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人类活动对地球水文循环的影响

PeiliWu, Nikolaos Christidis and Peter Stott

全球水文循环是地球气候系统的重要组成部分。地球从太阳接收到的大量能量以潜热通量的形式通过水文循环重新分布到世界各地。水文循环的变化对干旱、洪水、水资源和生态系统服务有直接影响。观测到的陆地降水和全球河流流量并没有像在全球变暖中所预期的那样呈现出增加的趋势。此处表明，当考虑对流层气溶胶的影响时，可以解释这种明显的差异。通过分析最先进的气候模型的模拟结果，我们首次发现，由于人为气溶胶的增加，1950年代至1980年代之间的水文循环出现了明显的减弱，之后，由于温室气体浓度的增加，水文循环又恢复了。这两种相反作用的净结果在全球水文循环中是一个不显著的趋势，但它们各自的影响是巨大的。在过去二十年中，空气污染急剧减少，如果目前的趋势持续下去，预计降水量将进一步快速增加。

水文循环的强度是由到达地球表面的净有效能量决定的。太阳辐射的变化和大气成分的扰动都可能导致水文循环的变化。人们普遍认识到，不断增加的温室气体(GHG)排放到大气中会导致全球变暖，预计全球变暖将加剧水文循环，全球水文循环的未来预测强度（全球平均降水量）通常以地面气温变化的形式报告。科学文献中常用的传统表达是每变暖一度全球平均降水百分率的变化，最新的共识估计约为1-3 % K^-1(ref.4)。

图1a显示了最新HadCRUT4数据集的全球平均地面气温异常以及参与政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告（AR5）的八种气候模型的模拟，这些模型由所有重要的历史强迫因素驱动，包括自然和人为强迫（ALL）。在本研究中使用的模型提供了所有的集成模拟和只有温室气体的强迫模拟。这两个实验是后面讨论的归因分析所需要的。模型和模拟的详细信息见补充表S1。气候变暖的趋势是明显的。从1901年到2010年，全球气温每十年上升0.07K。图1b显示了使用全球历史气候网络数据集(GHCN)和东英吉利亚大学气候研究单元(CRU)数据集计算出的同一时期北半球陆地降水年度异常的历史平均值，并与模拟结果进行了比对。模型和观测之间的一致性是显著的，特别是在20世纪50年代以后。图1b并不表示水文循环的加强，尽管可能在海洋上空会出现降水的增加，观测数据提供的信息很少。然而，来自相同模型的全球平均(陆地和海洋)降水异常(图1c)也没有增强的迹象。因此，北半球陆地降水的历史变化可以作为全球水文循环的一个指标。二十世纪后半期北半球陆地上数据丰富的模型和观测结果之间的良好一致性使我们能够从模型模拟推断二十世纪全球水文循环的历史变化，并研究这种变化的可能原因。

图1b，c没有明确指出全球水文循环一直在加速，与独立测量的河流流量数据一致。 模型和观测结果显示，20世纪50年代降水量减少，过去20年后期恢复，与全球变暗和增亮周期相吻合。全球变暗是指由于1960年至1990年硫酸盐气溶胶的散射效应，观测到的地球表面太阳辐射的减少趋势。北半球的新有观测结果表明，从20世纪80年代后期开始出现了广泛的逆转，被称为全球亮化。 从20世纪50年代开始，降水显然没有跟随温度的快速升高而增加。 接下来，我们将研究驱动历史变化的物理机制，并检查主导驱动因素的影响是否可检测。

图1j 1901-2011年观测和模拟的平均气温和降水量。（a）-(c) 观测和模拟。（a）全球地表气温异常，

（b）北半球陆地和（c）1901-2011年全球年平均降水量异常。

地表气温观测资料来自于HadCRUT4数据集(http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadcrut4/)。

