CMIP6模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异.pdf

CMIP6 模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异*乔年卢楚翰管兆勇胡杨QIAONianLUChuhanGUANZhaoyongHUYang南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京，210044Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation ofMeteorological Disasters，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China2023-01-06 收稿，2023-05-24 改回.乔年，卢楚翰，管兆勇，胡杨.2023.CMIP6 模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异.气象学报，81（5）：776-787Qiao Nian，Lu Chuhan，Guan Zhaoyong，Hu Yang.2023.Anti-phase relation of water vapor mass between the Northern and SouthernHemispheres in CMIP6 models：Differences under different greenhouse gas emission scenarios.Acta Meteorologica Sinica，81（5）:776-787AbstractChanges in water vapor mass can obviously counteract seasonal changes of the interhemispheric oscillation.In thepresentpaper,theoutputsofCMIP6modelsfromJanuary2015toDecember2100areusedtoanalyzeseasonalcyclecharacteristicsofwatervapormassunderfourgreenhousegasemissionscenariosandcomparewiththehistoricalrunfrom1958to2015.Itisfoundthatthewatervapormassinbothhemispheresshowobviousseasonalcycles.IntheNorthernHemisphere,watervapormassischaracterizedbylowvalueinwinterandhighvalueinsummer,whiletheoppositeistrueintheSouthernHemisphere.Regardlessofthe Northern and Southern Hemispheres,the annual range of water vapor mass is the smallest under the SSP1-2.6(SharedSocioeconomicPathway)scenario,andlargewatervapormasschangesoccurinwinterandsummer.WiththeincreaseofCO2,theannualrangeofwatervapormassintheNorthernHemisphereundertheSSP3-7.0scenarioisthelargest,whichincreasesby26.49%comparedwiththatofthehistoricalrun.ThesituationintheSouthernHemisphereisdifferenttothatintheNorthernHemisphere.With the increase of CO2 after the SSP1-2.6 scenario,the annual range of water vapor mass in the Southern Hemisphere alsoincreases,reachingthemaximumundertheSSP5-8.5scenario.TheannualrangeofwatervapormassIHOincreaseswiththeincreaseofCO2concentration,andreachesthemaximumundertheSSP5-8.5scenario.However,theincreaseamplitudedecreases.Thechange of CO2 concentration has the most obvious influence on the abnormal change of