摘要 利用第六次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）模式模擬結(jié)果，研究了21世紀(jì)末全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水的變化及機(jī)理。結(jié)果表明，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃較1985—2014年北非夏季風(fēng)降水將增加0.26 mm／d，區(qū)域降水敏感度為4.8 ％／℃，且季風(fēng)區(qū)北部降水增幅大于南部?；谒罩г\斷發(fā)現(xiàn)熱力項(xiàng)對(duì)季風(fēng)區(qū)總降水增加作用明顯，動(dòng)力項(xiàng)對(duì)降水空間變化起重要作用。進(jìn)一步分析當(dāng)?shù)厮麠l件及相應(yīng)環(huán)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)：在熱力上，相對(duì)于1985—2014年，穩(wěn)定增溫1.5 ℃加強(qiáng)了北非地區(qū)表面溫度及低層水汽輸送，有利于當(dāng)?shù)鼐S持更高的大氣可降水量。在動(dòng)力上，穩(wěn)定增溫1.5 ℃下顯著的撒哈拉沙漠增溫加大了海陸溫度梯度，增強(qiáng)了對(duì)流層低層季風(fēng)環(huán)流，同時(shí)非洲東風(fēng)急流北移，使得季風(fēng)區(qū)北部低層氣流輻合加強(qiáng)，而高層熱帶東風(fēng)急流減弱會(huì)導(dǎo)致季風(fēng)區(qū)高層輻散運(yùn)動(dòng)減弱。總的來(lái)說(shuō)，熱力項(xiàng)增加了整個(gè)季風(fēng)區(qū)降水，而動(dòng)力項(xiàng)增強(qiáng)了季風(fēng)區(qū)北部降水，減弱南部降水，主導(dǎo)了降水變化的空間格局。

關(guān)鍵詞全球穩(wěn)定增溫;增溫1.5 ℃;北非夏季風(fēng)降水;季風(fēng)環(huán)流

為降低氣候變化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，2015年巴黎協(xié)議中世界各國(guó)達(dá)成一致，提出“將全球增溫幅度控制在較工業(yè)化前2 ℃之內(nèi)，并力爭(zhēng)限制在1.5 ℃”的溫控目標(biāo)（http：／／unfccc.int／resource／docs／2015／cop21／eng／l09r01.pdf.）。隨后，2018年政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)表的報(bào)告也著重強(qiáng)調(diào)了全球溫升1.5 ℃下于21世紀(jì)末全球增溫趨于穩(wěn)定的路徑（IPCC，2018）。相比于將全球增溫幅度限制在2 ℃，1.5 ℃將更有利于人類(lèi)和自然生態(tài)的和諧共處以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展（趙宗慈等，2019;江曉菲等，2020;孫雪榕等，2021;周波濤，2021），有關(guān)全球增溫1.5 ℃下的氣候變化也隨之引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。值得指出的是，北非季風(fēng)區(qū)在適應(yīng)氣候變化過(guò)程中將面臨更大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)楸狈羌撅L(fēng)區(qū)內(nèi)發(fā)展中國(guó)家眾多，人口增長(zhǎng)迅速，人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值不高（Mertz et al.，2011），當(dāng)?shù)厝藗兩a(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展均嚴(yán)重依賴(lài)于夏季風(fēng)帶來(lái)的降水。利用最新一代國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP）模式研究全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水的變化，有助于為北非季風(fēng)區(qū)國(guó)家制定適應(yīng)氣候變化的科學(xué)決策提供理論依據(jù)。

