第31屆氣象年會(huì)s3s5分會(huì)場(chǎng)材料干旱災(zāi)害-11.3上午huang-cma drought

半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,China蘭州大學(xué)第31屆中國(guó)氣象學(xué)年會(huì)2014年11月3日全球半干旱氣候變化的動(dòng)力機(jī)制

黃建平3

全球變暖已成事實(shí)，伴隨而來(lái)的極端事件頻發(fā)，氣候變化成為人類(lèi)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前很多研究探討在氣候系統(tǒng)對(duì)全球變暖的響應(yīng)，但氣候系統(tǒng)內(nèi)部的反饋機(jī)制仍不清楚。

——IPCC，2013全球變暖的影響一.研究背景海冰融化海平面上升干旱加劇洪澇頻發(fā)高溫?zé)崂藲W洲極寒IPCC,2013:SummaryforPolicymakers全球平均地表溫度距平的年代際變化全球不同時(shí)期溫度變化趨勢(shì)的分布

1970-2010年增暖趨勢(shì)的全球分布增暖信號(hào)最早出現(xiàn)在冷季的中高緯度地區(qū)全球典型干旱半干旱區(qū)溫度的年際變化特征年均降水量(mm/a)干濕(oC/年)平均增溫趨勢(shì)全球干旱半干旱區(qū)是近100年來(lái)增溫最為顯著的地區(qū)，特別是北半球中緯度干旱半干旱區(qū)增溫是全球陸地年平均增溫的2-3倍。全球干旱半干旱區(qū)增溫特征Huangetal.,2012,ACP線(xiàn)性趨勢(shì)非線(xiàn)性趨勢(shì)相對(duì)于1961-1990年氣候態(tài)全球平均地表溫度的線(xiàn)性趨勢(shì)與非線(xiàn)性趨勢(shì)引自IPCCAR5Ourpaper“Evolutionoflandsurfaceairtemperaturetrend”justpublishedonNatureClimateChange(May4,2014)ThecoreofMEEMDisEEMD.InMEEMD,eachtimeseriesataspatialgridisposedusingEEMD.Atimeseriesx(t)isexpressedas

whereCj

isanadaptivelyobtained,amplitude-frequencymodulatedoscillatorycomponentandRnistheresidualofdatax(t),whichiseithermonotonicorcontainsonlyoneextremumfromwhichnoadditionaloscillatorycomponentscanbeextracted.TheMulti-dimensionalEnsembleEmpiricalModepositionEEMDpositionsofthetimeseriesofmeanlandsurfaceairtemperatureoveraregionofnorthernAsia(89.75-119.75oE,40.25-59.75oN).Jietal.,2014,NatureClimateChange全球平均地表溫度的演變SpatialstructureevolutionoftheEEMDtrendofgloballandsurfaceairtemperature.PanelsatogrepresentEEMDtrendsendedat1950,1960,1970、1980、1990、2000and2009,respectively.Panelhdisplayslineartrend.Jietal.,2014,NatureClimateChange全球平均地表溫度的演變Theevolutionofthezonallyaveragedtrendofsurfaceairtemperature.全球平均地表溫度的演變Jietal.,2014,NatureClimateChange北半球中高緯干旱半干旱區(qū)冷季增溫全球典型干旱半干旱區(qū)增溫特征對(duì)EEMD分解得到的長(zhǎng)期趨勢(shì)項(xiàng)，以降水為分區(qū)，計(jì)算了不同降水分區(qū)的平均增溫趨勢(shì)以及每一降水分區(qū)對(duì)全球溫度變化的貢獻(xiàn)，干旱半干旱區(qū)平均增溫趨勢(shì)最大，而且對(duì)全球溫度變化的貢獻(xiàn)也最大。Huangetal.,2012,ACPNatureClimateChangeHighlights(April,25,2014)Ourpaper“ImpactofLand-SeaThermalContrast”(Clim.Dyn.,2014)目錄2數(shù)據(jù)與方法說(shuō)明1研究背景43結(jié)果分析與討論結(jié)論1但是，全球增溫并不一致，北半球中高緯度冬季增溫最顯著一.研究背景干濕(oC/年)平均增溫趨勢(shì)Huang,etal,2012,ACP

