由有组织深对流频率变化引起的热带降水增加外文翻译资料

 2022-11-11 14:52:41

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由有组织深对流频率变化引起的热带降水增加

Jackson Tan, Christian Jakob, William B. Rossow amp; George Tselioudis

(Tan J , Jakob C , Rossow W B , et al. Increases in tropical rainfall driven by changes in frequency of organized deep convection[J]. Nature, 2015, 519(7544):451-454.)

南京信息工程大学 长望学院 叶家成译

摘要

全球降水增加一直被认为与水循环增强导致的气候变暖有关1。然而，这种增加在空间上并不均匀。观测和模式手段发现，降水变率呈现湿区更湿 1，2，3，4，5，6，7、暖区更湿 5，8，9的模态。降水的这些变化主要位于热带地区，因而很可能与对流有关。但是，观测得到的降水变率其深层物理过程并不完全清楚。本文我们从观察中显示，大部分的区域热带降水增加与有组织的深对流频率的变化有关。通过评估各种对流方式对降水的贡献，我们发现有组织的深对流频率变化的空间模态与观测到的降雨变化强烈相关，包括正负相关（相关系数为0.69），并且可以解释大部分降水增加的模态。形成对比的是，在有组织的深对流中，较少的有组织深对流变化或者有组织深对流内部降水变化对降水变率的贡献较小。我们的结果将有组织深对流视为降雨变化与热带大气动态之间的纽带，以此可以为更好地理解降水变化提供了框架。鉴于气候模型中对不同程度有组织对流缺乏鲜明的特征10，我们的研究结果凸显了未来气候模式发展的优先领域，以便在气候变暖的情况下实现准确的降水预测。

正文

水循环的变化对社会有非常重要的影响。为了提升未来降水预测精确度，我们需要了解支撑观测与模拟降水变率背后的物理过程。在热带地区，这些变化已经被观察到遵循湿区更湿rsquo;1,2,3,4,5,6,7、暖去更湿5,8,9的模态。通过利用全球气候模式，这些模态已经分别被归因于气候系统中的热力学1,4,5,6,7和动力学变化5,8,9。在观测中，这些变化解释了例如热带辐合带(ITCZ)2等的一些热带辐合地区降水增多。

除了观测到的降水变化，还有证据表明，还从卫星衍生的云系分析得出中尺度有组织对流在过去的27.5年热带地区同样有频率的增加11。所涉及的云系具有深对流的特征，并且具有广泛的层状云和降水区域，即这是具有高度组织的典型的对流12。尽管的出现时间只有5%左右，这种有组织的强对流降水却占到了热带总降水的一半13,14,15，这是它在大面积上巨大降水量的证明。目前尚不清楚近些年的降水变化是否与有组织深对流有关。这里我们将调查这一联系。

我们利用国际卫星云气候学项目16,17中描述的每日分辨率280 kmtimes;280 km网格云顶气压和光学厚度分布的联合柱状图聚类分析得出的与降水对流相关的云区见方法部分）。这些云系(也称为天气状态)组成了对云区的客观分类，且这些云系的子系统与的对流降水相联系12,13,14,15,18,19,20,21。CR1代表了中尺度有组织深对流22(图1)，其具有宽广铁砧状层云系特征、地理分布与中尺度对流系统相似22(图1延伸的数据)、高度对流的环境12,13,18,19,20,21和相当高的降水率。这是这种云系被发现其频率是增长的11(图2延伸的数据)。还有两种与对流降水相关的云系，即CR2和CR3，相比CR1其只拥有更少的云覆盖(图1)、更低的降水率(图2)进而更没有组织的云结构12,13,14,15。这两种云系贡献了1998年至2009年总降水量的35%，与CR1所贡献的47%形成了强烈的对比。当将这三类云系一起考虑，他们的热带范围内的频率略有下降(图2拓展数据)。这说明了热带地区深对流类型的分布发生了变化，较少的有组织对流其频率越来越少，补偿了有组织深对流发生频率的增加。

为了将云系与降水变率联系起来，我们将所有地区总降水的分解成:

(1)

式中表示云系Cri的月平均频率，是Cri内云系内部的月平均降水率；即月平均以后的云系的降水量。符号代表整个时期的平均。在这个框架下，代表由于云系月平均频率的变化导致的对降水变率的贡献，量化了云系内部月平均变率对降水变率的贡献。我们计算了云系频率变化和云系内部降水率，作为数据前半部分和后半部分的差异。因为云系内部降水率的导数需要每天降水信息，我们用热带降水观测卫星(TRMM)3B42降水数据集23，时间跨度为1998年至2009年，然后再利用全球降水气候学计划(GPCP)2.2版本月降水产品24将我们的数据扩展到整个云系数据集(1983年7月至2009年12月)All data sets are interpolated to the ISCCP equal-area grid (see Methods).所有的数据集被内插成与ISCCP等网格精度(见方法一节)。