隨著全球變暖的加劇，北非季風(fēng)降水和與之伴隨的極端天氣事件均發(fā)生了顯著變化（Haarsma et al.，2005;Dong and Sutton，2015;Monerie et al.，2017;Diedhiou et al.，2018）。針對(duì)全球增暖背景下北非夏季風(fēng)降水變化及可能原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用CMIP5／6模式及其驅(qū)動(dòng)的區(qū)域氣候模式（CORDEX）模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。Park et al.（2015）利用CMIP5模式結(jié)果及一系列敏感性試驗(yàn)研究表明，北半球副熱帶海溫的顯著增溫加速熱帶東風(fēng)急流及推動(dòng)非洲東風(fēng)急流北移，促進(jìn)薩赫勒地區(qū)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，有利于季風(fēng)區(qū)北部降水增加。Monerie et al.（2017）利用聚類(lèi)的方法將CMIP5中32個(gè)數(shù)值模式預(yù)估21世紀(jì)末RCP8.5情景下薩赫勒夏季風(fēng)降水變化分成4種降水模態(tài)，其中大多數(shù)模式模擬出薩赫勒地區(qū)“西部降水減少，中部降水增加”，并指出造成這種降水特征的物理原因是當(dāng)撒哈拉沙漠異常增暖時(shí)，撒哈拉熱低壓增強(qiáng)會(huì)加大其與赤道北大西洋之間的海陸熱力差異和地表氣壓梯度，增強(qiáng)低層西南風(fēng)季風(fēng)環(huán)流，從而加強(qiáng)當(dāng)?shù)亟邓kinsanola and Zhou（2019a）利用多個(gè)CMIP5數(shù)值模式降尺度后的模式數(shù)據(jù)研究表明，高排放情景RCP8.5下薩赫勒中東部大部分地區(qū)夏季降水將會(huì)增加，但其西北部的塞內(nèi)加爾周邊地區(qū)降水會(huì)減弱。Wang et al.（2020）采用CMIP6中SSP2-4.5情景下15個(gè)全球耦合模式預(yù)估21世紀(jì)末北非夏季風(fēng)降水將會(huì)顯著增加，且其西北部降水將會(huì)減少，這與CMIP5結(jié)論較為一致，該研究基于水汽收支診斷方程進(jìn)一步指出大氣濕度的變化（熱力作用）將有利于北非季風(fēng)區(qū)降水增加。

值得指出的是，當(dāng)前有關(guān)1.5 ℃目標(biāo)下北非夏季風(fēng)降水變化的研究主要利用高排放情景（例如RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5）中全球瞬變?cè)鰷?.5 ℃的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)估，研究結(jié)果表明全球瞬變?cè)鰷?.5 ℃下塞內(nèi)加爾地區(qū)夏季降水會(huì)減弱，極端降水事件增強(qiáng)（Mbaye et al.，2019）;而薩赫勒中東部夏季風(fēng)降水將持續(xù)增加，日降水強(qiáng)度將加強(qiáng)（Nikulin et al.，2018;Weber et al.，2018）;幾內(nèi)亞海岸雨季時(shí)間將縮短（Diedhiou et al.，2018）。King et al.（2020）指出當(dāng)全球增溫幅度一樣時(shí)，穩(wěn)定和瞬變?cè)鰷叵職夂蛳到y(tǒng)的響應(yīng)存在顯著差異。那么，當(dāng)考慮全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃時(shí)，北非夏季風(fēng)降水將會(huì)有怎樣的變化？造成全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水變化的可能機(jī)制又是什么？顯然，對(duì)這些問(wèn)題的研究有助于提高北非季風(fēng)區(qū)降水對(duì)全球變暖的響應(yīng)及其機(jī)理認(rèn)識(shí)，可以為北非季風(fēng)區(qū)制定應(yīng)對(duì)氣候變化的決策提供科學(xué)依據(jù)。為此，本研究將利用CMIP6中未來(lái)增溫情景SSP1-2.6試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)其全球平均增溫特征（增溫速率和增溫幅度）確定全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃的數(shù)值模式，分析北非夏季（7—9月）風(fēng)降水的變化特征并診斷造成該變化的原因，進(jìn)一步從熱力和動(dòng)力過(guò)程角度探究造成這一變化的物理機(jī)制。

1 資料和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所用的降水觀測(cè)資料為1985年1月—2014年12月全球降水氣候研究項(xiàng)目第2.2版（Global Precipitation Climatology Project，GPCP v2.2）的月平均降水資料，水平分辨率為2.5°×2.5°（Huffman et al.，2015）。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)所選模式對(duì)北非歷史時(shí)期平均氣候的模擬能力，還選取NCEP／NCAR中心提供的1985—2014年地表溫度和整層風(fēng)速等物理量的月平均資料，水平分辨率為2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）。