water vapor mass near the Equator.Meanwhile,theclosertotheAntarctic,thesmallertheabnormalchangeofwatervapormass.However,theclosertotheArctic,thegreatertheabnormalchangeofwatervapormassinsummerthaninwinter.Inaddition,theincreaseofCO2concentrationwillleadtogradualaccumulationofwatervapormassinsummertowardsthemid-latitudesoftheNorthernHemisphere.TheseconclusionsareconducivetobetterunderstandingoftheresponseofwatervapormasschangetotheincreaseinCO2concentration,andprovidecluestofutureclimatepolicyformulationonprecipitation.Key wordsWatervapormass，Seasonalcycle，Interhemisphericoscillation，Greenhousegasemissionscenarios，CMIP6摘要在大气质量南北涛动季节变化过程中，水汽质量变化与干大气质量南北涛动时间序列存在明显的反位相变化关系。使用 2015 年 1 月2100 年 12 月的 CMIP6 资料分析 4 个温室气体排放情景下水汽质量季节循环特征，并与 19582015 年历史模拟*资助课题：国家自然科学基金项目（41975073）。作者简介：乔年，主要从事气候动力学研究。E-mail：通信作者：管兆勇，主要从事海气相互作用、气候动力学研究。E-mail：doi:10.11676/qxxb2023.20220207气象学报试验对比，得到：半球水汽质量存在明显的季节循环特征，北半球水汽质量月平均值在冬季（DJF）达到最小，夏季（JJA）达到最大；南半球情况与之相反。无论是南半球或是北半球，与其他排放情景相比，SSP1-2.6（SharedSocioeconomicPathway）情景下南、北半球水汽质量年变程最小。4 个情景下冬、夏季水汽质量变化都比春、秋季剧烈。随着 CO2浓度的上升，SSP3-7.0 情景下北半球水汽质量年变程最大，相比于历史模拟试验增加了 26.49%，南半球则不同于北半球，SSP1-2.6 情景后随着 CO2浓度的上升，水汽质量年变程也随之增大，在 SSP5-8.5 情景下达到最大。南、北半球水汽质量涛动的年变程随着 CO2浓度的上升而增大，在SSP5-8.5 情景下达到最大，但增大的幅度减小。CO2浓度变化对赤道附近水汽质量变化影响最为明显，且越靠近南极，水汽质量变化越小，但越靠近北极，夏季水汽质量变化比冬季越大。此外，CO2浓度的上升会导致夏季水汽逐渐向北半球中纬度堆积。这些结论有利于更好地认识区域间水汽质量变化对 CO2浓度上升的响应，为未来有关降水的气候政策制订提供依据。关键词 水汽质量，季节循环，南、北半球际大气质量涛动，温室气体排放情景，CMIP6中图法分类号P4671引言大气质量变化能够直接体现大气环流变化和气候系统的变化与调整（Lorenz，1951；Christy，etal，1989；Yu，etal，2014），这种调整决定了天气、气候变化甚至极端天气、气候事件发生。研究表明，在全球干空气质量守恒的前提下，一个半球的大气质量的增多必然与另一个半球大气质量的减少相对应（Trenberth，1981；Trenberth，etal，2005），比如冬半球由于冷却而地表气压升高时，夏半球的平均 气 压 就 会 降 低（Chen，et al，1997）。Guan 等（2001）使用地表气压（ps）计算大气质量，发现南、北半球间存在全球空间尺度的大气质量再分布，并称这种现象为“南北涛动”（InterhemisphericOscil-lation，IHO）。IHO 反映了由半球际大气质量交换导致的大气重新分布，其异常质量大值区主要集中于两半球的中高纬度，它可引起全球范围内的大气环流变化。卢楚翰等（2008）对IHO季节特征进行了分析，结果表明大气质量 IHO 季节循环明显，表现为两半球大气质量的反位相变化，北半球大气质量在冬季达到最大，夏季最小，南半球相反。IHO季节变化与全球范围大气质量的重新分布相关，其中对 IHO 季节变化起主要作用的是水汽质量的变化，对IHO贡献最大的地表气压扰动出现在中纬度地区。IHO 与中国同期气候变动以及夏季风异常存在显著联系（卢楚翰等，2008，2009，2010，2013；Guan，etal，2010；丛菁等，2011；Jin，etal，2015）。除此之外，已有的研究还表明 IHO 与大气质量海陆间迁移（胡潮等，2015；周游等，2016；尹旸艳等，2018）、大气角动量异常（Lu，etal，2019）等现象都有关。