北极平流层冬季内温度十年际变化形势的差异外文翻译资料

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最近的平流层温度趋势之谜DavidW.J.Thompson1,DianJ.Seidel2,WilliamJ.Randel3,Cheng-ZhiZou4,AmyH.Butler5,CarlMears6,AlbertOsso7,CraigLong5 amp; Roger Lin5

摘要：基于卫星辐射后处理的中上和平流层温度的新数据集提供了1979 - 2005年期间平流层气候变化的观点，与早期数据集提供的观点截然不同。 新的数据呼吁我们对观测到的平流层温度趋势和我们测试平流层对温室气体和臭氧消耗物质排放反应模拟的能力提出质疑。 在这里，我们强调了新数据提出的重要问题，并建议气候科学界如何解决这些问题。

臭氧消耗物质和温室气体的人类排放物的辐射效应已经驱动了明显的大气降水天文台风1-5。已经认识到分区消耗已经在较低的平流层（大约15-25公里）内引起了冷却的主要作用;据信，使沼泽气体驱动冷却 在中上层平流层（约25-50公里高度）2。 平流层温度变化显示了对自然和人为气候强迫的气候反应之间的区别6。尽管在科学或政策领域中没有广泛讨论，但是人为排放对气候系统的影响的基础空间冷却是基础的表面温暖化。

不幸的是，平流层温度的观测是有限的。 表面温度记录延续了一个世纪，并且从多个数据源7导出。 相比之下，同温层温度记录仅跨越几十年，并且源于少数数据源3,4。 无线电探空仪（气象气球）测量可用于低层平流层，但不延伸到中间和上平流层3,8。 激光雷达（光检测和测距）测量中心和上层空间

空间和时间采样3,9。从长期平流层温度的观测来源于地球大气发射的长波辐射的卫星测量。最长时间运行的记录是由微波发射单元（MSU）提供的，微波声束单元（AMSU）和恒星声道单元（SSU）.SSU和MSU仪器不连续系列的NOAA极化轨道从1978年到2006年; AMSU仪器已在船上飞行NOAA卫星从1998年中期至今。MSU，AMSU和SSU温度测量不表示离散高度水平处的温度，而是表示由适当仪器的加权函数描述的连续的海拔高度上的平均温度（参见例如参考文献4中的图2 ）。 最高可用MSU信道（MSUchannel4）的加权函数在20km高度附近的低层平流层中达到峰值。（SSU通道1），35-45km（SSU通道2）和40-50km（SSU通道3）的SSU在加权函数中的位置。低平流层温度的连续时间序列是通过将载有1978 - 2005年MSU仪器的卫星和1998年至今的AMSU仪器的测量结果推导出来的。 低同温层MSU和AMSU数据已经由不同的研究组处理和组合：远程感测系统（RSS）10，阿拉巴马州 - 汉斯特维尔（UAH）11大学NOAA卫星应用和研究中心（STAR）12。 的处理方法和产生的低平流层温度数据已经在同行评议的文献中广泛公布。从三次平流层MSU产物得到的全球平均低平流层温度彼此相似（图1d中的红色，紫色和绿色线（图1d中的红色，紫色和绿色线）在图1h中再现以便于与模型模拟进行比较， ;分别于1982年和1991年开始的大型生活温暖区分别引起了火山爆发的火山爆发。 它们也非常类似于低平流层

从无线电探空仪数据估计的温度3,4。 三个MSU低平流层全球平均温度时间序列之间的差异大于与全球平均气温的单独估计相关的差异4。与如下所示的主要SSU产物相关的MSU时间的比较。

谜

相互矛盾的证据

连续时间序列的中上层平流层中的温度回到1979年仅基于数据（AMSU数据也采样中上层平流层，但仅在1998年以后可用）。 SSU数据需要对几个独特问题进行校正，才能用于气候研究（参见参考文献4中的讨论）。例如，（1）二氧化碳的仪器相关性细胞压力调节器确定二氧化碳的平流层辐射的发射，随着时间的推移，导致测量的纬度变化;（2）中间和上部的大气热量和除颤校正在连续卫星任务之间的幅度相对较大平流层（3）大气二氧化碳的长期增加影响仪器的加权函数;和（4）在几对连续卫星之间没有重叠周期。

图1 自1979年以来的全球平均同温层温度异常。

显示了指示的高度范围，数据集和模型输出的月平均值，全球平均同温层温度异常的时间序列。 红色，蓝色，绿色和紫色线表示基于观察的结果（观察结果在左侧和右侧图中再现）。 a-h，灰线表示通过CCMVal2归档（a-d）和通过CMIP5归档（e-h）可用的AOCM运行可用的耦合CCM运行的结果。 模型运行列于表1，并使用适当的仪器加权函数9,15转换为SSU和MSU时间系列。 绘制时间序列，以使它们的1979-1982平均异常为零。 注意，几个CMIP5模型在中和高平流层高度处具有差的垂直分辨率。 由于这个原因，更多的模型模拟在低于平流层上层的情况下可用（见表1）。