選用的模式資料為CMIP6中32個(gè)數(shù)值模式在歷史氣候模擬（historical）和共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑情景SSP1-2.6試驗(yàn)下表面溫度的月平均資料，從中挑選出21世紀(jì)末后60 a中全球平均溫度增加速率小于0.0025 K／a的模式作為具有穩(wěn)定增溫特征的數(shù)值模式，且于21世紀(jì)末最后30 a全球增溫幅度在（1.5±0.1） ℃范圍內(nèi)為穩(wěn)定增溫1.5 ℃的數(shù)值模式。所選的全球氣候模式見(jiàn)表1。根據(jù)所選模式在historical和SSP1-2.6試驗(yàn)下溫度、降水、比濕、水平風(fēng)速以及垂直速度等物理量的月平均資料進(jìn)行研究。下文中提到的歷史參考期為1985—2014年，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃時(shí)間段為2070—2099年。由于CMIP6中各個(gè)模式數(shù)據(jù)的空間分辨率不一致，為了便于比較，利用雙線性插值方法將其插值至2.5°×2.5°網(wǎng)格上。

1.2 方法

本文根據(jù)全球平均溫度增加速率和21世紀(jì)末增溫幅度（相對(duì)1850—1899年）確定全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃的數(shù)值模式（表1）。同時(shí)也試驗(yàn)了0.002 K／a和0.003 K／a兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義穩(wěn)定增溫，得到的北非夏季風(fēng)降水變化與0.0025 K／a標(biāo)準(zhǔn)相一致。為了評(píng)估所選CMIP6模式對(duì)北非歷史平均氣候的模擬能力，首先分析歷史參考期北非夏季風(fēng)降水與觀測(cè)資料的差值場(chǎng)（圖1a）發(fā)現(xiàn)，絕大部分季風(fēng)區(qū)模式平均降水為負(fù)偏差，降水偏差范圍為-1～-3 mm／d，幾內(nèi)亞灣沿岸降水為正偏差，降水偏差小于3 mm／d，其中模式對(duì)于塞內(nèi)加爾附近降水的低估最為顯著，中心值可達(dá)到-6 mm／d。進(jìn)一步從模式模擬的歷史氣候場(chǎng)與再分析資料和觀測(cè)場(chǎng)的空間相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差兩方面評(píng)估所選模式對(duì)北非地區(qū)（30°W～60°E，10°S～40°N）各變量的模擬能力（圖1b），表明多模式平均較單個(gè)數(shù)值模式能更好地模擬北非歷史平均氣候以及季風(fēng)區(qū)夏季降水，其與再分析資料和觀測(cè)場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.7，且標(biāo)準(zhǔn)偏差基本為0.75～1.5。參考Lee and Wang（2014）對(duì)季風(fēng)區(qū)的定義，利用1985—2014年GPCP降水觀測(cè)資料定義了北非陸地季風(fēng)區(qū)，即夏季與冬季降水年較差大于

2.5 mm／d，并且夏季降水量超過(guò)全年總降水量的55％的陸地區(qū)域。這里夏季為5—9月，冬季為11月至次年3月。

水汽收支方程被廣泛應(yīng)用于分析降水變化的熱力和動(dòng)力作用（Cao et al.，2022），具體表達(dá)式如下：

式中：P代表降水；E是蒸發(fā)；q是比濕；Vh代表水平風(fēng)速;ω代表垂直速度。p是垂直方向上的導(dǎo)數(shù)。lt; gt;代表從地面垂直積分到100 hPa。-lt;Vh·hqgt;′是水平水汽平流項(xiàng)，-lt;ωpqgt;′為垂直水汽平流項(xiàng)，其中垂直水汽平流項(xiàng)可進(jìn)一步分解為：

式中：代表歷史參考期的平均值；′則是相對(duì)歷史參考期氣候態(tài)的變化。其中垂直水汽平流項(xiàng)包含與比濕變化有關(guān)的熱力項(xiàng)-lt;pq′gt;（簡(jiǎn)稱(chēng)TH）和與垂直速度變化有關(guān)的動(dòng)力項(xiàng)-lt;ω′pgt;（簡(jiǎn)稱(chēng)DY）。Res為非線性作用項(xiàng)，由于該項(xiàng)量級(jí)相對(duì)較小，文中忽略其作用。