干空气质量流和水汽质量流是引起地表气压变化的两个主要分量，但气候模式对两者的模拟效果仍有待改进（Qin，etal，2015）。世界气候研究计划（WorldClimateResearchProgram，WCRP）下的国际耦合模式比较计划（CoupledModelInter-comparisonProject，CMIP）在气候变化及其影响研究方面得到了广泛应用。已有研究利用 CMIP 模式资料分析了水汽质量变化对 IHO 季节变化的影响。卢楚翰（2009）利用国际大气环流模式比较计划（Atmospheric Model Intercomparison Project，AMIP）的 12 个模式模拟资料评估了这些模式对 IHO季节变化以及内部因子的模拟能力，证明水汽质量是 IHO 季节变化的主要因素，但是 AMIP 模式对于蒸发率和降水率的模拟效果较差。乔年等（2022）通过比较，筛选出了模拟 IHO 季节循环最好的 16 个CMIP6 模式。这 16 个模式成功地模拟出半球大气质量的时间演变和空间结构，表明水汽对 IHO 季节变化有抵消作用且半球内部水汽质量变化可驱动越赤道质量流的产生，但在量值和峰谷值的月份与再分析资料存在一定偏差。CMIP6计划试验主要包括核心的气候诊断、评估和描述试验（DiagnosticEvaluationandChar-acterizationofKlima，DECK），历史模拟试验（His-toricalRun）和23个模式比较子计划试验（CMIP6-endorsedMIPs）。情景模式比较计划（ScenarioModel Intercomparison Project，ScenarioMIP）是CMIP6 的主要子计划之一。该计划不同于 CMIP5中的典型浓度路径（RCPs）情景，CMIP6 中的情景是不同共享社会经济路径（SharedSocioeconomicPathways，SSPs）和 RCPs 的组合情景，包含了未来社会经济发展的含义，更加强调未来辐射强迫情乔年等：CMIP6 模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异777景与共享社会经济情景的一致性（ONeill，etal，2016；Riahi，etal，2017；张丽霞等，2019），改进了CMIP5 中长期存在的模型偏差和辐射强迫量化差的问题，为评估模式对过去和当前气候变化的模拟能力、预估未来气候变化提供了重要数据基础（Eyring，etal，2016；Stouffer，etal，2017）。已有研究利用 CMIP6 情景模式比较计划资料对区域降水进行了预估。王予等（2021）指出在中国地区，CMIP6 相较于 CMIP5 对极端降水的模拟能力总体上有提升，主要体现在 CMIP6 对干旱区平均的气候态和变率方面改进明显，而对于湿润区的改进主要表现在对极端降水空间相关模拟能力的提高。周天军等（2021）利用 CMIP6 模式模拟资料指出，温室气体浓度升高有利于提升极端降水事件的发生概率（44%），人为气溶胶浓度上升则降低其发生概率（73%），这与地表降温引起的可降水量减少、东亚夏季风环流减弱有关。未来随着温室气体的排放增加和人为气溶胶的减排，类似持续性强降水事件的发生概率将持续升高。在不同的 SSP 下，未来温室气体排放越多，极端降水事件的发生风险越高。庄园煌等（2021）基于CMIP6的16个全球模式试验数据，预估了 1.5/2 升温目标下“一带一路”主要陆域的未来降水变化，指出升温目标下陆域降水变化具有明显的空间差异，地中海与黑海地区、中国南部至中南半岛地区减少，其他地区的降水普遍增多。这些研究对认识大气中的水汽含量变化有着重要的物理意义。与现代气候相比，末次盛冰期存在大量冰盖以及较低的温室气体含量，使得地表和对流层降温，这种降温通过抑制大气容水能力而减少大气中的水汽含量（Jiang，etal，2015；Yan，etal，2016；Cao，etal，2019）。进一步的研究结果表明，随着温室气体排放的增加大气中的水汽含量也在增大（张丽霞等，2019；Lu，etal，2020）。然而，针对水汽质量南、北半球变化的研究尚未见诸报道。当不同的排放情景出现时，各季南、北半球的水汽质量相较于历史模拟时期如何变化以及区域水汽质量异常变化对温室气体浓度上升的响应差异如何，至今亦未见较为系统的研究。因此，文中将利用 CMIP6 未来不同情景预估结果分析半球水汽质量的季节循环特征，并给出冬、夏季区域水汽异常分布对 CO2浓度上升的响应特征，结果对深刻认识气候变化对全球大气乃至降水变化的影响有着重要意义。2资料与方法 2.1 资料截至2022 年11 月，共有47 个CMIP6模式对外 发 布 了 历 史 模 拟 试 验 的 月 平 均 地 表 气 压 数据，历史模拟试验中所分析时段为1958 年 1 月2014 年 12 月。乔年等（2022）根据历史模拟试验对 IHO 季节循环的模拟效果，从 47 个模式中挑选了模拟较好的 16 个模式，16 个模式中具有 4 种主要排放情景即 SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和 SSP5-8.5 的资料具体见表 1。