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IAP新成果| 全球變暖停滯期間的對流層大氣

2021/12/25

yidianzixun

相比於此前的30年或50年，近15年來（1998-2013年）全球地表平均溫度的變暖速率明顯減緩，這一現象被稱為全球變暖減緩（slowdown）或者停滯（hiatus）。

圍繞著該現象的成因，國際上開展了大量研究工作，提出了諸多機制解釋，目前一般認為氣候系統內部變率和海洋熱吸收及再分佈是最為重要的兩個機制。

然而，作為海氣耦合系統的重要組成部分，在全球變暖停滯期間全球大氣特別是對流層大氣的溫度變化特徵及其相關的大氣動力和物理過程卻少有研究工作涉及。

我所劉博和周天軍系統地研究了全球變暖停滯期間大氣溫度的變化。他們把對流層大氣溫度的變化和表面溫度進行了比較，發現全球平均對流層溫度同樣呈現出類似地表溫度的增長停滯現象。

（a）全球平均的表層、對流層整層（地表到100hPa厚度平均）、低層（地表到500hPa厚度平均）和高層（500-100hPa厚度平均）的溫度異常時間序列；

（b）增暖時期（1983-1998）、停滯時期（1998-2013）上述溫度序列的變化趨勢 (Liu and Zhou, 2017)

為揭示增暖停滯的成因，利用氣候反饋響應分解方法（CFRAM），他們將總的溫度趨勢分解為不同過程造成的溫度趨勢分量，這些過程包括地表反照率、水汽、雲、地表感熱、潛熱和大氣動力過程（大氣熱輸送）。

結果表明，近地層大氣溫度的增暖停滯主要是由於地表向大氣的潛熱釋放減少造成的，而對流層中高層大氣的增暖停滯現象則主要是由雲的變化導致的。通過分析不同過程造成的溫度趨勢發現，在對流層低層，大氣動力過程的變化是與地表潛熱的變化耦合在一起的，而在高層則是同雲的變化耦合在一起。

在增暖期間（1983-1998年），近地層的增暖趨勢主要來自地表潛熱通量釋放的增加，而大氣動力過程則呈現出抵消這種增暖的負貢獻；在變暖停滯期間（1998-2013年），地表潛熱通量釋放呈現出減少的趨勢，與此同時，大氣動力過程的抵消作用也同時減少。

而在對流層高層，在增暖期間，熱帶地區緯向平均的高雲減少，高雲減少意味著對流活動減弱，同時在高層造成冷卻的效應；而這一時期熱帶對流層高層的大氣極向熱輸送減弱，在高層造成增暖效應。在停滯期間，對流層高層的這種耦合關係發生反轉，即大氣極向熱輸送增強，同時高雲增多。

為何增暖停滯期的潛熱通量、雲和大氣動力過程經歷了與之前增暖顯著期不一樣的變化？

「這種耦合變化關係從快速增暖時期（1983-1998年）到停滯時期（1998-2013年）經歷了一個位相的轉變，這種轉變實際上同太平洋年代際振蕩模態IPO的位相轉換相聯繫」，論文第一作者、博士研究所劉博解釋說。

太平洋年代際振蕩模態是在年代際尺度上氣候變率的強信號，正位相表現為熱帶中東太平洋海表溫度正異常，以及北太平洋海溫海表溫度負異常。IPO在1998/1999年由正位相轉為負位相，伴隨這種大尺度的海溫變化，Hadley環流和Walker環流均增強，這種大尺度大氣環流的變化是上述提到的耦合變化關係的樞紐，鏈接著地表湍流通量的變化和對流層中高層的雲的變化。

（a）全球變暖時期（1983-1998）及（b）全球變暖停滯時期（1998-2013）年平均經向質量流函數及其線性趨勢；（c, d）全球變暖時期及全球變暖停滯時期年平均熱帶緯向平均質量流函數及其線性趨勢。其中等值線表示氣候平均值、正值為順時針流動，填色表示變化趨勢） (Liu and Zhou, 2017）

「儘管相比于海洋，大氣的熱容量可以忽略不計，但是理解大氣過程在全球變暖停滯期間的變化，對於完整地理解氣候系統內部變率（IPO等）如何影響全球氣候是非常關鍵的。與此同時，目前圍繞著全球增暖停滯現象的成因，國際上設計了許多基於氣候系統模式的數值試驗，我們的研究工作為檢驗基於這些數值試驗所提出的增暖停滯機理假設提供了新的觀測事實標準」，論文通訊作者周天軍研究員強調說。