气候趋势转折检测的新方法与全球表面气温趋势转折的时空特征

发布时间：2020-05-16 01:34

【摘要】：随着人类工业技术不断的发展,人类活动对气候带来的影响越来越不可忽视,由此催生出了气候学中探讨人类活动导致气候变化的新研究方向。在上个世纪的后半叶,全球温室气体浓度持续快速升高,全球平均表面气温整体保持上升趋势,与之伴随而来的是海平面升高、高原雪盖融化、极地海冰消退、海表面温度不断上升等一系列气候问题。到了21世纪初期,有关全球变暖的理论初步成型,相关研究受到各国政府大力支持,且被公众广泛关注。此时人类活动排放的温室气体会导致全球变暖几乎已经是一个不再有争议的事实。在这样的历史背景之下,1998年后的全球平均表面气温出现了变暖的趋缓。数据显示似乎在此之后的近十年间全球表面气温没有再继续升高过(Smith et al.,2008;Easterling and Wehner,2009),而与此同时全球温室气体浓度却不断创下新高。这种全球大气温室气体的浓度持续快速上升但同一时期全球表面气温却出现了变暖速率趋缓的现象被称为全球变暖趋缓(Global warming slowdown)或者全球变暖“停滞”(Global warming hiatus)。现有的气候学理论不能够完全解释全球变暖趋缓现象的出现,所以这种现象自出现起就立即同时受到了科学界与公众两方面的广泛关注,并引发了科学讨论,由此也导致公众和政府对于全球变暖的关注与疑惑。当然这同时也激发了科学家们的研究热情。基于全球变暖及变化趋缓的研究现状,我们发展完善了趋势转折检测方法,之后再结合现有统计方法,从全球与区域等不同的角度展开了多方面的研究,发现了一些有关全球表面气温趋势变化的新特征,希望这些新特征能为加深理解全球变暖问题提供有益的帮助。本博士论文的主要研究结论如下:1)本文讨论了趋势转折的诸多特征,将趋势转折根据转折前后趋势的不同组合,分为了三种基础类型:趋势逆转型(TR,Trend Reversal)、趋势产生或消失型(TN,Trend vs.No trend)以及趋势同号但趋势值存在显著差异型(TD,Trends are different only in Degree,and are in same-sign)及相应的十种子类。我们发现现有趋势转折讨论经常忽略TD类趋势转折,现有趋势转折检测方法对其识别能力较低,但TD类趋势转折作为一个事实存在,在研究全球表面气温趋势变化问题时相当关键。对趋势转折问题而言,转折前、后子序列存在显著的趋势差异是所有趋势转折的共同特征,根据这一点本文发展了一种新的趋势转折检测方法,称为滑动斜率差异t-检验法。我们通过蒙特卡罗模拟试验的方式评估了新方法的误判率、漏判率以及识别样本序列中多次趋势转折的能力。并在之后通过理想序列与实际气候序列案例对比了新方法与现有常用趋势转折检测方法之间检测结果的差异。研究结果表明,与现有的方法相比滑动斜率差异t-检验法识别TD类型趋势转折的能力更强,且对三类趋势转折均有较好的识别能力。2)全球平均表面气温在21世纪最初十几年里是否出现了较为明显的变暖趋缓,这一问题在气候变化研究中受到了较多的关注。在本文中,我们使用多资料、多方法讨论了这一阶段全球平均表面气温的趋势变化特征。我们发现21世纪最初的十几年里全球平均表面气温的变化趋势相比之前的时期存在一定程度的趋缓,但其趋缓的程度总体上是不显著的。进一步我们设计了两组蒙特卡罗模拟试验,研究了随机性扰动是否有可能导致21世纪最初十几年里的变暖相对趋缓。在大量试验的基础上我们发现仅仅依靠资料中的随机性扰动只有极低概率可能引起21世纪最初十几年里的变暖相对趋缓。根据这些结论我们做出推测,认为这段时期全球表面气温场的趋势变化可能具有较强的区域性特征。3)利用基于滑动斜率差异t-检验法的区域趋势转折特征划分研究方法,我们研究了全球表面气温场趋势转折的时空特征,发现1880年以来的一百多年里全球表面气温场出现过四次较为集中的大范围趋势转折过程,分别为1902年-1915年间变暖性转折为主的过程、1930年-1950年间变冷性转折为主的过程、1964年-1975年间变暖性转折为主的过程和1980年-2001年间冷暖转折同时出现的过程。进一步,我们通过分析1980年-2001年间冷暖转折同时出现的过程,识别出了21世纪初期全球变暖相对趋缓对应的六个主要变冷区,它们分别为南大洋区域、南半球热带东太平洋区域、北半球热带东太平洋区域、北大西洋区域、黑潮附近区域以及亚洲大陆东北部区域。此外,我们还计算了每个变冷区对21世纪初期全球变暖相对趋缓的相对贡献率,六个主要变冷区合计相对贡献率大约为71.32%至82.34%。这表明在此六个变冷区内出现的表面气温变冷性趋势转折,很可能正是导致全球变暖出现相对趋缓的直接原因。4)以识别出的1980年-2001年间冷暖转折同时出现的过程为线索,我们发现以阿拉伯半岛为核心的中东干旱地区在这个阶段出现了转折幅度较大的变暖性趋势转折,以此为出发点我们讨论了全球不同干旱区内表面气温的趋势转折特征。我们发现在最近这40年里,全球陆地平均表面气温升高了约1oC,而干旱区内平均表面气温已经升高接近1.5oC。全球陆地与干旱区内平均表面气温均在1980年前后出现了变暖加速型的趋势转折,全球陆地平均表面气温在转折后变暖速率达到了0.28oC/10年,而干旱区内平均表面气温在变暖加速的趋势转折后更是达到了0.36o至0.38oC/10年的水平,两者的变暖速率相比它们趋势转折前升高了约3.5倍与6倍之多。干旱区内爆发式的变暖加速,主要贡献来源于撒哈拉干旱区和阿拉伯半岛干旱区。
【图文】：

