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北美西南部向更干旱气候过渡的模式预测

Richard Seager, ^{1 *} Mingfang Ting, ¹ Isaac Held, ^2,3 Yochanan Kushnir, ¹ Jian Lu, ⁴Gabriel Vecchi, ² Huei-Ping Huang, ¹ Nili Harnik, ⁵ Ants Leetmaa, ² Ngar-Cheung Lau, ^2,3Cuihua Li, ¹ Jennifer Velez, ¹ Naomi Naik ¹

人为气候变化将怎样影响北美西南部干旱区的水文气候的这一过程会对其水资源的配置以及区域发展进程产生影响。这里我们的研究表明在气候模式中存在一个广泛的共识，即该区域在21世纪将会变干且应该已经开始向更干旱气候的过渡。若这些模式是正确的，那么在未来几年到几十年内，近几年多年干旱的级别或沙尘暴以及20世纪50年代的干旱将会成为美洲西南部新的气候态。

政府间气候变化专门委员会第三次评估报告（IPCC AR3）指出，尽管气候模式的结果存在较大的不一致，但是所有在参模式的集成平均显示在21世纪，副热带地区的降水整体有所下降^[1]。参与第二次国际耦合模式比较计划（CMIP2）中的模式模拟也显示有伴随CO₂含量的升高副热带有变干的现象^[2]。我们通过分析IPCC第四次评估报告（IPCC AR4）中在参的19个气候模式的历史降水，对未来副热带变干的情况进行了研究^[3]。未来气候预测采用A1B排放情景^[4]，其中CO₂排放持续增加至2050年并在此之后略有减少，从而导致到2100年CO₂浓度达到720ppmv。在给定历史气体的追踪情况和估测的太阳辐照度变化和火山活动以及人为气溶胶和土地利用（模式间存在些不同）这些参数和气候外强迫作用条件下，模拟1860-2000年期间的气候变化并对模拟结果进行了分析。这些模拟结果为21世纪的气候预测提供了初始条件。对每一个模式，通过对每一模式所有可用的模拟结果进行平均，计算了1950-2000期间的气候。研究表明各模式模拟的气候变化都偏离了所计算的这一气候平均值。

我们定义一个区域（如图4A方框中所示），称之为“西南”（包括125°W至95°W和25°N至40°N所有的陆地），包含了美国的西南部和墨西哥北部的部分地区。图1显示了所有模式1900-2098的区域平均下，模式的历史和未来的年均降水量与蒸发量的差值（P-E）。图中给出了模式P-E的中值，25%，75%的值以及P和E的中值。对于单个模式多模拟的情况，在计算贡献值之前，会对来自这些模拟的数据一起进行平均。P-E等于水汽随大气流动和（大陆上）流入径流的水量所引起的水汽辐合。

图1 经过滤的P-E距平，19个模式的中位数（红色），25%到75%的值（粉色）；P的中位数（蓝色），E的中位数（绿色）

模拟美洲西南部年均降水量与蒸发量差值的变化（125°W-95°W和25°N-40°N，仅限于陆地区域）,其值为19个模式的集成平均。历史时期采用了已知的和估计的气候外强迫因子进行模拟，而预测采用了A1B排放预估的情景来进行模拟。图中给出了19模式共同时期（1900-2098）内集成平均下P（蓝线）和E（绿线）的中间值以及P-E中位数（红线），25%至75%的值（粉色阴影）。每个模式的距平值（Anom）都是其模拟相对于1950-2000年的模式气候距平。结果通过6年的低通巴斯特沃斯过滤，强调了低频变化对水资源的重要性。该区域模式P-E集成平均在0.3mm/day左右。

多模式的集成平均的结果显示，于20世纪末21世纪初开始有向持续的更干气候的过渡。在集成平均值中，P和E都有所减少，但是前者减少的更大些。P-E主要在冬季有所较少，当P减小时E保持不变或略有减少，然而在夏季，P和E两者都有所减少。根据全球历史气候网的雨量资料计算可知该地区的年均P的减少量在1932至1939年（沙尘暴干旱）为0.09mm/day，在1948至1957年（20世纪50年代干旱）为0.13mm/day。P的集成中值的减少导致到本世纪中期P-E的减少量达0.1mm/day，而有四分之一的模式显示在本世纪的初期就达到了该值。

19个模式模拟的21世纪的每20年周期年均P-E相对于1950-2000年期间气候的差异如图2所示。几乎所有的模式都表明在美洲的西南部有变干且在整个世纪有着持续变干的趋势。19个模式中仅有一个模式有向更湿的气候过渡的趋势。早在2021-2040年期间用19个模式进行的49种单独预测中，也仅有3个预测显示有向更加湿润的的气候转换。图3给出了4个模式单独模拟的历史和未来降水的例子。

