近几十年区域气溶胶—云辐射强迫不确定性的气候重要性外文翻译资料

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近几十年区域气溶胶—云辐射强迫不确定性的气候重要性

LEIGHTON A. REGAYRE, KIRSTY J. PRINGLE, LINDSAY A. LEE, ALEXANDRU RAP, JO BROWSE,

GRAHAM W. MANN,* CARLY L. REDDINGTON, AND KEN S. CARSLAW

气溶胶辐射强迫的区域模式对理解年代际气候变化而言是非常重要的。由于生命期较短且排放不均匀，气溶胶强迫的不确定性随空间和时间改变。本文中定量计算了1978年至2008年间区域气溶胶—云反射效应强迫（CAE）对31种气溶胶过程参数的敏感性以及气溶胶的排放通量。在计算辐射收支平衡时不确定参数造成的影响具有时空依赖性，符号相反的区域不确定性的贡献在计算全球平均强迫时相互抵销了，掩盖了某些参数的区域重要性，在近几十年间全球能量平衡不确定性中贡献甚微的某些参数可能对区域强迫变化有重要影响。我们计算了地表气温影响大尺度气候效应的11个气候重要区的气溶胶强迫敏感性。东太平洋CAE强迫的大量模拟不确定性可能表明明显的ENSO平均态转换是由多年代尺度的气溶胶强迫信号造成的。一个极有可能的热带北大西洋负的气溶胶CAE强迫给（北半球气溶胶排放减少）和（年代尺度上大西洋飓风主要发展区CAE对海表温度的强迫）之间的关系带来疑问。CAE强迫的模拟不确定性在北太平洋很大，表明CAE在调节太平洋热带风暴的频率和强度的作用也具有很高的不确定性。

1.引言

气溶胶通过吸收和散射太阳、地表辐射来影响地球气候（twomey 1977;boucher et al.2013）。在给定液态水总量下，云滴数浓度增加造成有效半径减小——以此为特征的CAE是气溶胶—云相互作用过程中的最大分量。CAE强迫量级的不确定性主要由在现有的全球气候模式下气溶胶净辐射强迫的不确定性造成。

regayre等人认为人为气溶胶排放通量和气溶胶过程参数是近几十年全球平均CAE强迫模拟的方差的最主要来源；然而，全球平均CAE强迫的置信区间比大气中CO₂浓度变化造成的强迫的量级小。regayre等人认为在计算近几十年全球平均CAE强迫时，多模式集合下的CAE强迫差异很大程度上取决于由单个模式计算时区域性的正负强迫相互抵销。

如全球平均地表温度这样的大尺度气候反馈的量级，对区域性强迫的空间位置很敏感，这使得理解区域尺度上的CAE强迫变得重要。本文中我们旨在确定气溶胶过程参数和排放通量（后文称参数），这是区域平均CAE强迫方差的最大分量，同时也可能对今后几年的气候全球平均强迫造成影响。

我们比较了regayre等人的全球平均CAE强迫结果和解释了区域正负强迫相互抵销的一份分析。我们在11个区域计算了CAE强迫对31种气溶胶参数的敏感性，在这些区域CAE强迫有可能引起大尺度气候效应，如季风强度、热带风暴的发展以及降水。这里进行的统计学分析说明了应当优先进行气溶胶研究和模式发展这一观点，以便能减少近期气候项目中区域CAE强迫不确定性带来的影响。

1. 方法
2. 扰动参数集合

regayre等人利用全球气溶胶过程模式（GLOMAP）产生了此次研究中所用的扰动参数组合。每个组合的分辨率是水平2.8°times;2.8°，垂直方向上从地表10hPa被分为31层。GLOMAP是TOMCAT化学传输模式的一个拓展。同时扰动31种气溶胶过程参数和排放通量以产生组合。利用186个点、跨越31维不确定参数空间的极大极小拉丁超立方抽样产生一个参数组合设计。regayre等人使用的不确定参数的概率分布是由lee等人通过专业抽样更新确认的。为了确保专家们认为的参数空间的重要区域均被覆盖，我们在组合中进一步做了所有参数均设为中位数的模拟。

在用于产生组合的GLOMAP版本里，各年的三维大气场及云的分布来自2008年ECMWF的临时再分析资料。低层云由ISCCP D2数据规定。模式输出的气溶胶受云过程和降水影响，但模式输出的气溶胶的变化不会改变大气、传输及云的形态。这些模拟利用来描述人为气溶胶排放。ACCMIP中使用的及部分CMIP5试验中规定的排放情景被用来规定此次模拟中的人为气溶胶排放。这样的实验设计保证了每个组合中模拟的CAE强迫的改变由参数扰动唯一引起。