所用变量为月平均地表气压、比湿，多层资料高度范围为 100010hPa，共有 17 层，覆盖时段为 2015 年 1 月2100 年 12 月，此外，采用双线性插值方法，对不同分辨率的资料进行了处理，使其分辨率统一到 2.52.5网格，并取各模式的等权重算术平均作为模式集合平均。由于文中分析的是年变化，所有资料均事先处理成多年平均的月平均值，形成长度为 12 个月的时间序列。表1研究所用的 CMIP6 模式各情景资料情况，主要为逐月地表气压和比湿资料Table1CMIP6modeldataundereachscenariousedinthepresentstudy，mainlyincludingmonthlysurfaceairpressureandspecifichumidity名称历史模拟SSP1-2.6SSP2-4.5SSP3-7.0SSP5-8.5ACCESS-CM2AWI-CM1-1-MRAWI-ESM-1-1-LREC-Earth3-AerChemEC-Earth3-CCGFDL-CM4GFDL-ESM4HadGEM3-GC31-LLHadGEM3-GC31-MMKACE-1-0-GMCM-UA-1-0MIROC-ES2LMPI-ESM-1-2-HAMNorESM2-LMNorESM2-MMUKESM1-0-LL778Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（5）2.2 水汽质量的计算mG）根据 Guan 等（2001）和卢楚翰等（2008）的工作，利用地表气压（ps）计算全球的大气总质量（mG=2a2fDg0w22ps()cos d（1）fD=1.0020式中，为地球形变参数，为纬度，a 为地球平均半径，g0为平均重力加速度。由此可以推出北半球和南半球大气总质量表达式分别为mNH=2a2fDg0w20ps()cos dmSH=2a2fDg0w02ps()cos d（2）mwGmNHwmSHw而 全 球 水 汽 质 量（）、北 半 球 水 汽 质 量（）及南半球水汽质量（）的表达式为mwG=2a2fDg0w22pw()cos dmNHw=2a2fDg0w20pw()cos dmSHw=2a2fDg0w02pw()cos d（3）ps式中，pw是地表气压（）中的水汽压强分量，表示为pw=wps0qdp=gw（4）式中，q 为比湿，w 为整层大气的可降水量。针对某一时间点，这里依据大气质量定义 IHO指数为ImIHO=(mNHmNH)(mSHmSH)（5）mNHmSH式中，、分别表示北半球和南半球大气质量的年平均值。而水汽的 IHO 指数为IwIHO=(mNHwmNHw)(mSHwmSHw)（6）mNHwmSHw式中，、分别表示北半球和南半球大气质量的年平均值。=12w20Ad文中定义变量 A 的纬向平均为A，定义变量 A 的异常（A）为 A 相对于其年平均的偏差。定义变量 A 的年变程为一年 12 个月 A 的最大值和最小值之差。3温室气体排放情景下的南北半球水汽质量逐月变化及与历史模拟试验对比卢楚翰等（2008）基于再分析资料的诊断分析得出，半球水汽质量的季节变化是 IHO 年循环的重要分量，表明模式大气中水汽总量的变化对南北涛动有抵消作用。对比 4 个温室气体排放情景下半球水汽质量变化（图 1），4 种情景下都显示出如下的特征：（a）南、北半球水汽质量存在明显的季节循环特征，北半球变化冬小夏大，南半球则与之相反，与大气总质量呈现反向变化关系，表明大气中水汽总量的变化对大气总质量变化有补偿作用。（b）北半球水汽质量变化峰值和年变程大于南半球。由于H2O 分子量为 18，明显小于大气平均分子量（28），夏季北半球水汽体积的增加是 ps进一步降低、IHO指数减小的重要分量。随着 CO2浓度的持续上升，两半球水汽质量呈现出了不同的变化。4 种情景中 SSP1-2.6 情景下两个半球水汽质量年变程变化都是最小的，南、北半球年变程分别为 2.781015kg、4.471015kg。对于北半球而言，57 月水汽质量在 SSP3-7.0 和SSP5-8.5 情景下气候平均值相差较小，与历史模拟试验差值也在两个情景下接近。虽然随着 CO2的增加，北半球各个月的水汽质量气候平均值也随之增大，但是 SSP3-7.0 情景下水汽质量年变程最大（表 2）（4.871015kg），比 历 史 模 拟 试 验 增 加 了26.49%。结合图 1a 和 b 可以发现，相邻两个情景间 差 距 最 大 的 月 份 是 在 SSP2-4.5 情 景 与 SSP3-7.0 情景下的 8 月，说明北半球夏季末水汽质量受温室气体含量增加影响较大，可能会对夏季末北半球降水增多产生重要影响。南半球水汽质量季节变化则不同于北半球。SSP1-2.6 情景后随着 CO2浓度的升高，南半球水汽质量年变程增大。