计算方程 (1)每一项使我们能够检查在1998年至2009年之间降水变化的空间分布和他们与云系变化的联系。月平均降水在不同的地区展示了相反的符号，即在太平将热带辐合带、西太平洋热带等区域降水增多而东印度洋和太平洋热带辐合带南部降水减少(图3)。通过有组织的深对流频率变化对降水变化贡献的空间分布与平均降水量的变化十分相似，相关系数达到0.69，均方根误差为0.34(图3a拓展数据；见方法一节)。作为对比，云系内部降水变化的贡献大多是负面的，而且几乎与观测到的降水变化没有相似之处。空间相关系数仅为0.19且其均方根误差为0.49。这表明有组织深对流在后半部分比前半部分产生了更少的降水。其余两个对流云系的贡献捕捉到了观测的降水变化模态，但是幅度要小的多，特别是在降水增加的区域(图3)。相反，在降水减少的区域，两个无组织对流云系与有组织云系对降水变化产生了相同的贡献。综上所述，三种对流云系很大程度上重现了观测到的降水变化(图3)，证实了深对流是热带降水变化的主要原因。当使用GPCP每日降水数据集25，这些结论也同样成立(图4拓展数据)。

上述的云系分析表明正是有组织对流降水与过去数十年观测到的降水增多有关。为了证实这个结论，我们转而应用另一个独立于ISCCP的独立数据集。一个有组织深对流的特征就是降水中层状降水的部分比对流降水多12。因而可以通过层状降水面积的增加和层状过程对总降水的相对贡献的增加识别出有组织深对流的增加。TRMM 3A25数据集26能够计算层状降水区分数和层状降水率(见方法章节)。两个变量所显示的空间变化的模态与总降水的变化相似(图3f,g)，尤其是热带深海地区(在15°N与15°S之间)。这证实了云系部分分析的结论，即热带降水的增加是有组织深对流频率增加的结果。

尽管具有指导意义，上述分析仍然缺乏对海洋的长期降水观测，这使得计算无法实现从而妨碍了将该技术拓展到云系数据可用的整个时期(1983年7月至2009年12月)。通过假设与较短时期(1998-2009)一样，我们尝试将降水变率在更长时间跨度上分解。这能够使我们计算频率变化的贡献，，对于整个时期三个对流状态到降水的长期变化，我们在GPCP 2.2版本数据集中对其进行月度观测。这提供了降水变化与各种深对流状态频率变化之间的关系。

1983年7月至2009年12月降水变化的空间分布与1998年至2009年时期存在一些相似之处，但幅度更小(图4a)。用相同数据产品对短期降水变化的分析表明这种不一致主要来源于时间段的差异而不是数据集的差异。仅仅有组织深对流频率的变化对降水变化的贡献仍然与湿区总体的变化相似(图4b)，虽然与短时期作对比其相关系数相对低一些，为0.43，均方根误差为0.33(图3b延伸数据)。利用全部三个对流云系再一次加入了降水减少这一细节因素(图4c)，但是它未能代表某些地区降水的变化，尤其是印度洋，该地区在1998年(ref. 11)之前缺乏地球静止卫星的观测，这或许会影响CR2与CR3的测量。这里值得注意的是假设pi源自于更短的时期是一个很强的假设，而且没有进行必要的证明。除此之外，对于短期变云系内部降水是负增长的，补偿了由于其频率增长带来的一定降水量的增多。在长时间尺度中被迫去忽略这些项很有可能会过高的估计降水量变率大小。尽管如此，对于更长时期定性结果分析让我们确信观测得到的热带有组织深对流增加是降水增长的主要贡献源。

结果发现正是有组织深对流对热带降水增加贡献率最大，这对探究降水起源是动力5,8,9还是热力因素提供了新的研究视角。有组织深对流频数通常与气候系统如大尺度环流的动力过程相关。实际上，热带大气动力学变化与大规模中层对流层垂直速度的反映和有组织的深对流变化之间存在良好的空间对应关系(扩展数据图5)。因此可以说，有组织深对流的变化反映了气候系统的动力变化。我们的结论更加证实了这一观点，即CR1云系内降水变化(可能是热力学响应的更多特征)对降水减少贡献最大。

如果降水的变化是通过有组织深对流调制的，那么这就会对全球气候模型（GCM）准确预测降雨变化的能力提出质疑，特别是对极端降水的准确预报能力15。GCM目前无法模拟任何有组织的深对流形式，因为对流是通过无组织的浮力羽流集合来表示的。缺乏有组织的深对流是GCMs10中众所周知的问题并且很可能是模型中长期降水误差的一个因素，例如对弱降水的倾向。因此，模式降水预测是在没有水文循环中突出的有组织深对流系统的情况下进行的。根据我们的研究结果，GCM中的这种限制很可能导致预测和观测得到的降水变化之间产生分歧4。

由于GCM无法模拟有组织的深对流，因此在降水预测分析中通常忽略其影响。鉴于在全球气候年暖下准确降水预测具有社会重要性，本研究中确定的有组织深度对流对降水变化的作用呼吁应重新努力将对流组织系统纳入GCMs中。

参考文献

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