者经常讨论所有太阳光的变化但很少考虑云量的变化，但云可以阻止辐射，总的来说它控制着白天到达地面的辐射量和晚上夜间变冷失去多少热量。

云量对预估地球净辐射的影响目前为止受到很大关注（Hartmann和Kiehl等人），尤其是在作为大气环流驱动的热带强对流地区。在热带强对流地区，由于云增加的反照率造成的冷却效应很大程度上被向大气放出的长波辐射削弱，但是云的作用还是没有被完全理解。

相关文献包括Doode和Palle，大概讨论了云量的变化，文章更大篇幅关注太阳辐射的变化。Herman也讨论了全球云量的变化但只处理了地面在340nm的反射率。Kauppinen等人讨论了全球地面平均气温下的湿度和云量。Eastman和Warren讨论了陆地和海洋长期变化趋势，前者当讨论海表气温变化是主要关注海洋上空的层云和层积云，后者只是非常简略的提了一下温度。

本篇论文致力于强调总云量和各层云量变化，以及是否这些变化和HadCRUT4全球气温异常之间存在相关关系等广泛的话题。因为温度通常是用月距平来表示，因此云量数据也应该转化为这种距平格式。火山爆发和ENSO对温度有影响，因此他们会在考虑保留下来的温度和云量变化之间关系之前被定义或消除。

2数据来源

本篇论文使用的云量数据来自于ISCCP（全球卫星云气候计划），这些数据涵盖了1984-2009年总云量和低中高云量，原始气温数据来自HadCRUT4数据库。ENSO数据来自澳大利亚气象政府发布的南方涛动指数，拉尼娜现象出现时指数达8以上至少持续3个月，厄尔尼诺现象出现时指数在—8以下至少持续3个月，SOI指数仍有扩充空间，在1950-2013年平均值0.19，标准偏差10.53。SOI在EL Nino3.4区域使用三个月海平面气温（北纬5度-南纬5度，西经170-120度），因为1957年的数据覆盖率仅有它的50%，并且该地区的西部数据多年，这只会受到比较弱的ENSO的影响。火山爆发尤其是爆发时间的数据来自于史密森尼协会。

本篇论文使用1951年1月的数据，原因有以下两点：第一，IPCC声明气候变暖是由人类活动造成相关，因此本文也选择了相同的时间阶段。第二，该数据比HadCRUT4气温数据要更合适，因为南半球数据覆盖率在两次世界大战都低于50%，在1945年仅有23%。第二次世界大战后南半球数据覆盖率增加，在1950左右只有一个月的数据覆盖率是原来气温的50%，1960年开始，数据覆盖率已经逐渐增至60%。

在数据覆盖率很低的时期，对数据的依赖和由于数据缺乏造成月份之间的差值很大都是问题所在，这意味着这段时期的“噪音”比数据覆盖率高的时期要多很多。在1990年1月到1999年12月这十年时间里，全球数据覆盖率达83.7%，月份之间的平均差值为0.084，而在数据覆盖率仅有56.62%的1940-1949年间，月份之间的差值高达0.122，比前者要高了50%。

3 分析

3.1 余温问题

基于HadCRUT4全球平均异常气温数据调查云量可能带来的影响第一步就是根据之前不予考虑的火山爆发和ENSO作用建立余温异常。

强烈的火山爆发尤其是在西太平洋看起来对全球气温异常有影响作用。表1列了4座被认为对自1950年全球平均气温异常有重大影响的火山，火山爆发指数的测量标准和DVI全球沙尘覆盖指数表明它们之间存在的优势。

火山爆发和气候统计一起考虑是一项难题，很难用一种简单的方法去比较它们因为VEI指数是对数表示的，VEI值为4时代表直径在0.1到1爆发的火山灰，VEI值为5时代表直径在1到10。如果一次火山爆发的VEI是4位于喷发的火山灰带较低端，如果VEI是5则接近其上限，据推测会冷却大气的硫化物VEI达到100。