从与历史模拟试验的差值可以发现，虽然 SSP1-2.6 和 SSP5-8.5 情景下南半球各季节水汽质量差值最小和最大，但是 SSP2-4.5 和SSP3-7.0 情景相比，两个情景下水汽质量变化幅度差距较小，与历史模拟试验的差值也比较接近，这与北半球 SSP2-4.5 和 SSP3-7.0 情景下水汽质量气候平均值差距较大不同，同时，SSP5-8.5 情景下南半球水汽质量气候平均值与历史模拟试验下的差值远大于其他 3 种情景，尤其在 3 月，最大差值达到 1.321015kg。对比可以发现，南半球水汽质量在温室气体排放超过一定阈值后会发生较大的增加，而在阈值前水汽质量的增加幅度较小，而北半乔年等：CMIP6 模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异779球水汽质量则是随着温室气体的增加都会出现较大幅度的变化，这可能与两半球海陆分布不同有关。随着 CO2浓度的上升，水汽质量 IHO 年变程也随 之 增 大，在 SSP5-8.5 情 景 下 达 到 最 大，为7.971015kg（表 2）。图 1c 显示冬、夏季的水汽质量 IHO 变化幅度最大，最大的月份在 4 种情景中都是 8 月，这可以为解释夏季末区域降水量大提供依据。值得注意的是，4 种情景中随着 CO2浓度的上升，各情景间 IwIHO年变程的增加幅度减小（SSP1-2.6 至 SSP2-4.5 的增加幅度是 0.331015kg，SSP2-4.5 至 SSP3-7.0 的增加幅度是 0.251015kg，SSP3-7.0 至 SSP5-8.5 的增加幅度是 0.141015kg），说明当 CO2浓度升高到一定程度后，半球间大气水汽质量异常增加幅度减小，是否是因为更多的水汽进入5.07.010.011.09.08.06.0(a)SH_ssp585NH_ssp585SH_ssp370NH_ssp370SH_ssp245NH_ssp245SH_ssp126NH_ssp12600.82.02.41.61.20.4(b)SH_ssp585NH_ssp585SH_ssp370NH_ssp370SH_ssp245NH_ssp245SH_ssp126NH_ssp126 2.002.03.01.0 1.0(d)water_ssp585water_ssp370water_ssp245water_ssp12604.02.0 2.0 4.0(c)water_ssp585water_ssp370water_ssp245water_ssp126Monthly averageDifferenceMonthly averageDifferenceJanJanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecJanJanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecJanJanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecJanJanFeb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec图1半球水汽质量多年月平均值（a）及与历史模拟试验的差值（b），以及 IwIHO多年月平均值（c）及与历史模拟试验的差值（d）（单位：1015kg，长虚线、圆点（）为 SSP1-2.6（ssp126）情景下南、北半球，点虚线、圆圈（）为 SSP2-4.5 情景下，短虚线、加号（+）为 SSP3-7.0 情景下，双短虚线、五角星（）为 SSP5-8.5 情景下，灰色柱状为历史模拟试验）Fig.1Multi-yearmonthlyaveragehemisphericwatervapormass（a）anddifferencefromthatinhistoricalrun（b），andIwIHOmulti-yearmonthlyaverage（c）anddifferencefromthatinhistoricalrun（d）（annualaveragevaluehasbeendeducted，unit：1015kg;thelongdottedlineandthesolidcircle（）arefortheNorthernandSouthernhemispheresrespectivelyunderthescenarioofSSP1-2.6（ssp126），thedottedlineandthehollowcircle（）areunderthescenarioofSSP2-4.5，theshortdottedlineandtheplussign（+）areunderthescenarioofSSP3-7.0，thedoubleshortdottedlineandthepentagram（）areunderthescenarioofSSP5-8.5，andthegraycolumnsareunderthehistoricalrun）780Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（5）海洋有待进一步确认。