Science: 过去一个世纪降水变率的人为放大
期刊：Science
中文题目：过去一个世纪降水变率的人为放大
英文题目：Anthropogenic amplification of precipitation variability over the past century
作者：Zhang Wenxia, Zhou Tianjun, Wu Peili
发表日期：2024年7月26日
摘要
随着气候变暖，随之而来的大气增湿增加了极端降水。降水变化也会增加，产生更大的干湿波动，但这还有待观测证实。本研究表明，由于累积的人为变暖，在过去的一个世纪里，全球（超过75%的陆地面积）的降水变化已经增加。在日常到季节内的时间尺度上，变率增加，全球每10年的日常变率增加1.2%，在欧洲、澳大利亚和北美东部尤为突出。降水变率的增加主要是由与大气增湿相关的热力学驱动的，在十年时间尺度上受到环流变化的调节。扩大的降水变化对天气和气候预测以及社会和生态系统的复原力和适应能力提出了新的挑战。
研究背景
根据克劳修斯-克拉珀龙关系，气候变暖使近地表大气的持湿能力每开尔文增加约7%。作为首要驱动因素，大气湿度的增加助长了降水系统，导致极端降水量增加。这意味着降水事件之间的波动更大，干湿事件之间的波动更大，表现出降水变率的放大。降水变率的放大可以发生在各种时间尺度上，从日到季，从季到年。这对水文循环产生了进一步的影响，例如，例如，降水量减去蒸发量后的季节性变化幅度增大，气候变得更加干旱。这种放大的可变性可能对人类社会和生态系统产生深远影响，导致供水不可靠，农业产量改变，生态系统功能受到干扰，从而影响了陆地碳汇，并扰乱了经济增长。这些潜在后果对气候适应和社会复原力构成了新的挑战。
在未来全球变暖的情况下，气候模式确实预测了从日到多年时间尺度的降水变率的强劲增加。预计这将主要发生在气候湿润的区域，表现出“湿润增加”的模式。预估降水变率的增加是由于大气湿度增加和与对流层静态稳定性增强和全球变暖下大尺度翻转环流减弱有关的环流变率减弱的综合结果。预估降水变率的增加是由于大气湿度增加和与对流层静态稳定性增强和全球变暖下大尺度翻转环流减弱导致某些环流变率减弱的综合结果。
然而，目前尚不清楚观测到的降水变率是否已经上升，这阻碍了及时采取适应行动。由于日降水量的内部变率很大，对降雨量变化的探测和观测变得更加困难，这使得识别人为信号的出现变得更加复杂。虽然数量非常有限的研究报告了观测到的某些区域在特定时间尺度上降水变率的增加，但缺乏跨时空尺度的系统观点。更重要的是，观测到的降水变率变化的机制尚不清楚。
研究结果
结果1：过去一个世纪观测的降水变率放大
为了检查降水可变性的变化，本研究使用了多个观测数据集来解释观测的不确定性。其中包括五组全球尺度和八组区域尺度的日降水观测数据集，它们在表示气候降水变率方面通常是一致的。降水变率在各种时间尺度上进行测量，包括日常（即总变率）、天气、月度、跨季节和年际。在去除长期趋势和年周期后，它被估计为降水的时间标准差。
从1900年到2020年，根据全球历史气候学网络（GHCN）的每日数据集（图1），大多数陆地区域的日常降水变化都有所增加。大约75%的土地面积有所增加，自1900年以来，全球平均趋势为每10年1.2%。特别是，自20世纪50年代以来的后期主导了这一增长趋势。这与全球平均温度在此期间比早期更显著升高的事实是一致的。请注意，观测数据的可用性随时间和区域而异。例如，图1所示的南亚百年趋势主要代表20世纪70年代前的时期，而东亚的百年趋势代表20世纪50年代后的时期。
图1. 1900-2020 年间日降水量变化的观测趋势