在之前提到表中所列的三次火山爆发中的第一次发生在1961-1990年，HadCRUT4数据库从长期每月的气温异常得到，这意味着月变化比发生火山爆发时要低，比计算得到的月变化要高。

认为火山爆发会对气温异常有影响是错误的观点，之前很多学者做了很多努力包括使用全球沙尘覆盖指数以及预估气温变低。而使用DVI是错的因为它是根据气温计算出来的，这就让问题绕了一大圈又回到了起点。用AOD气溶胶光学厚度估计冷却效应要用到Sato等人的方法，但得出的结果又不是确定的，因为明显不存在将AOI变为气温变化的物理因子。还有一个方法就是采用准确率不确定的模式得到的结果，这在用校准气温资料的扰动中可能是不可避免的。

更复杂的地方在于火山爆发和ENSO条件之间存在潜在的关系，El Nino事件经常伴随着西太平洋火山爆发，实验数据表明气温变冷是因为火山爆发总体上抵消了El Nino的增温效应。

因为两种现象造成的降温和增温效应不是在预料之中，他们发生时并没有伴随另一种现象出现，这很大程度上扭曲了这种事件所有计算平均效应的事件，这种扭曲会影响在不考虑火山爆发和ENSO效应的余温效应。相应的，长期以来温度数据最简单的解释就是主要火山爆发造成温度下降的时期，这不可能对余温有大的作用因为火山爆发的影响是短暂的，最多不超过三年，在研究中发现火山爆发没有明显的趋势变化。

3.2 ENSO

一般广泛认为ENSO对太平洋海域和欧非大陆的天气模式有重要的影响。有学者发现ENSO影响全球贴地层的温度，Jones等人发现当使用滞后时间为6个月的ENSO数据时，ENSO和全球气温之间存在一定的关系，但McLean和Freitas发现滞后4和5个月的时间分布在1950-1995，1950-2000，1950-2005,1950-2012变化很大。

图 1表明了1950-2013年间没有滞后时间的SOI指数HadCRUT4全球平均异常气温数据（在这篇论文的其他图表中在绘图中使用以5个月份的平均值，在分析中使用月数据）。

图1的垂直轴上是1950-1985的相关系数，这张图表现了一九五零年到一九八几年末期SOI指数引导HadCRUT4气温小幅度变化的渐进关系，在1995年左右抵消了0.5度。

这两种标志会带来重要的短期扰动，SOI指数更容易受短期天气的影响，因为它是通过澳大利亚的Darvin和Tahiti两个站的气压监测得到的。

HadCRUT4气温月之间的变化在整个时期平均在0.076度，12月到3月超过了0.08度，4月到七月平均在0.04到0.05度之间。陆地上月之间的气温变化要比海面大得多，CRUTEM4在一年12个月的平均值是0.182度，而HadSST3则是0.039度。

图1 SOI值比所想的要低的偏离的时间很短是因为热带太平洋附近火山爆发造成冷却效应，之后的两个时间段说明了之前讨论过的问题，El Chichon带来的冷却效应很明显并没有考虑过，Angell认为这都归咎于El Nino带来的影响，但Pinatubo火山爆发很明显带来冷却效应而且减弱了El Nino的预测。

确定19世纪80年代末期之前SOI指数全球平均异常气温的关系的第一步，就是排除1963年2月到1967年6月（Awun火山爆发之后，紧接着就是Agung）、1982年2月到1983年7月（El Chichon爆发）造成降温的时间范围的数据，这些火山爆发都发生在表一的火山爆发之后。

第二步就是找到SOI指数滞后几个月的HadCRUT4数据之间适合的相关关系，当SOI指数提前3个月时最适合的相关系数达-0.551，相关系数会被两个重要的因子减小，一个是之前讨论过的月份之间的变化，另一个可能是是1955,1972,1975年出现不太剧烈的火山爆发。