综上分析，随着 CO2浓度的上升，南、北半球水汽质量年变程都是在 SSP1-2.6 情景下最小，且北半球水汽质量季节变化幅度大于南半球。4 种情景下冬、夏两季半球水汽质量变化最为剧烈。但是 CO2浓度继续上升，南、北半球水汽质量季节变化出现差异，北半球水汽质量变化在 SSP3-7.0 情景下最大，南半球则是在 SSP5-8.5 情景下最大。而水汽质量 IHO 年 变 程 随 着 CO2浓 度 的 升 高 而 增 大，在SSP5-8.5 情景下达到最大，但增大的幅度减小。表2半球水汽质量气候平均值及水汽质量 IHO年变程（单位：1015kg）Table2AnnualrangesofclimaticmeanvaluesofhemisphericalwatervapormassandIwIHO（unit：1015kg）情景类型 历史模拟SSP1-2.6 SSP2-4.5 SSP3-7.0 SSP5-8.5NHq3.854.474.634.874.85SHq2.622.782.952.963.12IwIHO6.477.257.587.837.974温室气体排放情景下水汽质量分布水汽质量的季节变化对 IHO 季节变化起到补偿作用，但随着 CO2的增加，南、北半球水汽质量呈现出不同的季节变化特征。为了进一步探讨不同情景下水汽质量变化对大气质量分布的影响，接下来从地表气压（ps）的水汽压（pw）分量冬、夏季分布进行分析。4.1 北半球冬季（DJF）pwpwpwpw纬向平均的水汽压异常值（）显示不同的CO2浓度通过对水汽压的影响，从而对地表气压进行 调 整。图 2a 显 示，无 论 是 在 哪 一 种 情 景 下，最大的区域主要集中在赤道附近，越向南极，幅度越小，而向北极方向，北半球中、高纬度幅度最小，再向北则幅度逐渐变大，这可能与两个半球的海陆分布差异有关，北半球中、高纬度陆地较多，水汽变化弱于其他地区。pwpwpwpw不同纬度带振幅并非线性地随着 CO2浓度的升高而增强。北半球 EQ10N 和 3060N在 SSP3-7.0 情景下（图 2a）出现了 pw正异常，与历史模拟试验下变化同位相，而其他 3 种情景则是 负 异 常。随 着 CO2的 增 加，10 20N 地 区幅度变大。2030N 则是在 SSP3-7.0 情景下最大。北极地区在 SSP5-8.5 情景下出现pw正异常，而其他 3 种情景则是负异常。与历史模拟试验相比（图 2b），两个半球中纬度历史模拟试验下 pw是正异常，但温室气体排放情景中都是负异常。南 半 球 EQ 20S 地 区 在 SSP5-8.5 情 景 下 0.200.100 0.10 0.3090S3060EQPw(hPa)603090N(a)ssp585ssp370ssp245ssp126 0.200.100 0.10 0.3090S3060EQPw(hPa)603090N(b)ssp585ssp370ssp245ssp126图2冬季 4 个温室气体排放情景及历史模拟试验下水汽压异常值纬向平均分布（a）及与历史模拟试验的差值（b）（实线为 SSP1-2.6 情景，长虚线为 SSP2-4.5 情景，短虚线为 SSP3-7.0 情景，点虚线为 SSP5-8.5 情景，黑色柱状为历史模拟试验）Fig.2Distributionsofzonalaveragewatervaporpressureanomaliesunderfourscenariosandinthehistoricalruninwinter（a）andthedifferencesfromthehistoricalsimulationrun（b）（thesolidlinedenotestheSSP1-2.6scenario，thelongdottedlineisfortheSSP2-4.5scenario，theshortdottedlineisfortheSSP3-7.0scenario，thedottedlineisfortheSSP5-8.5scenario，andtheblackcolumnisforthehistoricalrun）乔年等：CMIP6 模式大气中南北半球水汽质量反相变化：不同温室气体排放情景差异781pwpwpw最大，而 2030S 地区在 SSP3-7.0 情景下最大。3060S随着 CO2的增加，pw负异常变大，60S 向南则 4 种情景下幅度近乎相同，小于北极地区。pw为了进一步探究水汽质量在不同 CO2浓度下的分布，这里分析水平分布特征。由图 3 可见，pwpwCO2浓度的变化对赤道附近变化影响最为剧烈，而其他地区变化较大的主要还是集中在大洋洋面上。由于 CO2浓度的变化会导致洋面海温发生变化，进一步影响 Pw的变化，从而对 IHO 产生影响。图 3 说明，赤道太平洋水汽质量变化对 CO2浓度的变化最为敏感。