發布時間：2020-05-09所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要本文利用12個CMIP5氣候模式的風場資料，采用全球大氣環流三型分解模型中的經圈型環流流函數，研究了地表以下虛假的風場資料對北半球夏季Hadley環流空間模態及下沉支位置未來預估的影響。結果表明：在計算Hadley環流的流函數時，由于垂直積分過程會將地表
摘要本文利用12個CMIP5氣候模式的風場資料，采用全球大氣環流三型分解模型中的經圈型環流流函數，研究了地表以下虛假的風場資料對北半球夏季Hadley環流空間模態及下沉支位置未來預估的影響。結果表明：在計算Hadley環流的流函數時，由于垂直積分過程會將地表以下虛假的風場資料所帶來的誤差傳遞至整層的流函數，從而導致北半球夏季Hadley環流的空間模態中存在虛假的“小環流”，該“小環流”會導致Hadley環流下沉支位置的誤判，并對下沉支位置變化趨勢的準確計算產生較大影響;進一步的定量分析發現，在未來排放情境下(RCP8.5)，地表以下虛假的風場資料所引起的誤差會導致北半球夏季Hadley環流下沉支向極擴張趨勢的高估。
關鍵詞Hadley環流，經圈型環流流函數，虛假風場資料，空間模態，下沉支位置
1.引言
Hadley環流是全球大氣環流中強度最強、尺度最大的垂直環流，它在南北半球各有一個閉合的環流圈，其公共上升支與赤道輻合帶對應，下沉支與南北半球的副熱帶高壓帶相對應，引起南北半球的質量交換以及低緯度地區和中高緯地區的角動量、熱量和水汽交換[1][2]，在全球的天氣、氣候變化過程中起著十分重要的作用。
利用再分析資料的研究表明，近幾十年來，北半球冬季Hadley環流顯著增強[3][4][5][6]，下沉支位置顯著地向極擴張[7][8][9][10][11]，這導致赤道地區的上升運動和副熱帶地區的下沉運動的加強[12]，使得赤道地區云量和上層水汽增加，副熱帶地區的云量和降水減少，干旱加劇。同時，Hadley環流下沉支位置的移動會導致全球降水和氣溫的時空分布發生變化，對全球自然生態、農業以及水資源等產生重要的影響[8][13]。
此外，利用CMIP5氣候模式資料對Hadley環流氣候變化問題的研究表明，CMIP5模式雖能得到Hadley環流下沉支向極地擴張的結論，但是擴張的程度比再分析資料和觀測資料得到的結果小將近一個量級[14][15][16][17]。例如，Huetal.(2013)利用CMIP5模式模擬結果發現，在全球變暖背景下，Hadley環流在1979至2005年期間向兩極擴張了大約0.15˚，僅僅是再分析資料結果的六分之一[16]。因此，關于再分析資料和模式模擬的Hadley環流向極擴張的程度是否存在顯著差異仍需進一步的研究。
Mathewetal.(2016)利用4套再分析資料，通過研究1979至2012年Hadley環流的質量流函數演變特征發現，北半球夏季Hadley環流中存在一個反向的“小環流”，該“小環流”會引起Hadley環流下沉支位置的誤判[18]。然而，Chengetal.(2018)利用5套再分析資料的研究指出，北半球夏季Hadley環流空間模態中的“小環流”結構是由于計算Hadley環流的流函數時，未考慮地表以下虛假的風場資料的影響而錯誤引入的[19]。也就是說，再分析資料中，地面氣壓小于1000hPa范圍內的虛假風場資料會對北半球夏季Hadley環流空間模態的計算造成顯著的影響，從而導致Hadley環流下沉支位置的計算存在較大的誤差。
上述關于Hadley環流的空間模態及下沉支位置在計算過程中存在誤差的研究工作均是基于再分析資料開展的，關于模式模擬的研究未見報道。本文利用CMIP5氣候模式，通過分析模式模擬的Hadley環流的空間模態、強度及下沉支位置的變化趨勢受地表以下虛假風場資料的影響情況，研究未來排放情景下Hadley環流下沉支位置的長期預估結果受計算誤差的影響程度，為準確利用模式開展Hadley環流的未來氣候變化研究提供理論依據。
2.資料與方法介紹
2.1.資料
