第31届气象年会s3s5分会场材料干旱灾害-11.3上午huang-cma drought

半干旱气候变化教育部重点实验室KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,China兰州大学第31届中国气象学年会2014年11月3日全球半干旱气候变化的动力机制

黄建平3

全球变暖已成事实，伴随而来的极端事件频发，气候变化成为人类最严峻的挑战。目前很多研究探讨在气候系统对全球变暖的响应，但气候系统内部的反馈机制仍不清楚。

——IPCC，2013全球变暖的影响一.研究背景海冰融化海平面上升干旱加剧洪涝频发高温热浪欧洲极寒IPCC,2013:SummaryforPolicymakers全球平均地表温度距平的年代际变化全球不同时期温度变化趋势的分布

1970-2010年增暖趋势的全球分布增暖信号最早出现在冷季的中高纬度地区全球典型干旱半干旱区温度的年际变化特征年均降水量(mm/a)干湿(oC/年)平均增温趋势全球干旱半干旱区是近100年来增温最为显著的地区，特别是北半球中纬度干旱半干旱区增温是全球陆地年平均增温的2-3倍。全球干旱半干旱区增温特征Huangetal.,2012,ACP线性趋势非线性趋势相对于1961-1990年气候态全球平均地表温度的线性趋势与非线性趋势引自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全球平均地表温度的演变SpatialstructureevolutionoftheEEMDtrendofgloballandsurfaceairtemperature.PanelsatogrepresentEEMDtrendsendedat1950,1960,1970、1980、1990、2000and2009,respectively.Panelhdisplayslineartrend.Jietal.,2014,NatureClimateChange全球平均地表温度的演变Theevolutionofthezonallyaveragedtrendofsurfaceairtemperature.全球平均地表温度的演变Jietal.,2014,NatureClimateChange北半球中高纬干旱半干旱区冷季增温全球典型干旱半干旱区增温特征对EEMD分解得到的长期趋势项，以降水为分区，计算了不同降水分区的平均增温趋势以及每一降水分区对全球温度变化的贡献，干旱半干旱区平均增温趋势最大，而且对全球温度变化的贡献也最大。Huangetal.,2012,ACPNatureClimateChangeHighlights(April,25,2014)Ourpaper“ImpactofLand-SeaThermalContrast”(Clim.Dyn.,2014)目录2数据与方法说明1研究背景43结果分析与讨论结论1但是，全球增温并不一致，北半球中高纬度冬季增温最显著一.研究背景干湿(oC/年)平均增温趋势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.数据介绍阻塞判断标准GHGS>0GHGN<-10位势米/度空间范围大于连续的3个网格，时间上持续时间大于等于5天对流层行星波活动指数EP-Flux(50N,500hpa)-EP-Flux(40N,300hpa)AO指数SLP(35N)-SLP(65)三.结果分析与讨论全球变暖过程中，冬季陆地增温最明显，海陆热力差异明显减小海陆热力差异指数定义LandSeaIndex=T[80-120E,40-60N]-T[170-210E,40-60N] +T[230-260E,40-60N]-T[290-320E,57.5-77.5N]西风指数对流层行星波活动指数海陆热力差异指数处于正位相时，西风增强，行星波活动加强LSIPhasepositive1983,1987,1989,1992,1995,1998,1999,2002,2007negative1950,1951,1956,1957,1969,1979,1985,2010,201127次正位相：标准化LSI>1.0负位相：标准化LSI<-1.0海陆热力差异典型年500hpa流场的分布正位相时中高纬经向位势梯度加强，有利于西风加强海陆热力差异典型年海平面气压场(SLP)的分布正位相时中高纬经向气压梯度加强，有利于西风加强海陆热力差异典型年西风和EP通量的垂直分布中纬度EP通量辐散中纬度西风加强欧洲-大西洋太平洋区域ATLEURWPAEPA范围(100W,0)(0,90E)(90E,180)(180,100W)阻塞分区情况在大西洋地区，阻塞的减少是由于持续时间偏短；在欧洲地区，阻塞提前消亡，10天以上阻塞事件更多的转为短时间阻塞事件；太平洋地区，海陆热力差异高低值年，平均阻塞天数无明显差异海陆热力差异典型年阻塞参数的变化低指数高指数海陆热力差异变化对环流的影响海陆热力差异变化对环流的影响机制示意图海陆热力差异减小行星波活动加强，西风增强10天以上阻塞事件减少；阻塞天数减少内陆地区冷空气活动较少，地表温度较高海陆热力差异处于正位相时的正反馈流程图四、结论LSI正位相时，阻塞的变化使得陆地增温明显，进一步减小海陆热力差异LSI负位相时，阻塞的变化使得陆地降温明显，进一步加大海陆热力差异1在冬季，海陆热力差异在1980s年代发生了位相变化，海陆热力差异明显减小，此时准定常行星波活动加强，西风加强，西伯利亚高压偏弱2Charney理论模型可以解释海陆热力变化与环流和阻塞变化之间的联系。当海陆热力差异减小时，热力强迫与地形强迫的共同结果不利于阻塞的发生发展，所以原来可以发生的阻塞未发生，原来可以长时间维持的阻塞提前消亡。3陆地明显增温后，海陆热力差异减小，环流和阻塞的变化响应会进一步加剧陆地增温，这种正反馈机制可以加速全球变暖的进程。同样，在全球变冷的过程也存在这种反馈Wang,S.,HuangJ.,HeY.andGuanY.,2014目录2数据与方法说明1研究背景43结果分析与讨论结论13