Temperature1901-20120.5°

x0.5°CRUGeopotential

Height1948-20122.5°x2.5°17levelsNCEPWind(u,v)1948-20122.5°x2.5°17levelsNCEPAOindex1948–2012LiJianping’shomepageTroposphericInterannualOscillationindex(TIO)1948-2012Chenwenetal(2012)二.數(shù)據(jù)介紹阻塞判斷標(biāo)準(zhǔn)GHGS>0GHGN<-10位勢(shì)米/度空間范圍大于連續(xù)的3個(gè)網(wǎng)格，時(shí)間上持續(xù)時(shí)間大于等于5天對(duì)流層行星波活動(dòng)指數(shù)EP-Flux(50N,500hpa)-EP-Flux(40N,300hpa)AO指數(shù)SLP(35N)-SLP(65)三.結(jié)果分析與討論全球變暖過(guò)程中，冬季陸地增溫最明顯，海陸熱力差異明顯減小海陸熱力差異指數(shù)定義LandSeaIndex=T[80-120E,40-60N]-T[170-210E,40-60N] +T[230-260E,40-60N]-T[290-320E,57.5-77.5N]西風(fēng)指數(shù)對(duì)流層行星波活動(dòng)指數(shù)海陸熱力差異指數(shù)處于正位相時(shí)，西風(fēng)增強(qiáng)，行星波活動(dòng)加強(qiáng)LSIPhasepositive1983,1987,1989,1992,1995,1998,1999,2002,2007negative1950,1951,1956,1957,1969,1979,1985,2010,201127次正位相：標(biāo)準(zhǔn)化LSI>1.0負(fù)位相：標(biāo)準(zhǔn)化LSI<-1.0海陸熱力差異典型年500hpa流場(chǎng)的分布正位相時(shí)中高緯經(jīng)向位勢(shì)梯度加強(qiáng)，有利于西風(fēng)加強(qiáng)海陸熱力差異典型年海平面氣壓場(chǎng)(SLP)的分布正位相時(shí)中高緯經(jīng)向氣壓梯度加強(qiáng)，有利于西風(fēng)加強(qiáng)海陸熱力差異典型年西風(fēng)和EP通量的垂直分布中緯度EP通量輻散中緯度西風(fēng)加強(qiáng)歐洲-大西洋太平洋區(qū)域ATLEURWPAEPA范圍(100W,0)(0,90E)(90E,180)(180,100W)阻塞分區(qū)情況在大西洋地區(qū)，阻塞的減少是由于持續(xù)時(shí)間偏短；在歐洲地區(qū)，阻塞提前消亡，10天以上阻塞事件更多的轉(zhuǎn)為短時(shí)間阻塞事件；太平洋地區(qū)，海陸熱力差異高低值年，平均阻塞天數(shù)無(wú)明顯差異海陸熱力差異典型年阻塞參數(shù)的變化低指數(shù)高指數(shù)海陸熱力差異變化對(duì)環(huán)流的影響海陸熱力差異變化對(duì)環(huán)流的影響機(jī)制示意圖海陸熱力差異減小行星波活動(dòng)加強(qiáng)，西風(fēng)增強(qiáng)10天以上阻塞事件減少；阻塞天數(shù)減少內(nèi)陸地區(qū)冷空氣活動(dòng)較少，地表溫度較高海陸熱力差異處于正位相時(shí)的正反饋流程圖四、結(jié)論LSI正位相時(shí)，阻塞的變化使得陸地增溫明顯，進(jìn)一步減小海陸熱力差異LSI負(fù)位相時(shí)，阻塞的變化使得陸地降溫明顯，進(jìn)一步加大海陸熱力差異1在冬季，海陸熱力差異在1980s年代發(fā)生了位相變化，海陸熱力差異明顯減小，此時(shí)準(zhǔn)定常行星波活動(dòng)加強(qiáng)，西風(fēng)加強(qiáng)，西伯利亞高壓偏弱2Charney理論模型可以解釋海陸熱力變化與環(huán)流和阻塞變化之間的聯(lián)系。當(dāng)海陸熱力差異減小時(shí)，熱力強(qiáng)迫與地形強(qiáng)迫的共同結(jié)果不利于阻塞的發(fā)生發(fā)展，所以原來(lái)可以發(fā)生的阻塞未發(fā)生，原來(lái)可以長(zhǎng)時(shí)間維持的阻塞提前消亡。3陸地明顯增溫后，海陸熱力差異減小，環(huán)流和阻塞的變化響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇陸地增溫，這種正反饋機(jī)制可以加速全球變暖的進(jìn)程。同樣，在全球變冷的過(guò)程也存在這種反饋Wang,S.,HuangJ.,HeY.andGuanY.,2014目錄2數(shù)據(jù)與方法說(shuō)明1研究背景43結(jié)果分析與討論結(jié)論13