全球大气,全球,气温,CO2浓度

图 1-1 1850-2015 年全球平均表面气温与全球大气 CO2浓度（注：本图引用自（Li 等，2018））五次工作报告（IPCC AR5,2013）指出，在 1880 年-2球平均表面气温已经变暖了约 0.85oC，研究者将此现象体的增加。但自 20 世纪末以来，，全球大气中温室气体的，同一时期全球表面气温却出现了变暖速率的趋缓（图这种现象被称为全球变暖趋缓（Global warming slowd滞”（Global warming hiatus）。Smith et al.（2008）与（2009）在他们各自的研究中都较早地发现了自 1998 年乎不再升高的现象。Knight et al.（2009）发现，90 年每十年的增温（约为 0.07oC）要远小于 1979 年-2005 年.18oC）。在 IPCC 第五次工作报告（IPCC AR5,2013）中

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图 2-1 1901 年-2012 年的全球表面气温趋势空间分布图（注：本图引用自 IPCC 第五次工作报告，IPCC AR5，2013）NOAA-GT 资料（Smith et al.,2008；Vose et al.,2012）的格点分辨率为5o×5o，最早的观测开始于 1880 年。它陆地与海洋上的数据源与 GISTEMP 资料一样，陆地部分来自于 GHCN-M 资料，海洋部分来自于 ERSST 资料。这套资料采用了与 GISTEMP 资料不一样的数据插值算法，并且其陆地与海洋部分的数据插值计算的分开进行的。BEST 资料（Rohde et al.,2013a；Barbara,2013）的格点分辨率为 1o×1o，是四套数据中分辨率最高的，它最早的观测开始于 1850 年。与上述三套资料的不同在于，BEST 资料的陆地观测部分来源于 14 套不同的资料，这使得其包括的站点数目达到了将近 37000 个左右，远多于其他三套资料大约 5000-7000 的站点数目。在海洋部分，BEST 数据来源于 HadSST 资料，但对原始的数据进行了一些
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P467

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