1988/89年美国2012年伊利诺斯州-美国2010年澳洲2013年比哈尔-印度2009年安得拉邦-印度2002新南威爾斯-澳洲2014年-叙利亚2012年-墨西哥1968-1973萨赫勒2011-2013非洲之角1982/83年-南非2011年贵州-中国2014年河南-中国世界各地的干旱一.研究背景从20世纪70年代以来,全球陆地上干旱区的面积增加了一倍多,干旱化趋势已成为全球关注的问题。目前很多研究探讨在气候变暖大背景下干旱是如何变化，但是原因仍不清楚。

——Dai,2004；Trenberthtal.NCC,2014However,thetypicalinterannualrelationshipbetweenENSOandtheglobalclimateisnotstationaryandcanberegulatedbythePDO.一.研究背景ElNiñoNaturalvariability,especiallyENSO,istheprimarycauseofmanyepisodicdroughtsaroundtheworld.——Trenberthetal.NCC,2014研究现状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.数据介绍修正的Palmer干旱强度指数sc_PDSI_pm，综合考虑了降水和蒸发影响，并具有地域可比较性。PDOtheleadingEOFofthemeanNovember–MarchdetrendedSSTAforthePacificOceannorthof20°NNIÑO34areaaveragedSSTAfrom5S-5Nand170-120Wnormalizedto1971-2000℃BecausetheinfluenceofthetropicalPacificonclimateismostpronouncedintheborealwinter,onlyDecember,JanuaryandFebruary(DJF)arediscussedherein. 11-yearrunningmeanPDOindex

DetrendedDJFNIÑO34

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,它们之间既有区别又有联系：位置：PDO最强信号出现在北太平洋，而ENSO的最强信号出现在赤道东太平洋持续时间：PDO相位持续时间较长(20-30年)，ENSO一般持续6-18个月原因及可预报性：关于ENSO的研究已经相对成熟，对其发生进行预报是可能的；而造成PDO的原因还有待研究。

区别联系PDO同“厄尔尼诺”和“拉尼娜”现象有着极其密切的关系，二者的空间态相似，被喻为“厄尔尼诺”和“拉尼娜”的母亲。

WarmPDO

ColdPDO

ENSOPhaseElNiño

1902,1904,1905,1911,1913,1923,1925,1930,1939,1940,1941,1982,1986,1987,1991,1994,1997,20021914,1918,1957,1963,1965,1968,1972,1976,1977,2004,2006,2009LaNiña1903,1908,1909,1910,1922,1924,1933,1938,1942,1983,1984,1988,1998,1999,20001916,1917,1949,1950,1954,1955,1964,1970,1973,1975,2005,2007,2008,2010,2011

ClassificationofyearsbasedonthephasesofENSOandthePDOsince1900.