1988/89年美國(guó)2012年伊利諾斯州-美國(guó)2010年澳洲2013年比哈爾-印度2009年安得拉邦-印度2002新南威爾斯-澳洲2014年-敘利亞2012年-墨西哥1968-1973薩赫勒2011-2013非洲之角1982/83年-南非2011年貴州-中國(guó)2014年河南-中國(guó)世界各地的干旱一.研究背景從20世紀(jì)70年代以來(lái),全球陸地上干旱區(qū)的面積增加了一倍多,干旱化趨勢(shì)已成為全球關(guān)注的問(wèn)題。目前很多研究探討在氣候變暖大背景下干旱是如何變化，但是原因仍不清楚。

——Dai,2004；Trenberthtal.NCC,2014However,thetypicalinterannualrelationshipbetweenENSOandtheglobalclimateisnotstationaryandcanberegulatedbythePDO.一.研究背景ElNi?oNaturalvariability,especiallyENSO,istheprimarycauseofmanyepisodicdroughtsaroundtheworld.——Trenberthetal.NCC,2014研究現(xiàn)狀GershunovA,1998;GershunovA&Barnett,TP,1998;GutzlerDSetal.,2002;HuZZ&HuangBH,2009;etal.AndreoliRV&KayanoMT,2005PowerSetal.,1999WangLetal.,1998;KimJWetal.,2013US&MexicoSouthAmericaEastAsiaAustraliaHowever,thecombinedeffectofENSOandthePDOonglobaldry–wetchangesremainsunclear.sc_PDSI_pm1900-20122.5°

x2.5°Dai’shomepageSST1900-20122°x2°NOAAERSSTV3bprecipitation1900-20120.5°x0.5CRU1948-20122.5°x2.5°NOAA'sPrecipitationReconstrucionoverLand(PREC/L)soilmoisture1948–20101°x1°GLDASMeteorologicalfields1948-20122.5°x2.5°NCEPreanalysis二.數(shù)據(jù)介紹修正的Palmer干旱強(qiáng)度指數(shù)sc_PDSI_pm，綜合考慮了降水和蒸發(fā)影響，并具有地域可比較性。PDOtheleadingEOFofthemeanNovember–MarchdetrendedSSTAforthePacificOceannorthof20°NNI?O34areaaveragedSSTAfrom5S-5Nand170-120Wnormalizedto1971-2000℃BecausetheinfluenceofthetropicalPacificonclimateismostpronouncedintheborealwinter,onlyDecember,JanuaryandFebruary(DJF)arediscussedherein. 11-yearrunningmeanPDOindex

DetrendedDJFNI?O34

原始序列：rPDO.vs.NINO34=0.43*2~7年尺度：

rPDO.vs.NINO34=0.60*>10年尺度：

rPDO.vs.NINO34=0.68*PDO&ENSO

PDO和ENSO,它們之間既有區(qū)別又有聯(lián)系：位置：PDO最強(qiáng)信號(hào)出現(xiàn)在北太平洋，而ENSO的最強(qiáng)信號(hào)出現(xiàn)在赤道東太平洋持續(xù)時(shí)間：PDO相位持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)(20-30年)，ENSO一般持續(xù)6-18個(gè)月原因及可預(yù)報(bào)性：關(guān)于ENSO的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)其發(fā)生進(jìn)行預(yù)報(bào)是可能的；而造成PDO的原因還有待研究。