2 全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水響應(yīng)特征

圖2a給出了所選模式在historical和SSP1-2.6試驗(yàn)下相對(duì)于工業(yè)革命前（1850—1899年）全球平均表面溫度的溫升曲線。在低排放試驗(yàn)SSP1-2.6下，所選模式的全球增溫速率于2040年開(kāi)始減緩，基本穩(wěn)定在1.5 ℃附近，多模式平均表明21世紀(jì)末穩(wěn)定增溫時(shí)期（2070—2099年）較工業(yè)革命前平均增溫1.49 ℃，較歷史參考期（1985—2014年）增加0.77 ℃（圖2a）。與全球增溫速率相對(duì)應(yīng)，多模式平均模擬北非夏季風(fēng)降水在2040年之前顯著增加，之后趨于穩(wěn)定，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃時(shí)期降水增加至5.36 mm／d，較歷史參考期增加0.26 mm／d（圖2b），且1985—2099年北非夏季風(fēng)降水敏感度為4.8 ％／℃。從歷史參考期北非夏季風(fēng)降水氣候態(tài)的空間分布（圖3a）可以看出，季風(fēng)區(qū)降水較鄰近陸地更為充沛，降水大值區(qū)為幾內(nèi)亞、喀麥隆以及埃塞俄比亞高原，當(dāng)?shù)亟邓靠蛇_(dá)10 mm／d及以上。多模式平均結(jié)果顯示，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃較歷史參考期北非夏季風(fēng)降水將顯著增加，表現(xiàn)為中東部降水增幅較西部大，且北部大于南部（圖3c）。其中，絕大多數(shù)模式均模擬出穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水主要增加在乍得湖東南側(cè)，而塞內(nèi)加爾和喀麥隆降水減弱的模式一致性較弱。進(jìn)一步對(duì)比模式模擬兩個(gè)時(shí)段內(nèi)季風(fēng)區(qū)范圍（圖3），發(fā)現(xiàn)全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下季風(fēng)區(qū)有向東北擴(kuò)展的現(xiàn)象。

3 物理機(jī)制

3.1 水汽收支診斷

為了厘清全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水改變的物理原因，利用水汽收支方程進(jìn)行診斷分析。圖4a表明相對(duì)于歷史參考期，穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水顯著增加0.26 mm／d，主要原因是垂直水汽平流，其貢獻(xiàn)為0.26 mm／d，而蒸發(fā)項(xiàng)和水平水汽平流項(xiàng)貢獻(xiàn)相對(duì)較小，其貢獻(xiàn)分別為0.06 mm／d和0.02 mm／d。垂直水汽平流可以進(jìn)一步分解為與比濕變化有關(guān)的熱力項(xiàng)和與垂直速度變化有關(guān)的動(dòng)力項(xiàng)，其中熱力項(xiàng)對(duì)全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下季風(fēng)區(qū)總降水增加作用明顯（圖4a中TH項(xiàng)），其貢獻(xiàn)可達(dá)0.25 mm／d，而區(qū)域平均的動(dòng)力項(xiàng)為0.01 mm／d，且模式間不確定性較大。Jin et al.（2020）利用CMIP6中SSP2-4.5試驗(yàn)下24個(gè)數(shù)值模式研究21世紀(jì)末北非夏季風(fēng)降水變化，同樣發(fā)現(xiàn)垂直水汽平流是主要原因，其中850 hPa比濕增大（熱力作用）有利于季風(fēng)降水增加，且其貢獻(xiàn)與降水變化的數(shù)值幾乎一致。

進(jìn)一步分析全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下熱力項(xiàng)和動(dòng)力項(xiàng)變化的空間分布（圖4b、4c）可知，熱力項(xiàng)有利于北非夏季風(fēng)降水的增加，具有區(qū)域一致性，正貢獻(xiàn)大值區(qū)在幾內(nèi)亞、喀麥隆以及埃塞俄比亞高原等地。而對(duì)于動(dòng)力項(xiàng)而言，其貢獻(xiàn)空間分布不均勻，季風(fēng)區(qū)中部北部有大范圍地區(qū)為正貢獻(xiàn)，而南部以負(fù)貢獻(xiàn)為主，負(fù)貢獻(xiàn)大值區(qū)主要集中在北非季風(fēng)區(qū)西北部、喀麥隆和埃塞俄比亞高原，正貢獻(xiàn)大值區(qū)出現(xiàn)在乍得湖東南側(cè)，這與降水變化的空間分布相對(duì)應(yīng)。