27次暖PDO：11年滤波后PDO指数>0冷PDO：11年滤波后PDO指数<0ElNiño：detrendedDJFNIÑO34>0.6°CLaNiña：detrendedDJFNIÑO34<-0.6°CWettergetswetter三.结果分析与讨论sc_PDSI_pmWangS.,HuangJ.etal.,SR,2014DriergetweakerWettergetsweakerDriergetsdrierEvendisappearorinverseWettergetswetterWetterinout-of-phaseduetoNAOsc_PDSI_pmWangS.,HuangJ.etal.,SR,2014结论与ElNino一致：相比与PDO反位相，在与PDO同位相时，LaNina造成的干湿变化增强，显著湿润的地区增多。Fractionsofgloballandareawithsignificantdrynessandwetness8%ENSO与PDO同位相时，全球陆地受到显著干湿变化影响的区域最多2.6%WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014PDO暖位相时，北太平洋冷信号更强PDO暖位相时，赤道暖信号更强ENSO与PDO同位相时，其信号不仅在赤道地区增强，北太平洋海温异常也显著增强；与PDO反位相时赤道东太平洋和北太平洋的信号较弱同上下垫面分布：SSTA等值线：位势高度异常（阴影代表超过90%显著性检验）点：垂直速度omega异常阿留申低压加强，PNA加强加拿大东北部和格陵兰岛高压异常，美国东南至地中海低压异常，即负的NAO高压异常反气旋向东亚延伸低压槽加深，中东急流增强沃克环流减弱最强WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014对于LaNiña，结论与ElNiño一致。相比发生在暖的PDO位相时，当与PDO同位相时，阿留申地区，异常反气旋最强，负的PNA最强；沃克环流显著增强。同样，在反位相时大西洋出现了正的NAO模态。WangS.,HuangJ.etal.,SR,2014干旱的面积增大，强度增大四、结论WangS.,HuangJ.etal.,SR,20141当ENSO与PDO同位相时，ENSO造成的干湿异常不仅强度比一般ENSO事件强，而且影响面积会向高纬扩张。反位相时，ENSO造成的干湿异常强度较弱，在有些区域甚至会消失。2PDO为暖位相时，ElNiño发生较频繁,引起的干旱事件相比冷位相时较为严重且面积扩大,进而解释了从20世纪70年代以来全球陆地上干旱区的面积增加了一倍多。32000年左右，PDO转为冷位相，未来几十年LaNiña事件发生会较为频繁，全球降水会增多；美国西南地区的干旱还会持续；中国的降水类型转为“南旱北涝”。半干旱气候变化教育部重点实验室KeyLaboratoryforSemi-AridClimateChangeoftheMinistryofEducation,China谢谢大家观测到的全球陆地降水变化趋势自1901年以来，北半球中纬度陆地区域平均的降水已增加。其他纬度的区域平均降水的长期变化趋势具有低信度观测到的1901-2010年以及从1951-2010年的降水变化，资料表明，降水全球平均变化存在长期趋势观测到的全球陆地降水距平变化20世纪中叶以来，极端事件的强度和频率发生明显变化极端暖事件增多，极端冷事件减少，热浪发生频率更高，时间更长，陆地区域的强降水事件增加Trendsinthewarmestdayoftheyearusingdifferentdatasetsfortheperiod1951–2010.Thedatasetsare(a)HadEX2(Donatetal.,2013c)updatedtoincludethelatestversionoftheEuropeanClimateAssessmentdataset(KlokandTank,2009),(b)HadGHCND(Caesaretal.,2006)usingdataupdatedto2010(Donatetal.,2013a)and(c)Globallyaveragedannualwarmestdayanomaliesforeachdataset.(a)年均发生降水大于第95百分位数天数的趋势(c)年均发生连续干旱天数的最大值频率的趋势(b)日降水强度的变化趋势(d)水文气候强度的变化趋势

AI指数与降水划分的干旱半干旱区主要差异位于50°N以北，其地表类型主要是草地和农田，Koppen指数划分的区域普遍偏小。不同干旱指标划分的干旱半干旱区CPC年降水量AI指数Koppen指数MODIS地表植被类型全球旱区覆盖面积分布特征东亚非洲之角

西亚北非巴塔哥尼亚澳大利亚非洲南部美国西南57近60年面积趋势(104km²/10a)东亚西亚北非非洲南部澳大利亚非洲之角美国西南巴塔哥尼亚极端干旱区-1.609.0011.00-0.60-3.30-0.90-0.700.70干旱区4.20-2.804.602.10-1.500.90-2.60-2.60半干旱区12.64-3.940.852.906.56-0.700.300.54总面积15.272.6416.494.321.76-0.66-2.97-1.35全球不同干旱半干旱区过去六十年的面积变化东亚、西亚、北非、非洲南部、澳大利亚变干；非洲之角、美国西南、巴塔哥尼亚变湿；东半球干旱区扩展，西半球干旱区减小。东亚干旱半干旱区的气候变化特征AI指数干旱面积温度潜在蒸发降水近60年东亚干旱半干旱区的面积呈显著增加趋势；近10年干旱面积继续扩展，降水继续减少，温度持续升高。59近60年美国西南干旱半干旱区降水增加，温度升高，干旱区面积略有下降；近10年温度持续升高，降水减少，干旱面积扩展。美国西南干旱半干旱区的气候变化特征干旱面积温度潜在蒸发降水AI指数