东亚夏季风(East Asian Summer Monsoon,EASM)是全球气候系统中重要的组成部分,主导了中国东部、韩国和日本等地的降水,是维持当地生态环境的主导因素(Endo and Kitoh,2016)。地质记录的研究表明,长期气候变化下EASM的响应显著且主导了东亚地区生态环境的演变(An,2000;张璟等,2014)。比如全新世大暖期(Holocene Thermal Maximum,HTM,5~8ka BP),EASM增强(Wang et al.,2001),中国北方地区降水增多(Chen et al.,2015)且生态环境变好(An,2000;Li et al.,2014),中国南方地区降水减少(Xu et al.,2020)。工业革命以来,人类活动导致的大气CO₂浓度的持续大幅度升高已造成显著的全球增暖(刘宣飞和朱乾根,1998;Folland et al.,2001),且该全球增暖在未来可能进一步加强并至少持续数百年(Collins and Knutti,2013)。未来强增暖情景下气候模式的预估结果表明,EASM增强且东亚夏季风区降水呈现一致性的增多(Kripalani et al.,2007;Kusunoki and Arakawa,2012;Brown et al.,2013;Chen and Sun,2013;Li et al.,2019)。对比已有研究可知,东亚夏季风区降水在不同增暖情景下的演变具有显著的空间差异,全新世期间北方增多、南方部分区域减少,而未来增暖下南北方同步增多。该空间模态差异的认识建立在基于不同数据和方法的单独研究之上,其显著性的分析及产生机制的揭示需要进一步研究。同时,该空间模态差异的进一步研究,是加深认识季风降水动力学及提高未来东亚气候预估能力的基础。

耦合气候模式比较计划第5阶段(Coupled Model Inter-comparison Project,phase5,CMIP5)中的中全新世(Mid-Holocene,MH,6ka BP)试验及对未来气候的预估试验(RCP)可用来研究两种增暖情景下东亚夏季风区降水空间模态的差异及其机制。已有研究证明,CMIP5的MH试验能够较好地再现该时期的气候演变,其模拟的东亚地区降水的演变与地质记录有较好的一致性(Jiang et al.,2013)。观测资料的分析表明,东亚夏季风区降水的演变受到气候系统内部年代际变率的显著影响(Ding et al.,2008;李丽平和袁爱军,2015)。因此,弱增暖情景下东亚夏季风区降水对增暖的响应可能被其内部变率掩盖。在已有的研究增暖响应的工作中,往往采用CMIP5中的强增暖试验RCP8.5(D’Agostino et al.,2019)以突出增暖的气候影响,便于甄别和分析。基于CMIP5中MH及RCP8.5试验的对比,热带季风系统在不同增暖情景下响应的差异及机制已被揭示(D’Agostino et al.,2019),为本工作拟采用研究方法的有效性提供了范例和支持。

降水的变化主要由动力和热动力两种过程主导(Held and Soden,2006)。对于东亚夏季风区而言,降水变化的动力响应取决于季风环流强度主导的垂直运动的变化,而热动力响应则取决于温度主导的大气持水能力(比湿)的变化(Li et al.,2019)。通过水汽收支平衡分解(Moisture Budget Decomposition,MBD),模拟的降水变化可以分解为动力和热动力两部分(Trenberth and Guillemot,1995;Held and Soden,2006;Chiang et al.,2015),该方法已广泛应用于长期气候变化下降水演变的归因分析(D’Agostino et al.,2019;Li et al.,2019)。已有的MBD应用工作中,其计算方案具有一定的差异,且其对降水分解的有效性存在纬度差异,低纬高而中高纬低(D’Agostino et al.,2019;Li et al.,2019)。因此,在应用MBD方法研究东亚夏季风区降水的演变模态在不同增暖情景下的差异时,需要对其计算方案进行验证和调整。

针对不同增暖情景下东亚夏季风区降水演变模态的可能差异问题,本研究对比分析了CMIP5中同一模式的MH试验和RCP8.5试验结果,揭示其可能的差异特征。然后通过改进得更为适用于东亚夏季风区的MBD方法,研究动力和热动力过程在两种增暖情景下降水演变模态中的作用。

