温室气体强迫下全球季风降水预估的不确定性研究

Monsoon rainfall is one of the most important components in global hydrological cycle. How Global Monsoon (GM) rainfall responds to green-house gas in the future has substantial influences on decision making to adapt climate changes and living of billions of people all over the world. Unfortunately, large uncertainty observed in the projections of current climate models limits reliability and application of the projected productions. Previous study on the South Asian monsoon showed that discrepancies in climate sensitivity and sea surface temperature (SST) warming pattern across models are important sources of uncertainty in projections. However, relative contributions of these two factors, especially on the GM projection, need to be further clarified. In this project, we will analyze the simulations of multi-model projections and conduct multi-ensemble sensitivity experiments using Atmospheric General Circulation Model to separate the effects of climate sensitivity and SST warming pattern. By comparing the model results, we will investigate the relative contributions of the two factors and corresponding physical mechanisms. Understanding the key processes and mechanisms controlling the uncertainty in GM rainfall projection will help reasonably explain and use model projected results, and help improve physical processes in climate models to reduce the uncertainty in projection and effectively cope with climate changes in the future.

季风降水是全球水循环的重要组成部分。伴随着温室气体的增加，未来包括东亚季风在内的全球季风降水将如何变化，事关国际社会应对气候变化的科学决策。然而，当前气候模式对全球季风降水变化的预估结果存在着很大的不确定性。气候敏感度和海温增暖型的模式间差异是预估不确定性的重要来源，但关于二者对季风降水预估不确定性的相对贡献和作用机理并不清楚。本项目将通过分析多模式气候预估试验结果并设计专门的敏感性试验，分离气候敏感度和海温增暖型的影响，研究二者对季风降水预估不确定性的相对贡献，揭示相应的物理机制。理解导致全球季风降水预估不确定性的关键过程和物理机制，将有助于合理解释和使用模式的预估结果，减小预估不确定性，以有效应对未来的气候变化。

随着未来人类活动排放温室气体的不断增加，季风降水和环流的变化将会对数以十亿计人口社会的可持续发展产生十分重要的影响。但是当前多模式的预估结果存在很大的不确定性，影响了预估结果的可信度和应用范围。本项目通过分析多模式预估试验，结合超级集合大样本模拟等方法，力图理解季风预估不确定性的来源和机理，从而通过约束模式，减少不确定性，并订正预估结果。本项目开展了如下三方面的研究工作：（1）通过分析不同模式和不同时间尺度，揭示了季风模拟和预估的不确定性特征，提出了模式模拟偏差和不确定性的可能来源和机制；（2）通过模式比较计划、超级集合试验等多模式、多样本数据，揭示了影响季风变化不确定性的机制，明确了气候敏感度和海温增暖型的相对贡献，指出了模式对当前气候态模拟偏差对未来预估的重要影响，建立了约束预估结果，减少预估不确定性的流程方案；（3）通过多模式在理想温室气体强迫下的敏感性试验，揭示了与气候敏感度密切相关的云短波反馈作用影响变暖下预估不确定性的机制。本项目的重要研究结果如下：西北太平洋副高预估的两个不确定性模态分别对应于赤道西太平洋增暖和海陆热力对比变化的不确定性，各自与海温增暖型和气候敏感度有关，来源于中东太平洋冷舌区和海洋层积云区海温模拟的不确定性。利用“涌现约束”方法可将西太副高预估不确定性减少45%左右，订正后的西太副高显著增强。低分辨率模式中西太副高的减弱较为显著，可能低估了未来梅雨降水的增加。夏季与西太副高有关的热浪变率中海温强迫作用占约2/3，大气内部变率占1/3；在海温强迫中，约1/3为ENSO海温型的影响，另外1/3则来自非ENSO（热带外）海温型。太平洋年代际振荡海温型是引起未来15-30年南亚夏季风降水预估不确定性的主要内部变率因子。若能够准确估计未来该海温型变化，则预估的南亚夏季风降水不确定性将减少20%左右。降低当前气候模拟中边界层稳定度和南大洋海冰的偏差对减少未来预估不确定性有重要作用。