區(qū)別聯(lián)系PDO同“厄爾尼諾”和“拉尼娜”現(xiàn)象有著極其密切的關(guān)系，二者的空間態(tài)相似，被喻為“厄爾尼諾”和“拉尼娜”的母親。

WarmPDO

ColdPDO

ENSOPhaseElNi?o

1902,1904,1905,1911,1913,1923,1925,1930,1939,1940,1941,1982,1986,1987,1991,1994,1997,20021914,1918,1957,1963,1965,1968,1972,1976,1977,2004,2006,2009LaNi?a1903,1908,1909,1910,1922,1924,1933,1938,1942,1983,1984,1988,1998,1999,20001916,1917,1949,1950,1954,1955,1964,1970,1973,1975,2005,2007,2008,2010,2011

ClassificationofyearsbasedonthephasesofENSOandthePDOsince1900.

27次暖PDO：11年濾波后PDO指數(shù)>0冷PDO：11年濾波后PDO指數(shù)<0ElNi?o：detrendedDJFNI?O34>0.6°CLaNi?a：detrendedDJFNI?O34<-0.6°CWettergetswetter三.結(jié)果分析與討論sc_PDSI_pmWangS.,HuangJ.etal.,SR,2014DriergetweakerWettergetsweakerDriergetsdrierEvendisappearorinverseWettergetswetterWetterinout-of-phaseduetoNAOsc_PDSI_pmWangS.,HuangJ.etal.,SR,2014結(jié)論與ElNino一致：相比與PDO反位相，在與PDO同位相時(shí)，LaNina造成的干濕變化增強(qiáng)，顯著濕潤(rùn)的地區(qū)增多。Fractionsofgloballandareawithsignificantdrynessandwetness8%ENSO與PDO同位相時(shí)，全球陸地受到顯著干濕變化影響的區(qū)域最多2.6%WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014PDO暖位相時(shí)，北太平洋冷信號(hào)更強(qiáng)PDO暖位相時(shí)，赤道暖信號(hào)更強(qiáng)ENSO與PDO同位相時(shí)，其信號(hào)不僅在赤道地區(qū)增強(qiáng)，北太平洋海溫異常也顯著增強(qiáng)；與PDO反位相時(shí)赤道東太平洋和北太平洋的信號(hào)較弱同上下墊面分布：SSTA等值線(xiàn)：位勢(shì)高度異常（陰影代表超過(guò)90%顯著性檢驗(yàn)）點(diǎn)：垂直速度omega異常阿留申低壓加強(qiáng)，PNA加強(qiáng)加拿大東北部和格陵蘭島高壓異常，美國(guó)東南至地中海低壓異常，即負(fù)的NAO高壓異常反氣旋向東亞延伸低壓槽加深，中東急流增強(qiáng)沃克環(huán)流減弱最強(qiáng)WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014對(duì)于LaNi?a，結(jié)論與ElNi?o一致。相比發(fā)生在暖的PDO位相時(shí)，當(dāng)與PDO同位相時(shí)，阿留申地區(qū)，異常反氣旋最強(qiáng)，負(fù)的PNA最強(qiáng)；沃克環(huán)流顯著增強(qiáng)。同樣，在反位相時(shí)大西洋出現(xiàn)了正的NAO模態(tài)。WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014干旱的面積增大，強(qiáng)度增大四、結(jié)論WangS.,HuangJ.etal.,SR,20141當(dāng)ENSO與PDO同位相時(shí)，ENSO造成的干濕異常不僅強(qiáng)度比一般ENSO事件強(qiáng)，而且影響面積會(huì)向高緯擴(kuò)張。反位相時(shí)，ENSO造成的干濕異常強(qiáng)度較弱，在有些區(qū)域甚至?xí)А?PDO為暖位相時(shí)，ElNi?o發(fā)生較頻繁,引起的干旱事件相比冷位相時(shí)較為嚴(yán)重且面積擴(kuò)大,進(jìn)而解釋了從20世紀(jì)70年代以來(lái)全球陸地上干旱區(qū)的面積增加了一倍多。32000年左右，PDO轉(zhuǎn)為冷位相，未來(lái)幾十年LaNi?a事件發(fā)生會(huì)較為頻繁，全球降水會(huì)增多；美國(guó)西南地區(qū)的干旱還會(huì)持續(xù)；中國(guó)的降水類(lèi)型轉(zhuǎn)為“南旱北澇”。半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,China謝謝大家觀(guān)測(cè)到的全球陸地降水變化趨勢(shì)自1901年以來(lái)，北半球中緯度陸地區(qū)域平均的降水已增加。其他緯度的區(qū)域平均降水的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)具有低信度觀(guān)測(cè)到的1901-2010年以及從1951-2010年的降水變化，資料表明，降水全球平均變化存在長(zhǎng)期趨勢(shì)觀(guān)測(cè)到的全球陸地降水距平變化20世紀(jì)中葉以來(lái)，極端事件的強(qiáng)度和頻率發(fā)生明顯變化極端暖事件增多，極端冷事件減少，熱浪發(fā)生頻率更高，時(shí)間更長(zhǎng)，陸地區(qū)域的強(qiáng)降水事件增加Trendsinthewarmestdayoftheyearusingdifferentdatasetsfortheperiod1951–2010.Thedatasetsare(a)HadEX2(Donatetal.,2013c)updatedtoincludethelatestversionoftheEuropeanClimateAssessmentdataset(KlokandTank,2009),(b)HadGHCND(Caesaretal.,2006)usingdataupdatedto2010(Donatetal.,2013a)and(c)Globallyaveragedannualwarmestdayanomaliesforeachdataset.(a)年均發(fā)生降水大于第95百分位數(shù)天數(shù)的趨勢(shì)(c)年均發(fā)生連續(xù)干旱天數(shù)的最大值頻率的趨勢(shì)(b)日降水強(qiáng)度的變化趨勢(shì)(d)水文氣候強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

