全球变暖下的全球大气环流减弱外文翻译资料

 2022-12-09 10:53:40

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全球变暖下的全球大气环流减弱

摘要：这项研究发现，由于人为排放，全球大气环流减弱，即全球温度每增加1 K，大气质量对质量的输送减少约5％。这是通过计算全球热动力质量流函数和诊断政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中一组气候模式模拟的长期变化得到。由于热带对流层中的干静能和潜热增加，热力学坐标系下的全球大气环流也有所扩展。下垫面的变暖和变湿遵循克劳修斯-克拉珀龙关系，热带的潮空气在上升的过程中保持近乎保持湿绝热。此外，诊断发现经向翻转环流仅略微变弱，表明主导大气环流变化分量主要是纬向非对称的环流，即沃克环流。总的向极能量输送有所增加，而向极的质量输送却有所减少。各个气候模式也充分证明了上述的结果。

关键词：气候模式，CMIP5，流函数，热力学，能量输送，全球变暖

1简介

大气的总体循环由太阳辐射和通往/来自海洋的通量中的温度不均匀性驱动。大气通过将具有过量能量的区域（例如热带）的潜热（LH）和/或干静态能量（DSE）传递到能量缺乏区域（例如极地区域）来响应这些异质性。如果大气的辐射性质或通往/来自海洋的通量改变，大气环流也可能改变。例如，由于人为排放和相关的地表变暖，热带倾覆循环（即Hadley和Walker环流）将会减弱（Vecchi et al 2006; Vecchi and Soden 2007; Lu et al 2008; Seager et al 2010）。并且印度季风（Bollasina et al 2011; Ming and Ramaswamy 2011）和中纬度干燥和潮湿等熵循环将会有变化（Laliberte and Pauluis 2010; Wu and Pauluis 2013）。

温室气体（GHG）和气溶胶的人为排放导致二十世纪和二十一世纪大部分地球表层空气温度有上升的趋势（IPCC 2013）。增加的温度导致增加的比湿度遵循克劳修 - 克莱普关系【参见（Wallace and Hobbs 2006）】，

(1)

(2)

其中是饱和比湿度，T是温度，= 461.5 。是水蒸汽的气体常数，（T）是在温度T下冷凝的潜热。在本文中假设 = 2.5times;10 6 J，总压力P远大于水蒸汽压力。然后，T = 273K产生aasymp;0.07 ，即饱和比湿度每度增加约7％（等式2）。 Held and Soden（2006）发现相对湿度在全球变暖时基本不变，在热带（30°N-30°S）平均的比湿q随温度变化的增加率为7.5％。他们进一步提出了热力学标度，其中降水量P可以近似等于对流质量通量Mc和地球表面附近的比湿度q的乘积，

(3)

其中表示1980-2000和2080-2100之间的差值， = 0.01。然而，对流质量通量Mc作为诊断量是不切实际的，因为它不是全球气候模型中的解析变量，并且通常以相对低的时间分辨率存储。

在全球大气环流不发生改变，即的情况下，全球变暖将引起向上的潜热通量，并且因此沉积和潜热释放所有增加7％。然而，通过考虑辐射平衡，Stephens and Hu（2010）认为沉积受辐射冷却的限制，不能像表面比湿那样快速地增加。多个气候模式研究发现，降水增加约1-3％（Held and Soden 2006; Vecchi and Soden 2007; Stephens and Hu 2010），其差异主要来自气溶胶和云反馈。因此，从公式3，向上的质量流量和全球翻转循环应减弱4-6％。

当研究全球大气环流时，重要的是考虑其区域和经向分组。迄今为止，流行的一些关于热带的研究已经研究得很好了，例如，海平面压力（SLP）和海表温度（SST）梯度（Vecchi et al 2006; Tokinaga et al 2012; Bayra and Dommenget 2013）。然而，在某些区域中的SST梯度和SLP梯度仅接近环流的一部分（例如Walker环流的表面分支）的强度。

另一个常见的度量是在500 hPa上（Vecchi and Soden 2007; Merlis and Schneider 2011; Bony et al 2013）的垂直质量通量（）。然而，向上的质量通量包括绝热和非绝热运动，即只有一部分与空气质量变换相关。此外，数据必须具有每日或每日分辨率用来正确地捕获中纬度涡流的通量。时间分辨率在热带中也是重要的，因为当由Hadley环流（未示出）计算质量和能量通量时，在6小时和每月数据之间存在显着差异。