陆地降水数据来自GHCN(http://www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/) 和CRU_TS3.1高分辨率网格数据集(http://www.cru.uea.ac.uk/ cru/data/hrg/)。模型数据来自于IPCC AR5模型的集合模拟（有关详细信息，请参见补充表S1，以及补充图S1和S2）由所有历史外部气候强迫驱动。在a和b中，模型数据与观测结果有相同的空间覆盖范围。在参考期1961-1990年间的所有数据均通过归一化与观察结果一致

为了理解过程并确定全球水文循环中历史变化的主要驱动因素，使用具有不同强迫的HadGEM2-ES实验进行详细分析。 每个实验由四个成员组成，并相对于工业化前控制模拟的平均值计算集合平均值的异常。按照常规方法，图2显示了1900 - 2005年期间各种实验中的年平均降水量（Delta;P）〜温度（Delta;T）关系。 如图2a所示，仅在自然强迫（NAT）的影响下，温度和降水将在工业化前的气候状态周围波动。如果仅存在温室气体排放（GHG），则会出现更多变暖和降水增加。 当包括所有历史外部因素时，当它被广泛用于统计降尺度时，Delta;P ~Delta;T关系显然不是单值单调函数。 这种“U形”关系只有在考虑所有人为强迫时才能重现，包括人为气溶胶（ANT）。 如果人为气溶胶保持在工业化前的水平，温度和降水将与温室气体背景密切联系，除了大火山爆发的年份（图2b）。在历史模拟过程中，降水量的减少主要发生在1940 - 1970年间，之后开始恢复，与估计的历史硫排放和全球变暗/增亮相一致。本研究中使用的其他模型进行的模拟显示，在包含所有外部因素的同一时期内发生了类似的变化，并且还表明，当仅考虑温室气体排放时，全球水文循环的历史变化没有很好地表现出来（补充图S1为不同情景下的个别模型）。

图2j 不同外强迫条件下模型模拟的气温与降水关系的比较。

（a）比较不同外强迫条件下的HadGEM2-ES模拟估计的Delta;P~Delta;T关系。（b）当人为气溶胶固定在工业化前水平时，模拟的Delta;P~Delta;T关系近似于用温室气体模拟的关系，这清楚地表明人为气溶胶导致历史全球平均降水量接近于零的趋势

全球水文循环的变化是由地表能量收支的扰动引起的。在比辐射 - 对流平衡相关的时间更长的时间尺度上（〜月），全球平均降水量必须通过蒸发来平衡：

LDelta;P= Delta;R_Lnet Delta;R_Snet - Delta;Q_S Delta;R_TOA (1)

其中L表示潜热常数，Delta;P表示全球平均降水量的变化，Delta;R_Lnet表示净地表长波辐射，Delta;R_Snet是净地表短波辐射，Delta;Qs是显热通量和Delta;R_TOA是大气顶部（TOA）辐射不平衡。净地表辐射收支在显热（Delta;Q_S）和潜热（Delta;Q_L）通量和海洋热量吸收之间划分，当对大气热容量忽略不计，可以通过TOA辐射不平衡（Delta;R_TOA）近似。图3a显示了ALL模拟中上述项的演变。海气温差的降低导致表面显热通量的小幅下降，海洋热量吸收的变化很小。能量收支由两个辐射项主导。由于气溶胶排放导致的净向下短波辐射减少（总云量也在减少），从而导致地表能量不足，从而抵消了由于温室气体排放导致的地表净向下长波辐射的增加和二十世纪中叶水文循环的减。表面短波辐射的长期减少是由人为影响驱动的，而负峰值则与火山爆发有关（图3b）。表面净短波辐射的减少类似于出射短波辐射中的TOA增加（图3c）。

最佳指纹识别是一种广泛用于检测和归因研究的方法，用于区分观测北半球陆地降水变化与温室气体排放，其余强迫（主要为气溶胶）和内部变率（方法）之间的关系。之所以选择北半球，是因为有更加全面可靠的降水观测资料，同时因为北半球人为气溶胶变化大。5年平均的北半球陆地降水的时间序列来自ALL和GHG模拟，根据GHCN数据集时间序列对八个模型的模拟进行了回归。我们关注的是1

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