使用滞后三个月的SOI指数应用到1950-1987年由于火山爆发造成的冷却效应这段时期，发现了最接近的线性关系。GATA是HadCRUT4全球平均异常气温数据，SOI数列是提前三个月的SOI指数。

1998-2012年使用相同滞后时间，用肉眼可以观察到二者的关系有相关的连续性，有一个准确的等式来表达它们之间的关系

两个等式中R方的值分别是0.304和0.196，第二个相关关系较弱的时期表明这段时间温度变化因子与第一个时间多不太一样。

通过将两个标准偏差的月SOI指数带入第一个等式可以确定ENSO对全球平均气温异常的95%的重要影响，在第一个等式计算的时间段里，标准化的偏差是9.68，因此两个标准偏差对温度异常的贡献是0.16度，两个等式里的常数加起来大约为0.49度，表明这个量接近1988-1997年温度变化的量。

图3是1950-2012年受ENSO影响的全球余温平均异常，由1950-1987年ENSO温度关系和1963年2月到1967年6月、1982年2月到1983年7月两个火山爆发的时期得到。

之前有假设提出SOI指数HadCRUT4全球平均异常气温存在线性关系，不管怎样在以季为时间尺度，二者的关系有小范围的变化，温度和盛行风也是这样，在ENSO和降水有很大关系的地区，持续的El Nino和La Nina可以影响地面湿度，反过来还可以影响近地面温度知道地面湿度恢复正常。

图4是图2的延续，包括每年余温平均异常低于-0.2度或高于0.2度的月份，在图中考虑这段区间，这比之前提到月之间的HadCRUT4全球平均异常气温的两个标准化的变量减少了一些。

在很多温度数据中温度变化包括近地面气温和探空气球测得的对流层底部气温，表明气温变化不是监测仪器或天气分析处理模式造成的。与此类似的是，ENSO的气温变化也可以当使用Nino 3.4指数时存在，说明SOI指数计算的温度变化并不是特别的存在。

图3中的全球平均余温异常在其他学者如Trenberth，Tompson，Foster和Rahmstrof的计算中有很大的不同，三分之二的研究引用了1950年前的气温数据，半球和全球的数据覆盖率很低，也没有将1987年后期温度增加和1997年温度达到峰值之间联系起来。

Trenberth等人进一步尝试将ENSO和气温之间的联系分为1950-1978和1979-1998两个阶段，是由于1987年后二者之间的联系没有总结得很明确，只是大概地说了ENSO造成了1950-1988年全球气温增长了0.06度。Tompson等人试着用东太平洋冷舌的海平面气温作为1900-2009年ENSO服务器，但1950年前的几十年间数据匮乏，而且弱ENSO影响下准确率不高。ENSO关系在强调火山爆发造成的冷却效应之前得到的，它出现在ENSO造成的增温效应之前。Foster和Rahmstrof只考虑了1979之后的时期，因此基本上省略了1950-1987年，这段时间全球气温异常变化不大。

图3余温异常的模式1988-1997年气温增暖，Pinatubo火山爆发造成的冷却效应十分显著，随后气温保持平稳不变。

3.3地温异常辐散

1999年是观测站测得的全球平均气温异常（CRUTEM4）和海平面气温异常辐散（HadSST3）的开始。图5表明两种异常使用5个月为间隔的平均值，但是这也削弱了每个月的峰值影响。

1950-1986年所有月份的24.1%中HadSST3比CRUTEM4大0.1度，1988年以来，所有月份的84.3%中则超过了0.1度（不像之前的计算，在这次数据计算中没有排除火山爆发造成的冷却效应的时间，因为海陆均受影响）。HadSST3和CRUTEM4的平均差值（前者剪去后者）在1950年1月1987年12月为-0.04度，但在1988年-2013年味0.41度，表明一共增加了0.45度。

图一中有异常辐散的模式和两个数据库余温异常回声的抵消。

3.4全球平均云量的变化

当2000年后监控设备刚开始投入使用还不

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