该研究是耦合模式比较项目第5阶段（CMIP5）中的一组协调的气候模式模拟中诊断全球大气环流的未来变化。为联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）开展了CMIP5模拟。部分使用最近开发的热力学流函数来分析模拟，该函数认为区域和经向翻转循环作为一个单调循环（Kjellsson et al 2014; Laliberte et al 2014）。流函数功能在LH-DSE空间中，因此清楚地突出了降水，辐射冷却，绝热加热和润湿。我们根据这些过程讨论全局循环的变化，计算质量和能量传输，并且将模型结果与简单的理论预测进行比较。分别研究子午翻转循环和极向能量传递中的变化从而理解区带和子午翻转循环的相对变化。

2数据

从11个耦合的气候模式和ERA中间分析中获得水平风u，v [m ]，温度T [K]，比湿度q [kg]和表面压力[Pa]，除了EC-Earth（直接从瑞典SMHI存储下载），GFDL-CM3（直接从GFDL2下载），CCSM4（从地球系统下载）和ERA Interim（从ECMWF4下载）以外，所有数据均从地球系统的CMIP5归档中检索。所有数据具有6h的分辨率，并且在水平k层的压力为或。并且认为水平层上静液压近似和质量连续，在每个模式水平上计算6小时的静水压力P[Pa]，位势高度z [m]和垂直速度omega;[Pa ] （Burridge 1981 and Kjellsson and Doos 2012）。在分析之前，使用双线性插值将所有数据从其原始分辨率重新格栅化为2.5°times;2.5°网格（Mesinger and Arakawa 1976）。这意味着将BCC和CanESM模式移动到比输出数据稍微精细的网格，但在本文的整个分析中，没有任何表明这是一个需要考虑的问题。

CMIP5模式中的气候模式模拟开始于长时间的“启动”期（通常gt; 1,000年），其中温室气体和气溶胶的辐射强迫和浓度在工业革命前（即十九世纪中叶）水平保持固定，此时模式处于相对稳定的气候。然后，几年后的一些模式从1850年开始观察或重构的辐射强迫和GHG和气溶胶浓度。过去150年的这些模拟被称为历史模拟。所有历史模拟结束于2005年。RCP8.5是指人为温室气体排放导致辐射强迫为8.5 W 。它意味着从2000到2100的等效浓度的增长了三倍以上。所有RCP8.5模拟在2006年开始并且运行到至少2100。所有CMIP5模拟由Taylor et al（2012）详细描述和各种RCP排放情景由Meinshausen et al（2011）描述。人为排放在RCP8.5情景中的影响在这里通过计算20世纪后期（1980-2000）和21世纪晚期（2080年）的模拟之间的差异。这些模拟将分别表示为20C和21C。

3方法

任何模式都没有办法解决对流。并且在分析数据时不需要进行参数化，因为它已经被模型参数化。垂直速度（）是由网格尺度上的质量连续性计算的，因此该分析将不使用与对流旋流相关的水分和热量的次网格尺度垂直通量。此外，与上升和下降气流相关的垂直质量流量在某种程度上会在网格框上平均时消除，导致热力学空间中的垂直质量流量降低。

使用= 2500kJ 作为蒸发潜热（假设常数）计算LH，L =q，DSE，和湿静态能（MSE），，其中 作为恒定压力下干燥空气的比热容，g = 9.81作为重力。注意，DSE类似于潜在温度，对于绝热运动是保守的，MSE是类似于假相当位温，其对于潮湿绝热运动是保守的。

图1a显示出了ERA中间再分析的经典子午线翻转流函数，。它表示在纬度j处的压力水平P以上的总质量通量（参见Peixoto and Oort（1992）），并且被定义为

（4）

在实践中，子午速度根据它们的压力分类，然后从0到P积分以得到。结果是在具有Hadley，Ferrel和Polar环流的每个半球中的三圈环流结构。Polar环流具有〜5Sv的振幅。

根据Doos and Nilsson（2011），具有广义垂直坐标的子午翻转流函数的定义是

（5）

其中x是任何示踪剂变量（例如温度或比湿度）。是Heaviside函数，其中，当xgt;0时，=1，否则，。利用该定义，仅包括具有xrsquo;（x,y,p,t）lt;x的质量通量。注意，x不需要是高度的单调函数。这允许使用LH，DSE和MSE作为垂直坐标来计算经向翻转流函数（Czaja and Marshall 2006 ，Pauluis et al 2010 and Doos and Nilsson 2011）。从经向翻转流函数计算LH，DSE和MSE的子午通量（图1e）