SSU数据最初是由科学家在1980年代进行气候分析进行处理的，14。进一步在2008年进行了修订，以改变大气组分的时间变化15。然而，用于开发Met Office SSU产品的方法学从未在同行评审文献中公布，原始处理的某些方面仍然存在 未知。 因此，NOAA STAR最近对SSU温度进行了再处理，并发表了同行评审文献中的完整处理方法和结果数据

然后，新的数据库被用于评估原始Met Office SSU数据的可重复性的有价值的独立资源。但是，随着新的研究提出了对于最近的平流层温度趋势的显着不同的观点（比较图1a-c中的红色和蓝色线;图1a中的红色和蓝色线，关于在完成比较模型模拟中的红色和蓝色线，如下所讨论的） - 最高的温度SSUchannel（SSUchannel

1. 在Met办公室和NOAA数据集中相对相似。但是对于对中间同温层（SSU信道1和2）采样的SSU信道不能说同样的。通道1和2（约25-45km）中的全局平均冷却仅仅是在Met Office数据集（图1和图2）16中设置的数据集。 NOAA和Met Office频道1和2的全球平均时间序列之间的差异从时间上是不同的，但是从大约1985到大约1985年的差异.NOAA和Met Office全球平均时间序列之间的差异如图5所示。 1是如此之大，他们对我们对观测到的中上层平流层温度趋势的基本理解提出质疑。

断开观察和模型之间的连接

当观测与使用气候模型模拟过去几十年的平流层气候变化的尝试相比较时，这个故事进一步混乱。 通常用于过去气候模拟的两类气候模型是化学 - 气候模式（CCM）和耦合的大气 - 海洋全球气候模型（AOGCM）。根据定义，CCM明确模拟平流层化学过程，而AOGCM明确模拟耦合大气 - 海洋相互作用。原则上，耦合的化学 - 气候模型也可以模拟耦合的大气 - 海洋相互作用，反之亦然。但是由于计算限制，大多数当前CCM不是AOGCM，反之亦然。与本讨论相关的模型类之间的关键区别在于，通常CCM比AOGCM更完全地解决了平流层。

通过CCM验证活动（图1a-d和2a-d，来自CCMVal2项目的结果;参见表1和参考文献17），可以获得受人为排放的时间历史迫使的CCM的模拟。 在40和50km（通道3）之间，来自两个SSU产品的全球平均温度趋势显示比CCM模拟的更多的冷却（图1a和2a;模型温度由适当的卫星加权函数）。 在大约35和45km之间（通道2），Met Office版本的SSU数据表明模型高估了观测到的平流层冷却，而NOAA SSU数据表明模型低估了它（图1b和2b）。 最显着的差异在约25和35公里之间（通道1;图1c和2c）。 如参考文献4和18所示，Met Office SSU数据与当前生成的耦合数据有合理的一致性CCMs。如图1a-d和2a-d所示，冷却

图2 1979年至2005年全球平均温度的趋势

针对所示的高度范围，数据集和模型输出，显示月平均趋势，全球平均同温层温度。 观察到的趋势由红色，蓝色，绿色和紫色垂直线表示（观察到的趋势在左图和右图中重现）。 归一化的红色，蓝色，绿色和紫色概率分布函数指示趋势估计上的置信范围，考虑在相应时间序列中的有效自由度数（例如，95％置信界限对应于 跨越分布函数的中间95％的区域）。 a-h，黑条显示通过CCMVal2归档（a-d）和通过CMIP5归档（e-h）可用的AOGCM运行可用的CCM运行的趋势的直方图。 每个temperatureTrendbinis0.01Kperdecade宽。 模型运行的总数在表1中给出。

在新的NOAA SSU通道1数据几乎是大多数CCM模拟的冷却的两倍。

当对全球平均层温度的观测与为即将到来的IPCC第五次评估报告（图1e-h和2e-h）准备的AOGCM的模拟进行比较时，出现了类似的情况;结果来自耦合模型比较项目阶段5模拟 ，CMIP5;参见表1）。 大多数CMIP5模型不是耦合的CCM，并且在平流层高度的垂直分辨率比CCMVal2存档的模型小得多。 由于这个原因，相对较少的CMIP5模型运行包括SSU通道2和3采样的高度。

CMIP5模型和观察结果之间的差异与在所有SSU通道中与CCMVal2模型相关联的那些相当（图1e-h和2e-h）。 CMIP5型号表明在大约40-50公里（通道3）比两个SSU产品显着更少的冷却;在两个SSU产品之间大约35-45km（通道2）; 并提供比在大约25-35公里（通道1）的NOAA SSU数据更接近Met Office SSU数据。

