《科学通报》
开博时间：2019-09-06 16:50:00《科学通报》是主要报道自然科学各学科基础理论和应用研究方面具有创新性、高水平和重要意义的研究成果。报道及时快速，文章可读性强，力求在比较宽泛的学术领域产生深刻影响。
外强迫对百年来陆地降水变化的贡献
2020-12-06 21:41:00最近，中山大学大气科学学院李庆祥教授在《科学通报》发表“用外部强迫因子对近百年陆地降水变化的统计建模试验”一文，报道了一种较为简易的组合统计模型，该模型以辐射强迫(有效辐射强迫)因子作为自变量，将近百年陆地降水变化中自然强迫、人为活动的影响贡献分别进行了分解。
人类活动如何影响气候变化?相关研究不断深入(pixabay)
对于气候变化中的人类活动影响，科学界已经有了比较清晰的认识，对影响气候系统的不同外强迫因子也有了相对充分的理解。气候系统外强迫包括自然强迫 (如太阳活动引起的辐照度变化、火山爆发喷射到平流层的气溶胶影响)和人为强迫 (如温室气体、人为气溶胶、臭氧和土地利用、雪盖黑炭等造成的地表反照率变化、飞机尾迹卷云等)(图1)。科学认识长期气候变化中不同强迫因子的相对贡献 ，对于加深气候变化基础认知具有非常重要的科学和应用意义。
图1 自然与人为辐射强迫数据. 插图显示9种人为强迫
然而，由于当前气候变化观测、外强迫因子估计和模式模拟等方面尚存在一系列不确定性，精确量化 外强迫对气候变化的贡献还非常困难;此外，传统指纹分析在区分不同外强迫的贡献时，需要针对性开展耦合模式模拟实验，目前国际最新的检测归因模式比较计划 (detection and attribution model intercomparison project, DAMIP)只针对温室气体和人为气溶胶开展了相关模拟实验，对其他外强迫因子的试验尚没有系统开展，单独进行此类实验成本巨大，非个人或一个独立研究小组可以承担。因此，关于气候变化外强迫归因与相对贡献进一步分解的方法学 问题还有较为广阔的探索空间。
基于现有的科学认识，中山大学大气科学学院李庆祥教授发展了一种不依赖于气候模式模拟的量化区分外强迫对大尺度气候变化贡献的简易方法。该简化模型基于以下假定：
1)假定已经充分认识了影响气候变化过程的主要外强迫因子;
2)假定外强迫因子对气候变化的影响是线性的，并且不同外强迫的贡献是可加的。
在此基础上，考虑到采用多元线性回归模型(multiple linear regression, MLR)对观测到的气候变化建模时，由于观测气候序列可能存在自相关和方差异质性等问题，而使回归方程无法满足最优无偏估计(best linear unbiased estimator, BLUE)，新模型引入了差分自回归滑动平均模型 (autoregressive integrated moving average model, ARIMA)与 MLR进行组合 解决这一问题;在分析不同外强迫的相对贡献时，考虑到不同外强迫因子之间可能存在多重共线性(相关性)，引入了偏最小二乘回归模型 (partial least squares regression, PLSR)，通过同时进行主分量分析 (principal component analysis，PCA)、典型相关分析 (canonical correlation analysis, CCA)和回归分析 (regression analysis，RA)，解决了这一归因研究中的“因子混淆”的难题。
为了检验该模型的效果和稳健性，文章直接采用目前归因难度相对较大的全球陆地降水要素进行了试验研究 (所采用的全球降水数据集由作者团队自行发展，经对比评估具有较高可靠性。图2)。
图2 全球(a)及各纬度带(b~e)平均降水距平序列
试验表明这种简易模型的结果和已有成果具有很好的一致性，并基本符合物理预期：
1)对全球陆地降水、陆地高纬度和中高纬度降水的建模效果较好(解释方差接近或大于50%左右)，人类活动和自然强迫对于全球陆地降水来说，都是确定性影响因子;但对于北半球中、高纬度来说，自然强迫的作用有限，人类活动具有统计显著的影响;
2)具体而言，无论是对全球陆地(图3)，还是北半球中、高纬度陆地降水变化，人为气溶胶、飞机尾迹卷云都是明确的正贡献;其余各因子的贡献则出现正、负分化，说明这些因子对于全球和区域性降水变化的贡献存在一定的不确定性;
图3 全球陆地降水距平变化PLSR模型中各个辐射强迫的标准化系数
(暖色直方图表示对降水增多为正贡献，反之为负贡献)
3)简易模型对观测基准数据和外强迫因子数据准确性有较高的要求，基于气候变化归因研究的基本认识，可以作为一个较为便捷的量化气候变化外强迫贡献的方法和对模式归因的补充。
文/李庆祥
本文来自《科学通报》