成对的一年模拟用于计算月、年平均CAE强迫。除每年均明确规定的人为气溶胶排放之外，相同的模式配置用于每一对的模拟。和carslaw、regayre等人相同，这里将CAE强迫定义为两年间大气层顶净辐射通量的变化。CAE强迫值使用edwards、slingo的辐射传输模式的离线版本、通过修改600hPa以下的中低层云的云滴有效半径来计算。因为使用了ISCCP D2 2000年的地表反照率和云的光学厚度，r_e也相应地修改为由该年的值推导出的结果，在这里用上标ref表示：

这里CDNC指模式中每一网格框内的月平均云滴数浓度。我们利用月平均的气溶胶分布和组成以及云滴活化参数化来计算每一个组合中网格框内的CDNC。令常数r_e^ref=10micro;m以确保和ISCCP检索的一致性。1978至2008年间每一年的CAE强迫值被看作是相较于2000年的实验组。regayre等人表示2000年参照组模拟的云净辐射效应和CMIP模式输出结果一致。

1. 敏感性分析

利用被验证过的贝叶斯模拟器可以对187个参数进行扰动模拟，其结果可用来分析网格框中CAE强迫的敏感性。每一个网格框内的模拟器都可以提供CAE强迫在31维参数空间上的任意点处的统计近似值。用全球平均的CAE绝对强迫进一步模拟，即使用各网格框内的CAE强迫绝对值来求全球平均，以此来消除符号相反的区域强迫相互抵销的影响。这一方法使我们即使在参数变化造成全球平均计算中正负强迫抵消的情况下，依旧可以使用唯一的全球值来定量各个参数的重要性。

Lee (2011, 2012, 2013), Carslaw (2013), Hamilton(2014), 和 Regayre 等人(2014)成功地在GLOMAP模式中使用了贝叶斯模拟器。由于模拟器只用模拟所需时间的一小部分来输出结果，多维相应面可以准确定量每个参数的方差贡献和统计相互作用。因此可以获得并利用大样本来产生概率分布。这里使用有10000个模拟器抽样点的扩展傅里叶振幅敏感性测试（FAST）抽样方法来获得每一次蒙-卡洛式灵敏度分析所需要的数据。

3a部分将比较全球平均绝对CAE强迫敏感性分析和regayre 等人的全球CAE强迫敏感性分析的结果。3b部分将讨论区域敏感性分析的结果及其气候重要性。这里的敏感性分析使用月平均，而非年平均的CAE强迫，来避免不同月季中符号相反的强迫相互抵销。在对这些结果的讨论中，考虑最多的统计值是月平均CAE强迫方差的减少，而如果参数问题清除，这也是可以预料的。由每个网格框中明显的CAE强迫的方差贡献占区域总强迫的比例，可以得到每个月平均区域强迫的贡献。区域内CAE强迫不确定性采用CAE强迫的平均90%的置信区间，即利用每个网格框中5%和95%处的值来计算平均置信区间。只使用2d部分总结的CAE强迫具有气候重要性的月份来计算区域平均强迫及置信区间。

C.时间区间

这里使用了regayre等人分析全球CAE强迫不确定性所用的1978至2008年间的187个成对的扰动参数模拟的集合来分析区域CAE强迫不确定性。1978至2008年间产生了由长期人为排放下的空间不均匀性造成的正负CAE强迫截然不同的区域。1978年，全球人为硫酸盐排放达到顶峰，之后在欧洲和北美下降，而在亚洲有明显增长。当前的卫星观测揭示了这些人为排放区域趋势的持续。模拟显示，和工业化前的时代相比，亚洲人为排放带来的区域气溶胶强迫在几十年间都没有达到峰值，说明1978至2008年间的CAE强迫敏感性分析有利于研究将来的气候不确定性。图一展示了和1850年相比，全球CAE强迫的时间序列，其结果由所有参数设为中值的模拟产生。全球平均CAE强迫趋势在1980年代达到高值区，使1978至2008年间相对于1850年的强迫变化呈中性。

D.大尺度气候效应

由SST观测值初始化的全球模式提高了区域气温、降水的年际可预报性。可信的大尺度气候效应预报依赖于良好的SST模拟，而这又需要可靠的CAE模拟。改变人为气溶胶排放可能会引起降水和区域大气环流中特定气溶胶的变化。

CAE强迫大的区域不确定性会强烈影响SST，并因此阻碍气候效应的准确模拟，进而对地球上的绝大部分人口造成影响。表一和图二表明了此次研究区域构成中的11个区域的地点（R1—R11）。区域的选择基于其改变SST和/或其地表大气温度（SAT）影响大尺度气候效应的潜力。3b部分展示的区域CAE强迫敏感性分析分别被限制于海洋或大陆陆地环境中。热带地区的外部强迫比极地强迫更易于引起全球气温响应。无论如何，人们认为，这部分所概括的CAE强迫不确定性的减少带来的气候效应模拟中不确定性的减少将提高近期的气候预测。