图2 降水量与蒸发量的差值距平（25°N-40°N ，125°W-95°W）

美洲西南部（25°N-40°N ，125°W-95°W，仅陆地区域） 的19个模式（左图）相对于1950-2000模式气候的年平均P-E变化。结果为本世纪每20年的平均值。集成成员的模式名称于左侧列出。黑点代表集成成员（在可用的情况下），红点代表每个模式的集成平均。

图3 经过滤的降水与蒸发差值距平（25°N-40°N ，125°W-95°W）mm/day

美洲西南地区（25°N-40°N ，125°W-95°W，仅陆地区域）的4个耦合模式相对于1950-2000模式集成气候年平均P-E变化。这是由已知和估测的气候外强迫因子对1860-2000年期间进行单独模拟以及用A1B气候强迫情景对未来气候进行单独预测的结果。由于没有将这些模式距平平均起来，因此这些时间序列提供了西南气候向更干状态的合理演变思路。图中这些模式分别为：美国国家大气研究中心协会气候系统模式（CCSM），美国地球物理流体动力学实验室气候 CM2.1模式（GFDL CM2.1），德国Max-Planck气象研究所模式（ECHAM5）以及哈德莱气候变化中心模式(HadCM3)，模式中使用了了6年低通巴特沃斯滤波器。

图4，A到C中的等高线为2021-2040这几十年期间P-E的与IPCC模式中其中一个模式,美国地球物理流体动力学实验室（GFDL）气候模式CM2.1模拟的1950-2000年间P-E的差值变化^[5]。总体来说，历史上大范围相对干旱的副热带区域会变得更加干燥，而较湿润、较高纬度区域则会变得更加湿润。除了美洲的西南地区，南欧-地中海-中东地区也在经历着严重的变干过程。副热带变干以及较高纬度变湿的这一模式是当前预测有别于未来气候模式的一个鲜明特征^[6]。

P-E（以米/秒计算）的变化（delta;）与大气水汽辐合的变化相平衡，即：

(i)

上划线表示为月平均，上撇号为偏离月平均，rho;_w为水汽密度，g为重力加速度，▽为水平散度算子。水汽辐合的变化分别来自平均气流和涡旋的贡献。前者为在计算水汽输送前大气流（u ）和比湿（q）的月均值，而后者主要与风暴系统中的高度变化的风场(u＇)与湿度场(q＇)相联系。水汽辐合为从大气层顶（p=0）到地表（p_s）的气压(p)积分。等式1中的平均风场和湿度场可以认为是它们的气候场（月平均流场和湿度场的年际校正可以忽略）。相应地，平均气流的贡献可以近似认为是1950-2000年间的气候环流相关的一部分（），使得气候大气密度增加，((delta;q），大气变暖的结果），另一部分则是由于环流气候(delta;u)的变化导致1950-2000年大气湿度（q_p）的气候变化。涉及平均气流和湿度场变化的非线性项均为相对较小的量。因此，等式1 可以近似为

(ii)

所以我们可以用GFDL CM2.1模式将P-E分解为如图4（阴影颜色）的三部分：（1）平均环流变化的贡献，（2）平均湿度变化的贡献，（3）涡旋的贡献。

代表湿度变化的平均气流辐合使低空质量辐合区的P-E有所增加，使低空质量辐散区的P-E有所下降，总体上加强了现有P-E的空间分布格局^[6]。该项帮助解释了蒸发较大，大气水汽辐散区和低的降水率的副热带洋面上P-E大幅下降的的原因^[6]。大陆上总体来说没有确切的地表水源，P-E必为正值且通过大气的水汽辐合来维持。在现代气候条件下，美洲西南地区上空大部分正的P-E由随时间变化的流场来维持，而平均气流会使水汽辐散。这里“湿度贡献”会造成P-E的下降，因为平均气流随湿度的增加加强了水汽辐散。在地中海地区上空有平均水汽辐散，而湿度的增加又导致平均水汽辐散加强和P-E下降。

可以由在1950-2000年期间相对湿度的变化近似估计洋面上空湿度变化对P-E的变化贡献^[6]。在21世纪初期，几乎所有大陆上空的相对湿度有所下降，尤以P-E已经有下降的区域的相对湿度下降明显。与洋面不同，陆面上空湿度变化对P-E的变化贡献不能用历史时期相对湿度的变化来近似估计，这是因为陆面蒸发不能完全补偿由随大气变暖使饱和湿度上升而造成的相对湿度变化，而在洋面上的蒸发能够满足。在当前的条件下模式模拟的陆地上空的和由历史时期相对湿度变化估计的湿度变化对P-E变化的贡献有明显区别。