4545EQ90S90N90E018090W0(a)4545EQ90S90N90E018090W0(e)4545EQ90S90N90E018090W0(b)4545EQ90S90N90E018090W0(f)4545EQ90S90N90E018090W0(c)4545EQ90S90N90E018090W0(g)4545EQ90S90N90E018090W0(d)4545EQ90S90N90E018090W0(h)0.6 0.4 0.200.20.40.6 hPa 0.6 0.8 0.4 0.200.20.4 hPa图3冬季 4 种温室气体排放情景下水汽压异常值分布（ad）及与历史模拟试验的差值（eh）（a、e.SSP1-2.6，b、f.SSP2-4.5，c、g.SSP3-7.0，d、h.SSP5-8.5）Fig.3Distributionsof water vapor pressure anomalies （ad）anddifferences from historical run （eh）under fourscenariosinwinter（a，e.SSP1-2.6；b，f.SSP2-4.5；c，g.SSP3-7.0；d，h.SSP5-8.5）782Acta Meteorologica Sinica气象学报2023，81（5）pwpwpwpwpwpwpwpw对比各情景间水平分布，可以发现水汽质量异常大值区也是受 CO2浓度变化影响较大的地区。随着 CO2的增加，赤道太平洋附近变化也增大，但在 SSP3-7.0 情景下（图 3c）变化减小，而南太平洋东部、孟加拉湾、阿拉伯海和北太平洋中部pw正异常增大，这样的分布下中国南部沿海地区pw也增大，水汽质量出现堆积。也与 SSP3-7.0 情景下赤道北部为正、10S 附近振幅减小（图 3a）吻合。在 SSP5-8.5 情景下（图 3d），赤道太平洋附近变化也增大，为正变化的区域范围变小。还注意到，在此情景下北极地区增大。4.2 北半球夏季（JJA）pwpwpwpwpw夏季赤道附近振幅依旧最大，且对 CO2浓度变化最为敏感。越靠近南极，夏季幅度越小。越靠近北极，幅度也越小，但明显大于南极地区，且在北极地区依然较大，说明夏季北极地区变化对 IHO 影响大于冬季。pwpwpwpw随着 CO2的增加，夏季各纬度变幅也减小，但各纬度带间变幅受情景变化影响存在明显差异。南半球变幅随着 CO2增加而减小，且各纬度带间差异较小，但历史模拟试验及 SSP1-2.6 情景（图 4a）下变幅最大值在赤道北侧，其他 3 种情景却是在赤道南侧。北半球各纬度带间差pwpwpwpwpwpwpwpw异却明显不同。SSP2-4.5 情景下越靠近北极，变幅先是增大，之后几乎稳定不变，在极区附近反而略有增大。在 SSP3-7.0 和 SSP5-8.5 情景下，从赤道到北极变幅显著下降，但也都是在极区附近增大，而且北半球中纬度极大值向北移动。从与历史模拟试验的差值（图 4b）可以看出，随着 CO2的增加，夏季变化先是减小，在 SSP2-4.5 情 景 下最 接 近 历 史 模 拟 试 验，再 之 后变幅增大。此外，有意思的是，SSP1-2.6 情景下北极地区减小，而其他 3 种情景下却是增大。pwpwpw这里从水平分布特征来进一步探究夏季水汽质量在不同 CO2浓度下的分布。CO2的变化对赤道附近变化影响最为明显，且夏季水平分布与冬季并不完全相反。随着 CO2的增加，水汽质量有向北半球中纬度堆积的趋势。pwpwpw夏季分布受不同 CO2浓度的影响与冬季存在较为明显的差异，尤其是中、高 CO2浓度以上差异最大，而且 CO2浓度的变化对北极水汽质量变化影响较大。SSP1-2.6 情景下（图 5a、e）变化较小，全球大部分地区 pw变化小于历史模拟试验，但北极地区减小。随着 CO2的增加，全球各地区pw呈现显著的增大，水汽质量异常增加，只在 SSP2-4.5 情景下（图 5b）赤道太平洋附近水汽质量异常减0.21.00.80.60.4090S3060EQPw(hPa)603090N(a)ssp585ssp370ssp245ssp12600.900.600.30 0.3090S3060EQPw(hPa)603090N(b)ssp585ssp370ssp245ssp126图4夏季 4 个温室气体排放情景及历史模拟试验下水汽压异常值纬向平均分布（a）及与历史模拟试验的差值（b）（实线为 SSP1-2.6 情景，长虚线为 SSP2-4.5 情景，短虚线为 SSP3-7.0 情景，点虚线为 SSP5-8.5 情景，黑色柱状为历史模拟试验）Fig.4Distributionofzonalaveragewatervaporpressureanomaliesunderfourscenariosandinthehistoricalruninsummer（a）anddifferencesfromhistoricalsimulation（b）（thesolidlineisfortheSSP1-2.6scenario，thelongdottedlineisfortheSSP2-4.5scenario，theshortdottedlineisfortheSSP3-7.0scenario，thedottedlineisfortheSSP5-8.5scenario，andtheblackcolumnisforthehistoricalrun