本文采用了12個CMIP5全球氣候模式(見表1)模擬的地面氣壓數據及月平均水平風場u、v數據，包括CMIP5全強迫歷史模擬試驗和RCP未來情景RCP8.5模擬試驗的結果，其中歷史模擬試驗的時間段為1979年至2005年，未來情景試驗的時間段為2040年至2099年。為了方便應用，所有的模式結果都被插值到2.5˚×2.5˚分辨率的水平網格上，垂直方向上取17層(1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、10hPa)。
3.結果分析
3.1.Hadley環流空間模態計算的差異
根據公式(1)計算Hadley環流的流函數時，若不去除地表以下虛假的vH風場資料，直接輸入經圈型環流的南北向速度場vH進行計算，由此得到的1979~2005年12個CMIP5氣候模式模擬的北半球夏季7月份Hadley環流空間模態如圖1所示。由圖1可看出，12個模式中有4個模式(BNU-ESM、FIO-ESM、NorESM1-M、NorESM1-ME)在北半球Hadley環流中出現了反向旋轉的“小環流”，其余模式雖然沒有明顯的“小環流”，但均呈現出雙中心的結構特征。
然而，我們觀察圖2發現，在計算Hadley環流的流函數時，若先去除地表以下虛假的vH風場資料，再代入公式(1)計算，得到的1979~2005年12個CMIP5氣候模式模擬的北半球夏季7月份Hadley環流氣候態中的“小環流”(如圖1中)結構消失，Hadley環流均呈現單中心的結構。對比圖1和圖2說明，地表以下虛假的vH風場資料對Hadley環流空間模態的計算影響顯著。以BCC-CSM1-1模式為例，在訂正計算誤差前，Hadley環流的流函數值在15˚N~37˚N范圍為正值，但在訂正計算誤差后，流函數值為正值的區域變為15˚N~32˚N，Hadley環流北支寬度和北半球下沉支位置均發生了改變，其他模式的結果也有類似的變化。
以上的結果表明，地表以下虛假的vH風場資料會對Hadley環流空間模態的計算產生誤差，特別是由此產生的虛假的“小環流”結構，會對北半球Hadley環流下沉支位置的準確計算產生重要影響。因此，在開展Hadley環流相關的研究時需要考慮地表以下虛假的vH風場資料所引入的計算誤差。
3.2.Hadley環流空間模態計算差異的原因
1979~2005年12個CMIP5模式模擬的7月全球緯向平均的北半球經圈型環流vH風場，在去除地表以下虛假風場資料值前后的差異如圖3所示。我們發現，vH風場的差異主要集中在對流層低層(700~1000hPa)，且以低緯度地區的南風和中緯度地區的北風差異為主要特征，而在700hPa以上的對流層中上層，vH風場的差異十分微弱。然而，觀察圖4中12個CMIP5模式模擬的1979~2005年7月全球緯向平均的北半球Hadley環流流函數的差異發現，雖然虛假的vH風場資料的差異主要存在于700hPa以下的對流層低層，但根據vH風場計算的Hadley環流流函數的差異卻是自地面到高空都存在，顯著地表現為30˚N以南的低緯度逆時針異常環流和30˚N以北的中緯度順時針異常環流特征。這說明經過公式(1)的計算，原來僅存在于低空的vH風場差異通過垂直積分過程影響了整層Hadley環流的空間模態。進一步的計算分析發現，北半球Hadley環流在夏季最弱，而地表以下虛假的vH風場資料所導致的如圖4所示的異常環流流函數的量級與誤差訂正前Hadley環流流函數的量級相當，而在其它季節，vH風場的差異引起的異常環流的量級遠小于Hadley環流本身，這就解釋了為什么在誤差訂正前只有在北半球夏季Hadley環流中會出現“小環流”結構。
3.3.Hadley環流強度、下沉支及寬度的差異