1. 赤道辐合带和荒漠草原降水

赤道附近的上升气流向极输送，并在副热带干燥区下沉，组成了哈德勒环流。哈德勒环流的结构决定了对地球水分循环和能量平衡很重要的副热带干燥区的位置。观测证据显示哈德勒环流在近几十年有所拓宽，而这一点是温室气体引起的全球变暖无法解释的。哈德勒环流上升支所在的ITCZ的宽度和位置在决定哈德勒环流的结构中占据重要位置。

赤道SST的梯度决定了大西洋ITCZ的位置和宽度，而后者又影响着附近区域的雨型。上世纪北大西洋SST相对于南大西洋的异常冷态和ITCZ的南移以及荒漠草原的干旱期有关。在SST影响邻近区域降水的遥相关中，北大西洋SST在温带和赤道的显著差异是重要的成分。南大西洋SST由于上世纪温室气体浓度增加而迅速升温，人为气溶胶的排放使北大西洋避免了这一点。但是自二十世纪七十年代末以来，由于北半球的人为气溶胶排放减少战略，大西洋海域的SST梯度也有所下降。

booth认为气溶胶强迫会降低北大西洋SST和大西洋经向翻转环流（AMOC）所驱动的变化之间的关系，这表明工业革命以来气溶胶浓度的变化可能是SST的主要影响因素。人为气溶胶和AMOC在决定北大西洋SST中的相对重要性依旧不明朗，但dunstone等人揭示了模式中CAE强迫的量级和其决定大西洋SST时的程度之间的关系。因此寻找大西洋中CAE强迫不确定性的来源会解释多模式下SST差异的可能来源。

1. 热带风暴发展区

热带风暴可能会造成可观的社会经济损失，因此减少临近事件模拟中的不确定性是很有价值的。利用观测到的北大西洋SST进行的气候模式模拟可以再现热带风暴概率方差，人为气溶胶可以造成北大西洋SST的年代变化。有证据表明可以通过提高模式中气溶胶辐射强迫的再现来减少近期热带风暴的频率的不确定性。

除ITCZ位置及荒漠草原降水区域之外，SST也影响北大西洋热带风暴的发展，这使得定量CAE强迫在这些区域的不确定性变得更为重要。太平洋SST同样也受人为气溶胶排放改变的影响，尤其是在亚洲。度量太平洋年代振荡位相的指标和热带风暴带的宽度具有很大的和人为气溶胶相关的不确定性。作为对亚洲人为气溶胶排放增长的响应，大气温度和SST的变化是近几十年太平洋热带风暴频率和强度增加的一个可能的原因。

1. 亚洲夏季风

亚洲夏季风由大部分大陆被强降水覆盖来定义，在夏季提供亚洲一些地区年降水量的70%。SST和大陆SAT的差异大小和ASM的强度有关，近几十年海陆差异的减小（很大程度上归因于人为气溶胶排放）很大程度上抵消了ASM的加剧，而后者被认为是由和大气中温室气体浓度增加有关的正强迫引起的。观测到的证据显示，由于一个弱的ASM，华南出现了比中国北方更大的ASM降水分量，这可能会引起洪涝灾害和更严重的大气污染。

大量人为硫酸盐气溶胶浓度在每年早期从亚洲输送过印度洋，人为排放造成了印度ASM降水减少。CAE对印度洋SST有显著影响，极大地抵消了该地区工业时代早期的CO₂正强迫。因此CAE强迫部分造成了早期ASM的开始，并由此导致夏季风开始时印度次大陆的强降水和北半球夏季剩余时间的降水减少。

1. ENSO循环

除了季节循环，ENSO循环是气候变化里最重要的模态。ENSO循环的厄尔尼诺位相导致赤道东太平洋SST的异常增暖，并伴随着信风的翻转和太平洋海域循环的减速。

因为气溶胶似乎在多年代时间尺度上和SST有强烈的函数关系，所以尽管没有建立CAE强迫和ENSO方差之间的联系，本文中还是考虑了ENSO信号显著的区域的气溶胶强迫的量级及其不确定性。决定ENSO位相的平均SST的变化也许实际上反映了当地强迫造成的变化。作为气溶胶强迫信号的结果，定量这些区域中CAE强迫的不确定性会建立起年代时间尺度上ENSO平均态的潜在转换开关。

5）北极

在过去的几十年间，北极地区经历了比地球表面其他地区更严重的增暖。北极的许多增暖可以归咎于冰—反照率反馈过程，融化的冰面降低了反照率，又因此导致了更大的增暖。gillett等人证明近几十年来人为排放在使北极增暖的过程中扮演了至关重要的角色。从北美和欧洲输送到

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