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全球变暖停滞期间对流层大气的变化及其过程

   相比于此前的30年或50年，近15年来（1998-2013年）全球地表平均温度的变暖速率明显减缓，这一现象被称为全球变暖减缓（slowdown）或者停滞（hiatus）。围绕着该现象的成因，国际上开展了大量研究工作，提出了诸多机制解释，目前一般认为气候系统内部变率和海洋热吸收及再分布是最为重要的两个机制。然而，作为海气耦合系统的重要组成部分，在全球变暖停滞期间全球大气特别是对流层大气的温度变化特征及其相关的大气动力和物理过程却少有研究工作涉及。

　　最近，中国科学院大气物理研究所（简称大气所）刘博和周天军系统地研究了全球变暖停滞期间大气温度的变化。他们把对流层大气温度的变化和表面温度进行了比较，发现全球平均对流层温度同样呈现出类似地表温度的增长停滞现象（图1）。为揭示增暖停滞的成因，利用气候反馈响应分解方法（CFRAM），他们将总的温度趋势分解为不同过程造成的温度趋势分量，这些过程包括地表反照率、水汽、云、地表感热、潜热和大气动力过程（大气热输送）。结果表明，近地层大气温度的增暖停滞主要是由于地表向大气的潜热释放减少造成的，而对流层中高层大气的增暖停滞现象则主要是由云的变化导致的。通过分析不同过程造成的温度趋势发现，在对流层低层，大气动力过程的变化是与地表潜热的变化耦合在一起的，而在高层则是同云的变化耦合在一起。

　　在增暖期间（1983-1998年），近地层的增暖趋势主要来自地表潜热通量释放的增加，而大气动力过程则呈现出抵消这种增暖的负贡献；在变暖停滞期间（1998-2013年），地表潜热通量释放呈现出减少的趋势，与此同时，大气动力过程的抵消作用也同时减少。而在对流层高层，在增暖期间，热带地区纬向平均的高云减少，高云减少意味着对流活动减弱，同时在高层造成冷却的效应；而这一时期热带对流层高层的大气极向热输送减弱，在高层造成增暖效应。在停滞期间，对流层高层的这种耦合关系发生反转，即大气极向热输送增强，同时高云增多。

　　为何增暖停滞期的潜热通量、云和大气动力过程经历了与之前增暖显著期不一样的变化？“这种耦合变化关系从快速增暖时期（1983-1998年）到停滞时期（1998-2013年）经历了一个位相的转变，这种转变实际上同太平洋年代际振荡模态IPO的位相转换相联系”，论文第一作者、博士研究生刘博解释说。太平洋年代际振荡模态是在年代际尺度上气候变率的强信号，正位相表现为热带中东太平洋海表温度正异常，以及北太平洋海温海表温度负异常。IPO在1998/1999年由正位相转为负位相，伴随这种大尺度的海温变化，Hadley环流和Walker环流均增强（图2），这种大尺度大气环流的变化是上述提到的耦合变化关系的枢纽，链接着地表湍流通量的变化和对流层中高层的云的变化。

　　“尽管相比于海洋，大气的热容量可以忽略不计，但是理解大气过程在全球变暖停滞期间的变化，对于完整地理解气候系统内部变率（IPO等）如何影响全球气候是非常关键的。与此同时，目前围绕着全球增暖停滞现象的成因，国际上设计了许多基于气候系统模式的数值试验，我们的研究工作为检验基于这些数值试验所提出的增暖停滞机理假设提供了新的观测事实标准”，论文通讯作者周天军研究员强调说。

　　文章链接： Liu Bo, and Tianjun Zhou. Atmospheric footprint of the recent warming slowdown. Sci. Rep. 7, 40947 (2017). http://www.nature.com/articles/srep40947

图1. （a）全球平均的表层、对流层整层（地表到100hPa厚度平均）、低层（地表到500hPa厚度平均）和高层（500-100hPa厚度平均）的温度异常时间序列；（b）增暖时期（1983-1998）、停滞时期（1998-2013）上述温度序列的变化趋势。 (Liu and Zhou, 2017)

图2. （a）全球变暖时期（1983-1998）及（b）全球变暖停滞时期（1998-2013）年平均经向质量流函数及其线性趋势；（c, d）全球变暖时期及全球变暖停滞时期年平均热带纬向平均质量流函数及其线性趋势。其中等值线表示气候平均值、正值为顺时针流动，填色表示变化趋势） (Liu and Zhou, 2017)