（6）

其中x是LH，DSE或MSE。极限和是x的值，其中（y，x）= 。假设= 0 Sv。

热带中的Hardly环流包括在对流层低层的赤道分支和在高层对流层的极点分支。赤道分支具有高LH和低DSE，向极分支具有低LH和高DSE（Townsend and Johnson 1985; Held and Schneider 1999; Pauluis et al 2010）。中纬度的质量流量主要与短暂涡流相关，其中赤道向和质子传输发生在相似的压力下，但后者通常具有比前者更高的LH和DSE（McIntosh and McDougall 1996; Doos and Nilsson 2011; Laliberte et al 2012 ; Kjellsson et al Doos 2012）。因此，子午翻转循环取决于垂直坐标的选择。在LH坐标（）中，结果是每个半球中的两个环流将LH从亚热带转移到热带和中纬度。此外，中的中纬度环流在压力的作用下中比Ferrel环流更强。在DSE坐标（）中每个半球中的循环包括仅一个循环，每个循环具有两个最大值，每个最大值是热带和中纬度循环合并的结果。DSE的传输来自热带，在几乎所有纬度都是指向极地。作为最终结果，在MSE协方（）中，结果是以中点为中心的两个环流，其中极向MSE通量是峰值。

水热流函数由Kjellsson et al（2014）使用最初为Zika et al（2012）为海洋开发的方法和Doos et al（2012）得出的。它在LH-DSE空间中,所以没有空间坐标。它表示等于或低于某个LH值的跨越DSE表面的质量通量，或在某个DSE值或低于某个DSE值的LH表面上的质量通量。水热流函数是所有大气运动的全局积分，其中LH或DSE随方向而变化。因此，水热流函数能够包括区域平均倾斜循环以及区域不对称特征，例如沃克循环。这有点类似于Pauluis and Mrowiec（2013）在空间（类似于z-MSE空间）中定义“等向”流函数的研究。

DSE的趋势被定义为。在LH-DSE坐标中，可以写为

其中是整个大气，dM是质量元素，表示x，y，p空间中的变量。在本文中，l和s是（x，y，p）空间中的LH和DSE趋势，而L和S是（l，s）空间中的趋势。另外，是的狄拉克函数,当x不等于0时，。 LH趋势可以类似地积分并且表示为LL。水热流函数定义为

其中具有的单位。上面的两个定义,如果趋势是非发散的，则产生相同的结果，即。这只有在简化的时才成立，在CMIP5模式没有运行时LH和DSE完美契合。此外，在20年期间的十年变化或全球变暖可以给出LH和DSE的趋势。

在本研究中，这只引入了小误差，并且发现是一个很好的近似。水热流函数中的误差，即闭合流线外部的质量通量，小于最大幅度的5％。 LH-DSE空间中的质量连续性在附录中进一步讨论。在本研究中，从计算流函数，但是从获得的结果已经被验证为几乎相同。总趋势和包括局部时间导数和平流项。这个定义与Kjellsson et al略有不同（2014）,其中将近似为，我们认为这是合理的，因为发现从对的贡献非常小。类似的近似在海洋中不太有效（Groeskamp et al 2014）。公式中给出了完整的变化趋势。

4结果

水热流函数在1980-2000年的历史模拟和ERA中期再分析中计算表1（图2）。的单位是Sverdrup（Sv），其中1 Sv = 109kg 。对于所有模式，结果都是单向逆时针循环。结果非常类似于Kjellsson et al 2014）使用ERA-Interim和EC-Earth需要更长的时间才能得出的结果。对于所有模式，沿着-30Sv流线可以看到三个不同的分支。一个分支从（lasymp;40kJ，s asymp;300kJ）延伸，其中流线近似平行于热带（15°S-15°N）平均湿润地层，其中MSE几乎保守。这表明通过与云形成和沉淀相关的水蒸气的冷凝将LH转化为DSE。 DSE倾向在平均热带剖面右边是正的，在左边是负的。这表明潮湿的上升空气集中在MSE高于热平均值的地方。从（l =0kJ，sasymp; 340kJ）质量沿着l = 0kJ向下部DSE传输，表明干燥空气是辐射冷却。一

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