热带降水对人为气溶胶强迫的响应特征与机理

Tropical precipitation is an important factor in climate change around the globe. The response of regional precipitation to global warming is spatially variable, which is regulated by the patterned warming of sea surface temperature (SST) in response to greenhouse gases (GHG) forcing. Anthropogenic change in aerosols is a major driver of twentieth-century climate change, masking a considerable fraction of the GHG-induced warming since industrial revolution. Understanding the temporal and spatial variations of tropical precipitation in different basins to inhomogeneous anthropogenic aerosol forcing is one of the most challenging frontiers. Based on couples of novel comparison and analysis methods developed by our previous studies, this project plans to identify the similarity and disparity, as well as the relative contribution of GHG and anthropogenic aerosols induced precipitation changes in tropical Pacific and Indian Ocean, respectively. We aim at distinguishing the physical basis of patterned SST changes in response to anthropogenic aerosol forcing, clarifying their roles in shaping the tropical precipitation changes in different basins, and revealing the source of regional climate change uncertainties in climate models. This project can serve theoretical basis for attribution analysis, and provide important implications for improving climate models.

热带降水在整个地球气候系统中起重要作用，温室气体的暖效应会导致海表面温度的非均匀增暖，进而影响热带降水增加的非均匀分布。目前研究表明，作为20世纪地球气候系统的重要外辐射强迫源之一，人为气溶胶导致的辐射强迫在很大程度上抵消了温室气体的暖效应，但目前尚不清楚空间分布极不均匀的人为气溶胶导致的辐射强迫变化在调控热带不同区域降水变化中的作用。本项目拟基于申请人在攻读博士学位期间提出的一系列新的比对分解方法，评估气溶胶和温室气体强迫调控热带太平洋、印度洋降水变化的各自相对贡献；探究气溶胶强迫调控热带太平洋、印度洋降水响应时空特征和机理的相似性与相异性；揭示气溶胶强迫下海表面温度响应的空间分布非均匀性的物理本质及其调控不同区域热带降水分布的物理机制；追溯模式中气溶胶强迫引起的区域气候变化不确定性的来源；为区域气候变化的归因分析、改进气候模式提供理论依据。

自工业革命以来，全球人为气溶胶排放的持续增长抵消了约三分之一的温室气体暖效应，对地球气候变化产生了重要的调控作用。与空间分布相对均匀的温室气体强迫相比，人类活动排放的气溶胶呈现出极强的南北半球分布不均匀，对热带降水异常响应的空间分布具有重要的调控作用。本项目探究了人为气溶胶强迫调控热带不同区域降水变化的特征及其动力学机理。研究发现，人为气溶胶强迫下热带太平洋降水异常变化主要受北太平洋海温异常主导的南北半球海表面温度和大气环流不对称响应的特征决定，在跨赤道能量传输平衡理论的约束下呈现出热带降水辐合带南移的变化特征。在对人为气溶胶强迫调控区域气候异常不同物理过程的分解研究中我们证实，海气耦合过程是主导热带印度洋和南亚夏季风降水对人为气溶胶强迫响应的关键因素，而气溶胶直接辐射强迫调控大气环流响应的过程对热带印度洋和南亚夏季风降水异常的贡献相对较弱，对东亚夏季风异常变化起到主导作用。利用气候模式的结果，我们经诊断分析发现，气溶胶强迫下热带降水异常变化模式间差异的主要来源是大气环流异常的模式间不确定性，而模式模拟大气环流的不确定性是辐射强迫的不确定性导致北太平洋海表面温度响应模式间差异的结果。此外，本项目还进一步揭示了人为气溶胶强迫下热带大气经向环流异常调控南半球西风急流异常响应的复杂物理过程。最后，我们研究发现自20世纪初至今，人为气溶胶强迫下热带降水异常的响应从南北不对称转变为东西不对称的空间分布特征，其对历史降水模拟的贡献相较于温室气体强迫而言逐渐减弱。研究人为气溶胶强迫时空变化对热带降水的调控作用对认识碳中和背景下的气候变化有重要意义，未来制定升温控制目标和相关的碳排放路径、气候变化适应性政策时，需要考虑不同区域人为气溶胶排放变化的贡献。