尽管在较小的区域尺度上确实存在季节差异，但日降水量变率的增加发生在所有四季，全球模式相似。这表明全年降水变率增加存在普遍制约因素。因此，在接下来的分析中，本研究重点关注全年每日降水量变化的变化。
从区域上看，欧洲、澳大利亚和北美东部的降水变化率增加最为显著，这些区域有密集和长期的观测数据（图2）。根据GHCN Daily的数据，在过去的一个世纪里，这三个区域分别有约80%、63%和89%的土地面积呈增长趋势。多个观测结果的一致性证实了这一增长趋势的稳健性。然而，在其他区域，降水变化的长期趋势不太明显，要么是因为强烈的年代际变化，要么是由于数据集之间的不一致。
图2. 1900年至2020年区域日降水量变化
由于降水变化存在于各种时间尺度上，与不同的天气和气候模式有关，因此了解这些不同时间尺度上的响应非常重要。有趣的是，在三个区域（欧洲、澳大利亚和北美东部），总日降水量变化率大幅增加，同期、月度和季节内变化显示出持续的增加。因此，观测到的每日降水变化的增加是由同期、月度和季节内变化共同造成的。然而，对于年际降水变化，强年代际变化没有出现明显趋势。鉴于从每日到季节内的时间尺度上持续增长，本研究关注每日降水量的变化，以了解观察到的变化的物理驱动因素。
结果2：降水变化加剧的物理驱动因素
本研究将水分预算诊断应用于1940年至2020年的ECMWF Reanalysis v5（ERA5）。ERA5再现了观测到的三个区域的降水变率的增加（图2和图3）。在数量上，欧洲和北美东部的观测值与ERA5的趋势幅度是一致的（图3A和3C）。对于澳大利亚，尽管不同的数据集在趋势幅度上显示出显著的差异，这可能与该区域较强的年代际变率有关，但它们总体上显示出增加的趋势（图3B和2B）。对观测到的降水变率增加的合理再现能力增强了基于ERA5的物理诊断的可靠性。
图3. 降水变化的物理过程
降水变化的长期趋势可以合理地近似为垂直水分平流的趋势。从区域来看，尽管趋势幅度略有不同，但这两个术语的时间变化也彼此相似（图3）。这证明了简化的水分平衡框架的有效性。
然后，本研究解开了热力学和动力学效应。降水前变化的增加主要来自大气湿度的稳定增加，这导致了三个区域降水变化增加的约60%（图3）。这表明，即使大气环流保持不变，大气湿度的增加也会在降水时产生更大的降水异常，从而导致降水变率的放大。
另一方面，与大气环流变化相关的动力效应虽然在一定程度上增强了1940-2020年期间的降水变率，但表现出明显的年代际变化（图3）。特别是，垂直运动的变率在20世纪80年代之前增强，但随后在欧洲和澳大利亚上空减弱（图3A和3B）。总体而言，动力效应不如热力学效应明显，空间差异更大。这与本研究目前的理解一致，即由于强烈的内部变率，全球变暖下的环流变化比湿度变化更不确定。非线性效应一般较小（图3）。
大气湿润在观测到的降水变率增加中的主导作用与未来预估的预期一致，这表明对气候变暖的热力学响应已经出现。这增强了本研究对连接过去和未来变化的物理理解的信心。大气湿润的主要贡献也解释了过去一个世纪在不同季节和时间尺度上降水变率的持续增加。在动力效应方面，主导因素是与大尺度翻转环流相关的垂直运动变率的预估减弱，而大尺度翻转环流抑制降水变率。虽然在观测中没有清楚地看到这一点，但由于强烈的年代际变率，自20世纪80年代以来，欧洲和澳大利亚的垂直运动变率呈减弱趋势（图3A和3B）。这可能与自20世纪80年代以来观测到的Hadley环流沉降分支的减弱和向极地扩展有关，其中人为排放和内部年代际变率都起作用。另一方面，陆地和海洋之间变暖对比的增加以及与之相关的大陆相对湿度的下降可能会导致某些区域出现更干燥的干旱期，并随后增强降水变率。区域动态十分复杂，需要对其进行有针对性的研究。