3.2 熱力過(guò)程

降水的熱力過(guò)程與大氣溫度和水汽含量息息相關(guān)。圖5a為1985—2014年整層大氣可降水量的氣候態(tài)，可以看出北非季風(fēng)區(qū)為水汽含量大值區(qū)，大部分地區(qū)整層水汽含量可達(dá)42 kg／m2;而全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下大部分季風(fēng)區(qū)整層大氣可降水量高達(dá)49 kg／m2及以上，且季風(fēng)區(qū)南部水汽含量較北部更為充沛（圖5b）。對(duì)比兩個(gè)時(shí)期下北非地區(qū)的整層水汽含量（圖5c），發(fā)現(xiàn)相對(duì)歷史參考期，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下整個(gè)季風(fēng)區(qū)大氣水汽含量均為正異常，即季風(fēng)區(qū)大氣中水汽含量均有增加，這與熱力項(xiàng)正貢獻(xiàn)的空間一致性相同（圖4b）。大氣中水汽含量的變化與大氣溫度直接相關(guān)，對(duì)比歷史參考期和全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下近地面溫度可知，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非季風(fēng)區(qū)地面溫度的增溫幅度將進(jìn)一步增加，絕大部分地區(qū)溫度正異常超過(guò)0.5 ℃（圖5f），這將增加季風(fēng)區(qū)大氣中的可降水量。當(dāng)大氣輻合上升運(yùn)動(dòng)不發(fā)生變化時(shí)，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下更大的大氣可降水量將帶來(lái)更多季風(fēng)降水。因此，大氣中水汽含量變化會(huì)導(dǎo)致熱力作用的正異常（圖4b），進(jìn)而促使穩(wěn)定增溫1.5 ℃下更強(qiáng)的季風(fēng)降水（圖3c）。

水汽輸送是維持一個(gè)地區(qū)大氣中可降水量的重要方式，北非季風(fēng)區(qū)的水汽主要源自熱帶大西洋和幾內(nèi)亞灣（Akinsanola and Zhou，2019b）。由歷史參考期夏季925 hPa水汽通量氣候態(tài)（圖5d）可知，低層西南風(fēng)將大量水汽由赤道北大西洋向北非季風(fēng)區(qū)輸送，直至季風(fēng)區(qū)北沿，增加了季風(fēng)區(qū)大氣中的水汽含量。這是由于海洋熱容量更大使得夏季海表溫度較陸地表面溫度低，導(dǎo)致夏季低層氣流為海洋吹向陸地，從而使得陸地上水汽含量增多。相對(duì)于歷史參考期，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下低層水汽輸送更強(qiáng)，這是由于穩(wěn)定增溫1.5 ℃下撒哈拉地區(qū)增溫更強(qiáng)，沙漠和大西洋的熱力差異以及地表氣壓梯度更大，進(jìn)而加強(qiáng)了低層西南氣流，更有利于海洋向北非季風(fēng)區(qū)輸送水汽，從而造成了穩(wěn)定增溫1.5 ℃下更多的水汽輸送（圖5f）。