據公式(1)計算的Hadley環流的流函數，其負值代表南半球Hadley環流，正值代表北半球Hadley環流。因此，南北半球Hadley環流的強度分別定義為30˚S~30˚N范圍內流函數的極小值和極大值[23]，且用500hPa高度上流函數0值所在的緯度表示Hadley環流上升支或下沉支位置。記南北半球Hadley環流的上升支與下沉支之間的緯度數為其寬度，記南北半球Hadley環流的寬度之和為總寬度。由圖5中誤差訂正前后的對比分析可知，在CMIP5的歷史模擬階段，地表以下虛假的vH風場對各月份Hadley環流強度的影響都十分微弱。然而，由圖6(a)可知，虛假的vH風場使得6~9月份北半球Hadley環流下沉支位置的計算存在較大程度的北移誤差。圖6(b)說明，6~9月份北半球Hadley環流下沉支位置的計算誤差導致北半球環流寬度及南北半球環流總寬度均變得更寬。進一步的定量分析表明，地表以下虛假的vH風場引起的7月份北半球Hadley環流下沉支位置的計算誤差達到5.84˚，也使得南北半球環流總寬度的計算誤差達到6.88˚。
3.4.Hadley環流未來預估特征的差異
Taoetal.(2015)的研究指出，未來不同排放情景下，Hadley環流的變化趨勢在2040~2099年比2006~2039年更顯著[24]。因此本節選取2040~2099的時間段來研究北半球Hadley環流的未來預估特征。通過對比圖7(a)和圖7(b)發現，在RCP8.5情形下，地表以下虛假的vH風場資料對北半球Hadley環流強度的未來變化趨勢影響不大。也就是說，無論是誤差訂正前還是誤差訂正后，圖7(a)和圖7(b)中6~9月份北半球Hadley環流的流函數正值中心均位于負的趨勢帶上，說明模式模擬的未來北半球夏季Hadley環流呈現減弱的趨勢。然而，地表以下虛假的vH風場資料對北半球夏季Hadley環流下沉支位置的未來預估結果影響顯著。如圖7所示，誤差訂正前，6~9月份的流函數0值線在40˚N左右的正趨勢帶上，表明未來北半球的Hadley環流將向極擴張，而誤差訂正后，流函數0值線位于負的趨勢帶上，表明未來北半球的Hadley環流下沉支位置將向赤道偏移。進一步的定量分析發現，誤差訂正前，6~9月份北半球夏季Hadley環流下沉支位置的未來變化趨勢為0.097˚每十年，而誤差訂正后的未來變化趨勢為-0.067˚每十年，這說明地表以下虛假的vH風場資料會導致CMIP5模式對北半球夏季Hadley環流向極擴張趨勢的高估。因此，我們在利用CMIP5模式資料研究Hadley環流的未來演變特征時，需要去除地表以下虛假的vH風場資料，以避免其引起的計算誤差。
相關期刊推薦：《氣候變化研究進展》中文版創刊于2005年5月，英文版2010年創刊，由中國氣象局主管、國家氣候中心主辦，是中國在氣候變化研究領域內由自然科學和社會科學相結合的綜合性學術期刊。該刊主要刊登與氣候變化相關的跨學科研究進展，介紹國內外有關氣候變化的重大活動信息。旨在促進氣候變化研究的發展，并推動研究成果在經濟社會可持續發展、適應和減緩氣候變化對策制定、氣候政策與環境外交談判、資源保護和開發等方面的應用。
4.結論
本文利用12個CMIP5氣候模式資料，研究了地表以下虛假的風場資料對北半球夏季Hadley環流的空間模態、強度、下沉支位置及其未來預估計算的影響，得出以下主要結論：
(1)地表以下虛假的風場資料會導致北半球夏季Hadley環流的空間模態中出現虛假的“小環流”結構，從而引起Hadley環流下沉支位置的誤判，并對下沉支位置變化趨勢的準確計算產生較大影響。
(2)北半球Hadley環流在夏季最弱，位于地表以下的虛假風場資料所引起的整層異常環流的量級與原Hadley環流的量級相當，而其它季節，異常環流的量級遠小于Hadley環流本身，這是導致北半球夏季Hadley環流空間模態計算中出現虛假“小環流”結構的主要原因。
(3)在RCP8.5情形下，地表以下虛假的風場資料對Hadley環流強度的未來變化趨勢影響不大，但對夏季Hadley環流下沉支位置的未來預估結果影響顯著。在未來2040~2099的時間段內，地表以下虛假的風場資料會引起下沉支位置的未來變化趨勢存在每十年0.164˚的差異，導致北半球夏季Hadley環流向極擴張趨勢的高估。因此，在利用CMIP5模式資料研究北半球Hadley環流的未來演變特征時，需要去除地表以下虛假的風場資料的影響。
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