结果3：检测人为痕迹
由于观测到的降水变率的增加主要是大气湿度的增加，这表明人为气候变暖的重要作用。因此，本研究能否在观测到的降水变率中明确地探测到人为痕迹？基于耦合模式比较项目第6阶段（CMIP6）的探测和归因模式比较项目（DAMIP）的多模式模拟，本研究研究了不同外部强迫的影响。综合强迫和个别强迫被考虑在内，包括所有外部强迫（“ALL”，包括人为强迫和自然强迫）、单独的自然强迫（“NAT”）、单独的温室气体强迫（“GHG”）和单独的人为气溶胶强迫（“AA”）。
图4. 人类活动对降水变化的影响
在所有强迫下，除一些亚热带区域外，全球降水变化率都在增加（图4A）。这是温室气体和AA强迫之间拉锯战的结果，其中温室气体引起的降水变率增加主导了AA引起的减少（图4B和4C）。
从区域上看，在降水变率显著增加的三个区域，尽管强迫响应通常弱于观测值，但通过ALL和GHG强迫的模拟可以再现观测到的增加（图4D至4F）。降水变率在NAT强迫下没有明显变化，在AA强迫下有所减少（澳大利亚除外）（图4D至4F）。
为了更明确地检测人为影响，本研究进行了最佳指纹检测和归因分析。这是通过广义多元线性回归模型实现的，该模型将观测到的变化与考虑内部气候变化的强制响应进行比较。如果缩放因子的置信区间明显高于零，则可以声称检测到特定的强迫。
在单信号检测中，ALL和GHG强迫的影响可以在缩放因子显著高于零的三个区域上检测到，而NAT和AA的影响则不能（图4G至4I）。考虑到信号之间的相关性，本研究应用了三种信号检测来进一步区分一种强迫和其他强迫的影响。温室气体的影响可以与AA和NAT的影响分开检测（图4G至4I）。这清楚地表明，在过去的一个世纪里，这三个区域观测到的降水变率增加可归因于人为强迫，更具体地说，是温室气体排放。
值得注意的是，与对温室气体强迫的响应单调增加不同，降水对AA的响应随区域排放而变化。这可以从ALL和AA强迫响应的经验正交函数模式中看出，其中主导模式代表百年趋势，第二模式对应于欧洲和北美AA排放的变化。尽管AA的影响是时变的，但在观测到的降水变率放大中，温室气体的主导作用和归因作用在欧洲和北美东部是稳健的，这一点得到了1950-2020年期间的探测和归因结果的支持（图4）。本研究还注意到，由于内部变率较大，澳大利亚在1950-2020年较短时间内的信号较弱。
温室气体强迫的可检测作用进一步支持了基于水分预算诊断的过程理解。物理推理与最优指纹识别相结合，形成了更全面的理解。也就是说，人为温室气体排放导致了气候变暖和大气湿润，这是过去一个世纪导致降水变化增加的主要热力学驱动因素
研究意义
本研究提出了对过去一个世纪观测到的降水变率变化的全面理解，解决了事实、机制和人为贡献，提高人类对降水变化产生级联影响和增强天气和气候预测能力的清晰认知，需要加强基础设施、风险管理、农业、生态系统功能和经济发展的气候适应能力。本研究的发现也暗示了人类为实现净零排放所做的努力。
研究创新之处
为了检验降水变率的变化，本研究使用了多个观测数据集来解释观测的不确定性。本研究报告了过去一个世纪从全球到区域尺度以及从日尺度到季节尺度上降水变率的跨时空尺度效应。本研究通过物理推理与最佳痕迹识别相结合，在观测到的降水变率中明确地探测到人为痕迹。
文献来源：https://doi.org/10.1126/science.adp0212
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：杨旭
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