一个新的气候距平参照系的研究

【作者】 钱诚；

【机构】 中国科学院大气物理研究所； 中国科学院大学；

【摘要】 气候距平是很多气候变率和变化研究工作的出发点,即一开始就去掉序列的"年循环"。因为年循环(周期)是热带外很多气候变量的主导分量,比如气温的年循环能大到贡献总方差的90%以上[1,2]。如果不把年循环去掉,很难分析年际年代际等其他时间尺度变率。因此气候距平是气候学研究的基石。传统的气候距平计算是假定年循环不变的,世界气象组织(WMO)建议用连续30年气候平均值来表示,每10年更新一次(图1左),最近的时段是1981-2010年。然而这种传统的气候距平定义存在2大问题:(1)物理上"不唯一":不断更换30年基准期使同一时段内的距平值(例如定出的El Ni?o/La Ni?a年份和强度)及相应的物理解释"不唯一"(图1左),和已发生事件的实际物理过程不变相悖,给气候监测业务和研究工作带来很多困难;(2)无法有效去除年循环(仍然包含部分年循环信息)(图2左)[3,4]。原因在于气候变量的年循环是动态演变的,本身也是一种变率[2]。本人及合作者系列研究揭示了典型区域气温、海温年循环形状(振幅和位相)是变化的,探索了其中大气环流和人为强迫的作用,并指出了这种变化对传统气候距平的影响及新的气候距平研究体系。首先,采用自适应的滤波器EEMD提取了逐日气温[3]、逐月气温[2]和海温[4]的年循环分量,用多种方法进行了验证[2,4,5],揭示了1950年以来北半球高纬和东亚地区地表气温的年循环振幅变小(冬夏温差变小,四季变得越来越不分明,图3左),个别地区减小了10%[2];近几十年中国区域振幅也变小,全国平均1961-2007年间减小约5%[1]、春季位相在东部地区提前[5];1881-2007年间Ni?o3区海表温度的年循环以1947/48年为界,从之前的显著变大趋势转为显著变小趋势,变小达14%,春季位相在1938年前后也经历了明显的转折[4]等事实。进一步又开展了年循环变化的机理研究:通过观测数据与多套二十世纪再分析产品的比对,揭示出大气环流对气温年循环振幅和位相变化所起的重要作用[6];用最优指纹技术和CMIP5大量模式模拟数据开展了从半球到次大陆区域尺度上气温年循环振幅变化的检测归因研究,首次在北半球中高纬区域尺度上清楚地检测出人类活动对振幅变化的影响(图3右),发现温室气体强迫是主要贡献者,使高纬和东亚地区振幅变小[2];还提出在中国,地表太阳辐射的变化也对振幅变化有重要的作用[1]。进而指出了以这种自适应提取的动态年循环作为新的气候距平参照系可解决传统气候距平存在的前述2大问题(图1,2右)[4];并在新参照系下分析了中国气温不同时间尺度的变率及其空间模态[3],发展了新的气候趋势分析方法[1]、气候极值新算法[7]以及稳定划分ENSO冷暖事件和定级强度的新方法(图1右)[4]。更多还原