3.3 動(dòng)力過(guò)程

動(dòng)力過(guò)程幾乎主導(dǎo)了穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水變化的空間格局（圖3c、4c），從水汽收支方程可以看出，其直接原因是穩(wěn)定增溫1.5 ℃下季風(fēng)區(qū)內(nèi)垂直上升運(yùn)動(dòng)變化的不均勻分布。比較全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃和歷史參考期500 hPa垂直運(yùn)動(dòng)的差值場(chǎng)（圖6c），發(fā)現(xiàn)全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非季風(fēng)區(qū)500 hPa垂直速度負(fù)異常中心主要在薩赫勒中東部地區(qū)，即該地區(qū)以上升運(yùn)動(dòng)為主，這導(dǎo)致更加明顯的降水正異常（圖3c）;而垂直速度正異常大值區(qū)主要在季風(fēng)區(qū)西部、喀麥隆以及埃塞俄比亞高原，即該地區(qū)以下沉運(yùn)動(dòng)為主;整體而言，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下季風(fēng)區(qū)北部垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，南部上升運(yùn)動(dòng)減弱。對(duì)流層中層上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)越有利于當(dāng)?shù)亟邓粗邓疁p弱，這能很好地解釋穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水動(dòng)力項(xiàng)變化的空間分布（圖4c）。

北非季風(fēng)區(qū)中層垂直運(yùn)動(dòng)與高低層環(huán)流配置有關(guān)，比如低層西南季風(fēng)環(huán)流、對(duì)流層中低層的非洲東風(fēng)急流和高層的熱帶東風(fēng)急流。分析歷史參考期北非地區(qū)夏季近地面溫度和低層環(huán)流氣候態(tài)（圖5d、7a）可知，陸地增溫大于海洋，從而形成了經(jīng)向海陸熱力梯度，驅(qū)動(dòng)低層大氣從赤道北大西洋向非洲大陸運(yùn)動(dòng)，形成了低層西南季風(fēng)環(huán)流。圖5f顯示出全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下近地面溫度響應(yīng)發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)為穩(wěn)定增溫1.5 ℃使得撒哈拉沙漠近地面溫度的增幅進(jìn)一步增加，絕大部分地區(qū)溫度正異常達(dá)1 ℃以上，其引起的低壓異常將導(dǎo)致撒哈拉熱低壓加強(qiáng)（圖7c）。穩(wěn)定增溫1.5 ℃下撒哈拉沙漠地區(qū)出現(xiàn)了氣旋式環(huán)流異常，北非陸地季風(fēng)區(qū)位于氣旋性環(huán)流的南側(cè)，這將加強(qiáng)北非季風(fēng)區(qū)低層的西南風(fēng)環(huán)流;同時(shí)在季風(fēng)區(qū)北部乍得湖東南側(cè)出現(xiàn)了異常西風(fēng)氣流輻合，低層輻合有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而加強(qiáng)季風(fēng)區(qū)北部降水（圖7c）。

非洲東風(fēng)急流一般位于700～600 hPa高度，主要是由于撒哈拉沙漠和非洲赤道地區(qū)經(jīng)向上較大的濕度和溫度梯度形成（Cook，1999）;而熱帶東風(fēng)急流一般位于150～100 hPa高度，從東南亞一直延伸至非洲大陸，橫貫印度洋（丁一匯和李怡，2016）。Grist and Nicholson（2001）研究發(fā)現(xiàn)非洲東風(fēng)急流北移有利于在薩赫勒產(chǎn)生氣旋式切變，促進(jìn)垂直上升運(yùn)動(dòng)，使得薩赫勒降水增加;而熱帶東風(fēng)急流加強(qiáng)北移會(huì)增強(qiáng)高層輻散，加強(qiáng)當(dāng)?shù)卮怪鄙仙\(yùn)動(dòng)，從而增加北非季風(fēng)區(qū)降水（丁一匯和李怡，2016）。

圖8a和8d分別為歷史參考期不同高度上水平風(fēng)場(chǎng)的氣候態(tài)，非洲東風(fēng)急流中心出現(xiàn)在700 hPa高度上13°N附近，中心最大風(fēng)速達(dá)10 m／s以上;熱帶東風(fēng)急流中心位于150 hPa高度上8°N附近，中心最大風(fēng)速達(dá)24 m／s以上。相對(duì)歷史參考期，穩(wěn)定增溫1.5 ℃下700 hPa高度上，非洲東風(fēng)急流核北側(cè)東風(fēng)增強(qiáng)，南側(cè)東風(fēng)減弱，急流中心風(fēng)速變化不明顯，即穩(wěn)定增溫1.5 ℃下非洲東風(fēng)急流北移（圖8c）。非洲東風(fēng)急流中心以南（靠赤道一側(cè)）由于水平風(fēng)切變會(huì)產(chǎn)生氣旋式環(huán)流，當(dāng)非洲東風(fēng)急流北移時(shí)，北非季風(fēng)區(qū)北緣將受氣旋式環(huán)流控制，季風(fēng)區(qū)北部低層氣流輻合加強(qiáng)，有利于增加季風(fēng)區(qū)北部降水。在150 hPa高度上，穩(wěn)定增溫1.5 ℃下熱帶東風(fēng)急流強(qiáng)度整體減弱，這會(huì)削弱季風(fēng)區(qū)高層的輻散運(yùn)動(dòng)，減弱垂直上升運(yùn)動(dòng)，從而減少穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非季風(fēng)降水（圖8f）。