即使在没有湿度变化的情况下，通过大气环流的变化使平均水汽辐合发生改变也能维持P-E的降低（图4A）。“平均环流贡献”导致在副热带地区的北部边缘地区（例如地中海地区，30°N的太平洋和大西洋和北美的西南部）的P-E有所下降。尽管由瞬变涡旋作用造成的水汽辐合变化(图4C)使得南欧和副热带大西洋变干和较高纬度的大西洋变湿，但并没有对北美产生确切的和大的影响。

副热带平均环流贡献的很大一部分，尤其在冬季，是由于平均纬向环流（在图中没有显示）的变化所引起的，表明哈德莱环流和温带平均经向环流的变化对P-E影响时很重要的。湿度和平均水汽辐散的增加，大气环流的变化以及涡旋作用对水汽辐散的加强引起了包括北美西部和地中海在内的副热带地区变干。对西南地区来说，年均P-E减少0.086mm/day，其中大部分是由于平均气流的水汽辐散增加造成的。环流变化造成P-E减少0.095mm/day，湿度变化造成P-E减少0.032mm/day。这些变化略有被瞬变涡旋对水汽辐合的加强造成P-E增加的0.019mm/day所抵消^[7]。

模式模拟显示，在21世纪哈德莱环流的向极边缘和中纬度西风带有向极移动^[8-10]。由于哈德莱环流的下沉支引起了干旱，故副热带干旱区域跟随环流下沉支向极扩展。模式中哈德莱环流向极边缘的极移可能是于印度太平洋地区热带海温（SSTs）的升高^[11]和均匀地表变暖^[12]所迫使的。后者的作用是确切相关的，这是因为在AR4模式中地表变暖的空间模式在远离极点的情况下是十分均匀的。哈德莱环流极移现象可以由湿热力学定论来解释^[13,14]，即对流层静力稳定度的增加会使哈德莱环流向极侧的副热带急流斜压不稳定趋于稳定。因此哈德莱环流会向极扩展（它的边缘垂直风切变加强）到一个新的纬度，使该纬度的切变能够成功补偿由静力稳定度的增加而对斜压不稳定起到抑制作用。

尽管稳定度的增加很可能是解释哈德莱环流向极一侧极移的重要组成部分，但是在全球变暖的背景下，一个令人完全满意的纬向平均大气环流向极移动理论必须能够解释平均环流（哈德莱环流和中纬度的费雷尔环流）与瞬变涡旋^[13,14]之间复杂的相互作用，它们之间的相互作用决定了各地未来降水增减的分布。然而，不是所有在北美西南部和地中海地区变干现象都可以由环流纬向均匀变化过程解释，对变干现象的完整解释需要关注局地风暴轴和驻波对水汽输送的影响。

据记载发生在北美洲6个严重的多年干旱（使用气候模式）都归因于热带地区海平面气温的变化，尤其是热带太平洋中类似持久性拉尼娜的海平面温度分布^[15-19]。对未来西南地区干旱加剧的气候预测是由不同过程造成的，因为模式对热带海面温度的响应不同于人为强迫。换句话说，这是由于湿度的增加导致水汽辐散加强和包括向极扩张的副热带干区在内的大气环流的变化。模式指出，副热带大陆变干即将发生或已经开始，且这不同于我们在记载中所看到的任何一种气候态。它也区别于同样由于热带海平面温度的变化^[18,23]而造成在中世纪期间困扰美洲北部数十年的特大干旱^[20-22]。未来最严重的干旱将发生在持久性的拉尼娜事件中，但它们将会比中世纪以来任何一次的干旱状况都要糟糕，因为拉尼娜条件会扰乱一个比最近经历的任何状态都要干燥的基态。

图4 水汽辐合变化的贡献（2021-2040）-（1950-2000）

图中给出了2021-2040年P-E年平均值与1950-2000年期间的差值[等值线图（A）到（C）]以及（A）平均环流变化，（B）比湿变化，（C）瞬时涡旋对水汽辐合垂直积分变化的贡献（颜色；负值表示水汽辐散增加），以上为GFDL CM2.1模式输出的结果。图（A）所示方框区域为定义的“西南”地区。

参考文献：

[1] U. Cubasch et al., in Climate Change 2000–The Scientific Basis: Con

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