1 数据与方法

本研究主要基于CMIP5中耦合气候系统模式CCSM4的试验结果。CCSM4模式耦合了大气、海洋、陆面、海冰过程,其大气模式的水平分辨率为0.9°×1.25°,垂直方向为17层。已有研究证明,该模式能够较好地再现东亚夏季风环流和降水的气候态分布(Seo et al.,2013;Sperber et al., 2013)。针对所关注的问题,采用了CCSM4的三个试验进行分析,包括中全新世试验(MH)、 RCP8.5强增暖情景试验和工业革命前的控制试验(piControl,PI)。在分别计算三个试验气候态的基础上,由MH及RCP8.5试验相对于PI试验的差值代表两种增暖情景下气候系统的响应。对于所有的试验,在分析中都使用其第一个集合成员(r1i1p1)。各试验气候态计算的时段分别为:RCP8.5试验的最后100a(2201—2300年)、MH试验的最后100a以及PI试验的最后500a。

使用MBD的方法将东亚夏季风区降水的演变分成动力和热动力两部分,以期对其演变的机制进行定量化的判别和分析。已有的MBD计算方案在中纬度地区降水的分解中存在较大误差,在参考已有方案的基础上,对其计算方案进行了一定修订,具体如下:

其中:δ表示MH或RCP8.5试验相对于PI试验的变化。R表示降水;ρ表示水的密度;q_700-850表示700与850hPa等压面间的平均比湿;ω_300-850表示300与850hPa等压面间的平均垂直速度,上划线表示PI试验中的量值。等式右侧的第一项和第二项分别表示降水中动力部分(DY)和热力部分(TH)的变化。动力部分的变化主要由环流影响的垂直速度变化所主导,而热力部分的变化主要由气温影响的湿度变化所主导。第三项R _es表示残差,主要来源于分解中忽略的${\delta }_{q_{700-850}}$·${\delta }_{{\omega }_{300-850}}$以及瞬变涡旋的影响。计算方案的修订主要基于垂直速度和比湿变化在东亚地区的垂直分布特征。与原有方案相比,本文订正的方案可有效限制东亚夏季风区降水MBD分解的残差。

2 不同增暖下东亚夏季风区降水演变模态的差异

同一模式两种增暖试验中东亚夏季风区降水变化的空间分布存在显著差异。MH试验中东亚夏季风区降水的变化幅度较小且存在显著的经向“三极子”结构,华南及华北地区降水增多,而江淮至朝鲜半岛和日本区域的降水减少(图1b)。该试验中降水变化分布的形态与地质记录基本一致(An et al.,2000;Xu et al.,2020),都表现为空间上非一致性的降水变化。而RCP8.5试验中,东亚夏季风区降水的变化幅度较大且呈现区域一致性的增多(图1c),与已有研究的结论相一致(Kripalani et al.,2007;Kusunoki et al.,2012;Brown et al.,2013;Chen and Sun,2013;Li et al.,2019)。RCP8.5试验中降水的增幅存在显著的区域差异,华南-日本一带与华北-东北地区的增幅较大而黄淮区域的增幅较小,展现出与MH试验类似的经向“三极子”结构。

东亚夏季风区降水演变模态的差异与两种增暖情景下增温的幅度及季风环流的变幅有关(图2)。MH时期的增暖由轨道辐射主导,其增温幅度较小,区域平均的增温幅度只有0.04℃;而强增暖试验RCP8.5在22世纪的平均增温幅度可达9.48℃,远大于MH试验中的量值(图2a)。虽然MH时期的增温幅度远小于RCP8.5试验,但是以850hPa区域平均经向风速表征的东亚夏季风环流的增幅却稍大于RCP8.5试验的结果(图2b)。季风环流增幅与区域增温幅度不成比例的现象来源于不同外强迫下季风环流对温度变化敏感性的差异(Cheng et al.,2019)。温度的升高及季风环流的增强都有利于东亚夏季风区降水的增多,两者的复合作用导致区域平均的降水增幅在两种增暖试验中的差异小于温度增幅的差异。

3 降水模态差异的机制

东亚夏季风区降水的变化在两种增暖试验下的MBD结果表明,其受季风环流增强主导的动力部分一致呈现为经向“三极子”结构,而其由温度主导的热动力部分则呈现与温度变化一致的空间分布(图3)。MH增暖下季风环流的增强幅度巨大而升温幅度微小(图2),导致东亚夏季风区的降水变化几乎完全由动力响应为主(图3a、b),表现为经向“三极子”结构。与之相对应,RCP8.5强增暖下季风环流的增幅较大且升温幅度巨大(图2),东亚夏季风区的降水变化以热动力响应为主,表征为整个区域近乎一致的大幅度增多(图3d、f)。同时,RCP8.5增暖下东亚夏季风区降水增多的幅度存在显著区域差异,显然受到经向“三极子”型动力响应的影响(图3d、e)。改进方案MBD的结果与其他两种方案的结果相类似,但是其分解的残差较小。