綜上，相較歷史參考期，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下撒哈拉沙漠的暖溫度異常和低壓異常加大了北非季風(fēng)區(qū)附近的經(jīng)向氣壓梯度，從而增強(qiáng)低層季風(fēng)環(huán)流及其輻合;非洲東風(fēng)急流北移，北非季風(fēng)區(qū)北緣將受氣旋式環(huán)流控制，季風(fēng)區(qū)北部低層氣流輻合加強(qiáng)。而熱帶東風(fēng)急流有所減弱，對(duì)應(yīng)季風(fēng)區(qū)高層輻散運(yùn)動(dòng)減弱，這將減弱季風(fēng)區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)?？偟膩?lái)說(shuō)，動(dòng)力作用增強(qiáng)了季風(fēng)區(qū)北部降水，減弱南部降水，主導(dǎo)了降水變化的空間格局。

4 結(jié)論和討論

利用21世紀(jì)末全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃的10組CMIP6模式數(shù)據(jù)，考察了北非夏季風(fēng)降水變化，并基于水汽收支方程診斷了造成該變化的熱力和動(dòng)力作用，進(jìn)一步從水汽條件和大氣環(huán)流角度進(jìn)行物理機(jī)制分析，主要結(jié)論如下。

1）CMIP6多模式平均結(jié)果表明，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水有所增加，表現(xiàn)為中東部降水增幅較西部大，且北部大于南部。全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃時(shí)期較歷史參考期（1985—2014年）全球平均表面溫度增加0.77 ℃，北非夏季風(fēng)降水增加0.26 mm／d，且北非季風(fēng)區(qū)區(qū)域降水敏感度為4.8％／℃。

2）基于水汽收支診斷發(fā)現(xiàn)垂直水汽平流是引起全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水增加的主要原因，其中熱力項(xiàng)對(duì)季風(fēng)區(qū)總降水貢獻(xiàn)為0.25 mm／d，動(dòng)力項(xiàng)為0.01 mm／d。在空間分布上，熱力項(xiàng)正貢獻(xiàn)具有區(qū)域一致性，而動(dòng)力項(xiàng)具有較大空間不均勻性。季風(fēng)區(qū)北部地區(qū)動(dòng)力項(xiàng)為正貢獻(xiàn)，南部以負(fù)貢獻(xiàn)為主，這與降水變化的空間分布基本一致。也就是說(shuō)，導(dǎo)致全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)總降水增加的熱力作用明顯，而動(dòng)力作用決定了降水變化的空間分布。

3）通過(guò)物理過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn)：在熱力上，全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃較歷史參考期北非地區(qū)表面溫度有所增加，使得整層大氣可降水量增多，其中撒哈拉沙漠的暖溫度異常和低壓異常加大了沙漠和赤道北大西洋之間的海陸熱力差異和地表氣壓梯度，從而增強(qiáng)對(duì)流層低層的西南風(fēng)，有利于海洋向季風(fēng)區(qū)的水汽輸送，因此季風(fēng)區(qū)能夠維持較高大氣可降水量。在動(dòng)力上，對(duì)流層低層的西南季風(fēng)環(huán)流有所加強(qiáng);中低層非洲東風(fēng)急流北移會(huì)使得季風(fēng)區(qū)北緣受氣旋式環(huán)流控制，加強(qiáng)季風(fēng)區(qū)北部低層氣流輻合;但是高層熱帶東風(fēng)急流減弱導(dǎo)致季風(fēng)區(qū)高層輻散運(yùn)動(dòng)減弱，從而減弱季風(fēng)區(qū)垂直上升運(yùn)動(dòng)?？傮w而言，動(dòng)力作用增強(qiáng)了季風(fēng)區(qū)北部降水，減弱南部降水，主導(dǎo)了降水變化的空間格局。

