对地-气能量平衡方法（CFRAM）的改进及华北地区温度日较差长期变化的归因研究

The diurnal temperature range (DTR)，defined as the difference between the daily maximum temperature (Tmax) and daily minimum temperature (Tmin), is an important indicator of climate change. The diurnal temperature range (DTR) has decreased significantly over North China in recent decades. Many studies have indicated possible influence of various physical processes on the long-term changes of DTR over North China. However, a consensus is still lacking with respect to the physical processes mainly responsible for the decreased DTR and their relative contributions over the North China in recent decades. CFRAM can quantitatively attribute the total temperature changes to the changes in individual radiative processes and non-radiative processes, and provide a new method for understanding the long-term changes of DTR over North China. The radiative processes of aerosols have significant influence on the long-term changes of DTR, which, however, are not explicitly considered in the current version of CFRAM. The purpose of this study is to re-examine the long-term change in the DTR over the North China by using in-situ observational and reanalysis datasets, and apply a new version of CFRAM with the aerosol-resolved radiative model to perform an attribution analysis of the changes. We provide quantitative evidence indicating the relative contributions of the long-term changes in various processes. The study will benefit our understanding of the long-term changes in surface temperature and the surface energy-balance processes over the North China, as well as provide scientific guide for the study of the effects and adaption a of climate changes in China.

日较差是日最高温度与日最低温度之差，是气候变化的重要指示因子。近几十年，华北地区日较差有显著减小趋势，在全国范围也是十分显著的。其成因目前还没有明确结论，特别是多种物理过程哪个起主导作用？相对贡献如何？都亟待深入研究。地-气能量平衡方法（CFRAM）可将温度变化定量地归因于各辐射过程和非辐射过程的变化，因此可为系统理解华北地区温度日较差减小的成因提供新的途径。然而，目前CFRAM缺少对气溶胶辐射过程的显式描述，而气溶胶对华北地区温度日较差减小起着非常重要的作用。本项目首先采用中国气象局的观测资料和各套再分析资料，对比揭示华北地区日较差的变化特征；然后在CFRAM中加入包含气溶胶过程的辐射模块，进而利用新版本的CFRAM对日较差长期变化进行归因分析，给出各物理过程对华北地区日较差长期变化的定量证据。该研究有助于理解华北地区温度变化和能量平衡特征，为气候变化对我国的影响和适应研究提供科学依据。

日较差是日最高温度与日最低温度之差，是气候变化的重要指示因子。华北地区地形复杂，日较差变化趋势显著，且存在不同的区域特征。但其成因目前还没有明确结论，特别是多种物理过程哪个起主导作用？相对贡献如何？都亟待深入研究。本项目利用1979–2012年逐6小时的ERA-Interim再分析资料和中国气象局的台站观测资料，对华北地区地面温度日较差的长期变化特征进行了对比分析，并利用CFRAM方法定量评估了引起华北地区日较差长期变化的各物理过程的相对贡献。结果表明自20世纪80年代以来，华北地区日最高温度和日最低温度均升高，其中日最高温的增温趋势（0.5°C/10a）强于日最低温的增温趋势（0.2°C/10a）。因此，华北地区平均日较差是增大的，特别是在华北南部，升高速率超过0.2°C/10a，而京津冀、山东北部以及山区日较差降低。在季节变化方面，夏季华北地区日较差升高最为剧烈（0.5°C/10a）。进一步利用CFRAM方法归因分析的结果表明，华北地区日较差的增大（0.07°C）主要由辐射过程的变化所贡献（0.14°C），尤其是水汽含量的减少引起的更强的日最低温度的降低以及CO2含量的增加引起的更强的日最高温度的升高，二者分别贡献了0.24°C和0.03°C的日较差变化。而非辐射过程变化引起的日较差变化（–0.07°C）部分削弱了辐射过程的贡献，主要是华北南部白天向上的地表感热通量（–0.40°C）和地表潜热通量（–1.13°C）的显著增加引起的日较差减小与动力过程的变化（1.45°C）引起的日较差增大三者之间平衡的结果。该研究有助于理解华北地区温度变化和能量平衡特征，为气候变化对我国的影响和适应研究提供科学依据。