MBD分析的结果进一步表明,东亚夏季风区降水在增暖下的响应模态取决于增暖的外强迫类型。轨道辐射强迫下,增温幅度有限,但季风环流响应敏感,增幅巨大,季风环流增强主导了经向“三极子”结构的降水响应。而CO₂强迫下,季风环流对增暖的响应严重弱于轨道辐射强迫(Cheng et al.,2019),导致东亚夏季风区降水对增暖地响应以热动力为主。前人工作中动力主导东亚夏季风降水变化的结论(Li et al.,2019)可能是由于其所基于的RCP弱增暖情景试验结果,该类型试验中降水的年代际变率幅度有可能大于其对增暖的响应幅度。

动力主导降水演变的经向“三极子”结构来源于季风环流增强时东亚地区大气垂直运动的响应。两种增暖情景下,随着季风环流的增强,东亚地区垂直运动的响应都表现为经向的“三极子”结构,25°N及40°N附近纬度带内的上升运动增强,30°~35°N纬度带内的上升运动减弱(图4a—c)。东亚地区垂直运动在长期气候变化的非一致性演变,以及对应的降水演变的经向“三极子”结构,一般被解释为西风急流北移的结果(Chiang et al.,2015)。增暖背景下,由于极地放大效应的影响,经向温度梯度减小,由热成风主导的西风急流减弱、北移,进而导致垂直运动的经向非一致性演变和降水演变的经向“三极子”结构。

降水演变的热动力过程主要基于增温下大气比湿的增大效应(Held and Soden,2006)。温度增加时,大气比湿的增加有利于降水的增强,反之亦然。两种增温情境下温度变化的幅度及空间分布显著不同。MH时期轨道辐射主导的变温幅度较小,且低纬度降温、中高纬度升温(图5a);而RCP8.5强增情境下东亚及邻近区域内同步增温且增幅巨大(图5b)。对比分析表明,两种增暖情景下温度的变化(图5)与降水变化的热动力部分(图3c,f)具有相同的空间分布。

4 结论与讨论

东亚夏季风区的降水对增暖的响应模态是未来气候预估的重要方面。通过对比CMIP5中同一模式的过去和未来两种增暖试验,发现东亚夏季风区降水对增暖的响应模态并非固定,其依赖于增暖的强迫机制,因而存在显著的差异。岁差主导的辐射强迫下,中全新世出现弱增暖现象,东亚夏季风区降水地响应以经向“三极子”模态为特征,华北及华南地区降水增多,而江淮至朝鲜、日本一带降水减少。未来大气CO₂浓度增大驱动的强增暖下,东亚夏季风区降水的演变则以区域一致性增多为主,且在增多幅度上存在明显的经向“三极子”结构。改进MBD方案的分析表明,东亚夏季风区降水对增暖的响应具有规律性,其动力响应部分具有显著的经向“三极子”结构,而其热动力响应部分具有与温度变化相一致的空间分布。中全新世暖期增温幅度小但季风环流增强幅度大,导致该时期东亚夏季风区降水的演变以动力响应为主,呈现为空间非同步的经向“三极子”模态。未来RCP8.5强增暖情景下,季风环流的增强幅度有限,导致东亚夏季风区降水的演变以热动力响应为主,呈现区域一致的增多。在未来的增暖情景中,季风环流的小幅度增强也能产生一定的影响,使得东亚夏季风区降水的增多幅度存在显著的经向差异,华北及华南地区增多幅度较大但中间的黄淮区域增幅较小。

未来东亚夏季风区降水演变的预估主要基于数值模式模拟,而模拟预估的结果间存在较大的差异(Ueda et al.,2006;Sun and Ding,2010)。因此,过去增暖情景下东亚夏季风区地质记录所指示的降水演变模式往往被用于未来预估的参照(Lu et al.,2019)。本文结果表明,不同外强迫驱动的增暖下,东亚夏季风区降水演变的模态具有显著差异,过去地质记录所指示的东亚夏季风区降水的演变模态不能直接应用于未来预估结果的评判。

MBD分析的结果表明,两种增暖情景下东亚夏季风区降水演变的空间模态基本上都可以由季风环流主导的动力响应模态和温度主导的热动力响应模态解释。因此,只要基于季风环流和温度变化的预估结果,就可以根据各自对应的动力、热动力降水响应模态,对东亚夏季风区降水响应的空间分布特征进行推断。

参考文献