與以往增暖情景下北非季風(fēng)降水研究結(jié)果一致的是，本研究發(fā)現(xiàn)全球穩(wěn)定增溫1.5 ℃下北非夏季風(fēng)降水明顯增加，其在季風(fēng)區(qū)北部更加明顯（He et al.，2020;Jin et al.，2020;Wang et al.，2020）。然而季風(fēng)降水的敏感度較SSP2-4.5情景更大，主要因?yàn)镾SP1-2.6情景下地面增溫在撒哈拉沙漠地區(qū)最顯著，其不僅加強(qiáng)對(duì)流層低層西風(fēng)季風(fēng)環(huán)流，也促進(jìn)了熱帶大西洋向北的越赤道氣流，造成了更高的降水敏感度。本研究強(qiáng)調(diào)了撒哈拉沙漠地區(qū)增溫的重要性，這與之前研究往往將北非夏季風(fēng)降水增強(qiáng)歸因于大西洋和撒哈拉沙漠地區(qū)的同步增溫（Jin et al.，2020），南北半球熱力差異的加大（Lee and Wang，2014;Cao et al.，2020），北半球熱帶與副熱帶海溫梯度的改變等有所不同（Park et al.，2015）。另外，不同于以往工作中關(guān)注的全球溫度持續(xù)增加的情景（如：SSP2-4.5、SSP5-8.5），本研究著重考察了穩(wěn)定增溫下北非季風(fēng)降水的變化。Cao and Zhao（2020）和Jiang et al.（2021）均指出穩(wěn)定和瞬變?cè)鰷剡^(guò)程間全球氣候系統(tǒng)的響應(yīng)存在差異，可見(jiàn)穩(wěn)定和瞬變?cè)鰷剡^(guò)程間北非季風(fēng)降水的差異及其物理機(jī)制值得進(jìn)一步研究。

致謝：感謝世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）耦合模式工作小組提供了CMIP6模式數(shù)據(jù)集;感謝南京信息工程大學(xué)高性能中心提供了計(jì)算資源。

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·ARTICLE·

Response and mechanism analysis of North Africa summer monsoon precipitation under stabilized global warming of 1.5 ℃

WANG Yajun，CAO Jian，JIANG Zhihong

Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education （KLME）／Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change （ILCEC），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Abstract The response of North Africa （NA） summer monsoon precipitation to stabilized global warming of 1.5 ℃ at the end of the 21th century is investigated using the SSP1-2.6 scenario from Coupled Model Intercomparison Program Phase 6 （CMIP6）.The multi-model ensemble mean suggests the NA summer monsoon precipitation will be increased by 0.26 mm／d relative to 1985—2014 under stabilized global warming of 1.5 ℃，yields the monsoon hydrological sensitivity of 4.8％／℃.The change of monsoon precipitation is more pronounced over the northern part of the NA monsoon region.The moisture budget analysis revealed that the thermodynamics processes increase the atmospheric temperature and enhance moisture transport，leading to the higher atmospheric precipitable water relative to 1985—2014 in the whole NA monsoon region.In the dynamic perspective，the significant warming over the Sahara region increases the land-sea thermal contrast and alters the zonal mean temperature structure.The former enhances the low-troposphere monsoon circulation，and the latter pushes the African Easterly Jet northward，resulting in enhanced monsoon precipitation over the northern part of the NA monsoon region.It is partially canceled by the weakened upper Tropical Easterly Jet，especially over the southern NA monsoon region.Thus，the dynamic processes shape the inhomogeneous change of monsoon precipitation.Therefore，the thermodynamic processes increase the regional mean monsoon precipitation，and the dynamic processes contribute to the spatial pattern of precipitation changes.

Keywords stabilized global warming;global warming of 1.5 ℃;North Africa summer monsoon precipitation;monsoon circulation

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20211130002

（責(zé)任編輯：張福穎）