AI指數(shù)與降水劃分的干旱半干旱區(qū)主要差異位于50°N以北，其地表類(lèi)型主要是草地和農(nóng)田，Koppen指數(shù)劃分的區(qū)域普遍偏小。不同干旱指標(biāo)劃分的干旱半干旱區(qū)CPC年降水量AI指數(shù)Koppen指數(shù)MODIS地表植被類(lèi)型全球旱區(qū)覆蓋面積分布特征東亞非洲之角

西亞北非巴塔哥尼亞澳大利亞非洲南部美國(guó)西南57近60年面積趨勢(shì)(104km2/10a)東亞西亞北非非洲南部澳大利亞非洲之角美國(guó)西南巴塔哥尼亞極端干旱區(qū)-1.609.0011.00-0.60-3.30-0.90-0.700.70干旱區(qū)4.20-2.804.602.10-1.500.90-2.60-2.60半干旱區(qū)12.64-3.940.852.906.56-0.700.300.54總面積15.272.6416.494.321.76-0.66-2.97-1.35全球不同干旱半干旱區(qū)過(guò)去六十年的面積變化東亞、西亞、北非、非洲南部、澳大利亞變干；非洲之角、美國(guó)西南、巴塔哥尼亞變濕；東半球干旱區(qū)擴(kuò)展，西半球干旱區(qū)減小。東亞干旱半干旱區(qū)的氣候變化特征AI指數(shù)干旱面積溫度潛在蒸發(fā)降水近60年?yáng)|亞干旱半干旱區(qū)的面積呈顯著增加趨勢(shì)；近10年干旱面積繼續(xù)擴(kuò)展，降水繼續(xù)減少，溫度持續(xù)升高。59近60年美國(guó)西南干旱半干旱區(qū)降水增加，溫度升高，干旱區(qū)面積略有下降；近10年溫度持續(xù)升高，降水減少，干旱面積擴(kuò)展。美國(guó)西南干旱半干旱區(qū)的氣候變化特征干旱面積溫度潛在蒸發(fā)降水AI指數(shù)