有可能模型是正确的，并且两个SSU数据集都有误差。 但是CCM和AOGCM也表现出较小的但系统的差异与在较低的平流层中的观测，其由MSU通道4仪器采样（图1d，h和2d，h）。 除了少数例外，模型低估了低层平流层长期冷却的幅度（图1d，h和2d，h），难以模拟对El Chichon和皮纳图博火山喷发的响应幅度 1d，h）。先前的研究已经报道了MSU通道4数据和CCMVal2模拟18中的趋势之间的紧密一致性，但是在特定高度水平的MSU通道4温度和模型输出的观察之间进行这些趋势比较（即，模型趋势显示为函数 并且不在MSU通道4加权函数上平均;参见例如参考文献18中的图2）。来自不同SSU数据源的趋势的纬度分布与通过当前一代CCM模拟的纬度分布也明显不同（图3）。 Met Office SSU数据表明，过去几十年的降水与纬度相对统一（图3a-c）。与此相反，NOAA SSU数据表明最大的平流层降温发生在热带纬度地区，特别是在25公里和45公里之间 红线在图3a-c）。 Met Office和NOAA全球平均同温层温度趋势的差异主要来源于热带纬度。模式所示的热带平流层冷却明显弱于中上层平流层的NOAA SSU数据所示（图3a- c），并且通常比在较低热带平流层中的所有MSU通道4产物指示的弱（图3d）。什么可能导致热带平流层降温？ 增加二氧化碳的辐射效应在40公里高度以下是适度的。 相反，在由SSU通道1采样的高度，长期热带冷却最有可能由异常上升运动（其通过膨胀降低空气温度）或原位臭氧损耗（其通过减少短波的吸收而降低温度）辐射。 这两个过程密切相关：上升运动通过从低海拔垂直输送低臭氧空气而导致低层平流层中的臭氧减少。 这两个过程也可能涉及最近的平流层气候变化。

热带平流层中的上升运动作为大尺度赤道到极点的平流层质量循环的一部分发生。大量耦合的CCM表明，增加的温室气体加速了平流层质量循环19-24。这种加速度预计将以热带平流层臭氧和温度（特别是在低层平流层），观察表明这两种变化都在发生。地基和卫星测量表明，在过去几十年中，热带低层平流层臭氧以与CCMs 25,26预测的速度相当的速度下降，无线电探空资料表明，自1979年以来，热带低层平流层温度已经下降3,27-29和NOAA SSU数据表明这种热带冷却延伸到中上和平流层（图3）。 （原则上，质量循环的加速度也应该标记为由于在那里的异常向下运动而引起的热带平流层中的温度和臭氧浓度的增加，但是在热带纬度地区的质量循环的影响与极地平流层化学臭氧消耗在南半球 - “地中海区域” - 并且由于北半球年度气候变化的天然高水平）。

如果新的NOAA SSU数据是正确的，他们建议平流层质量循环正以比CCM预测的更高的速率加速，至少在中和上平流层（即在SSU仪器采样的高度） 更重要的是，模型是可能的，并且SSU数据是错误的。但是，热带平流层模拟和观测到的冷却的量值之间的差异扩展到MSU通道4，其采样低平流层， 展示了从一个数据集到下一个（图1d，h，2d，手3d）可以相当可重现的趋势，表明不应该折现模型不确定性。

图3 南北结构的区域平均平流层1979年至2005年的温度趋势。a-d趋势的月平均，纬度平均同温层温度显示的高度范围，数据集和模型输出。 误差棒近似于95％置信界限

进一步探索这个谜

模型是否缺少平流层气候变化的关键方面？或者新处理的NOAAdata有错误哪些SSU数据集是正确的？ 或者都是错误？

平流层温度趋势的纬度结构受辐射过程和同温层质量循环变化的影响。 如上所述，平流层质量循环19-24的预测加速度应导致在热带纬度的增强的平流层冷却，并且在NOAA SSU数据和CCMVal2模拟中都在中和上平流层中发现这种冷却（图3 ）。 然而，预测加速度的大小没有很好地受理论约束，并且趋势的纬度结构表现出从数据集到数据集的相当大的可变性，以及较小程度的模型到模型30（图3）。 平流层大规模循环的趋势很难检测和预测。

相比之下，全球平均同温层温度的趋势相对简单，以定量限制。 平流层质量循环对温度趋势的影响在全球意义上的温度是可以忽略的，因为上下运动的区域平均出来。 因此，全球平均同温层温度的趋势几乎完全由平流层组成变化的辐射效应驱动，主要是二氧化碳和臭氧浓度的变化，以及水蒸气，气溶胶和其他微量气体浓度的变化。 如果NOAA SSU数据是正确的，则CCMVal2和CMIP5模型都可能缺少平流层组成的关键变化。

什么可能导致观测到的和模拟的全球平均同温层温度之间的差异在这里突出显示？二氧化碳的平流层浓度的长期增加可能受到观测和模型的很好约束，因为二氧化碳主要是惰性的，因此在大气中充

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