卫星观测揭示二十年来大气环流十年际变化：云运动矢量(MISR)的独立验证

本研究利用多角度成像光谱辐射计(MISR)卫星观测的高度分辨云运动矢量(CMV)，首次揭示了2000-2020年对流层环流的显著变化。研究人员通过分析云顶风速变化，发现中纬度上层对流层风速最高增加4 m s-1 decade-1，热带区域呈现不对称哈德莱环流变化。该研究为验证再分析数据和气候模型提供了关键基准，对理解气候变化对云和大气环流的影响具有重要意义。成果发表于《Nature》。

　　

气候变化背景下，大气环流的变化直接影响全球天气格局和极端事件，对人类社会经济和生态系统产生深远影响。然而，当前基于再分析数据和气候模型的研究存在显著分歧，特别是在环流变化的幅度和方向上差异明显。这种不确定性主要源于数据集的内在局限：再分析数据同化了来自不断变化的卫星仪器和稀疏分布的地面/高空观测站的数据，而数据不连续性和校准漂移可能导致时间依赖性偏差。因此，亟需利用独立、气候质量的观测数据来验证环流变化。

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的Larry Di Girolamo团队利用搭载在Terra卫星上的多角度成像光谱辐射计(MISR)获取的高度分辨云运动矢量(CMV)数据，对2000-2020年期间的大气环流变化进行了系统分析。这项开创性研究首次利用立体观测的CMV数据构建了21年的气候质量记录，为验证再分析数据和气候模型预测提供了独立基准。相关成果发表在《Nature》杂志。

研究采用了多项关键技术方法：1)利用MISR立体成像获取高度分辨的CMV数据，通过前向70°、天底和后向70°视角在3.5分钟间隔内追踪云特征运动；2)将ERA5再分析数据采样至与MISR CMV相同的时间、位置和高度(ERA5_MS)进行直接比较；3)使用TropD软件包计算热带宽度(Lat_U0)和极锋位置(Lat_U_max)指标；4)采用Mann-Kendall检验和Sen's方法分析趋势，并通过错误发现率(FDR)校正控制多重检验。

研究结果显示：

1. 对流层风气候学和十年趋势(2000-2020年)
   分析发现中纬度上层对流层风速显著增加，北半球(NH)最高约2 m s^-1 decade^-1，南半球(SH)最高约4 m s^-1 decade^-1。风速增加主要由经向流(V分量)增强驱动，表明极向气流加强，可能与风暴路径极移或温带气旋增强有关。北半球上层对流层极向和西向气流均增强，而南半球极向流增强但西向流减弱。

1. 热带和极地环流边界的纬度迁移
   使用Lat_U0指标评估哈德莱环流扩张速率，发现北半球热带以0.42±0.22°纬度 decade^-1速率极移(P=0.06)，南半球无明显扩张。使用Lat_U_max指标显示极锋云系在两半球均以约0.3-0.4°纬度 decade^-1速率极移，但置信度较低。

1. 与大气再分析的一致性
   MISR CMV与ERA5_MS在气候平均值和趋势上总体吻合良好，但在上层对流层存在显著差异。热带深层对流层上层ERA5_MS风速比MISR CMV小2-8 m s^-1，中纬度则大1-3 m s^-1(NH)和1-2 m s^-1(SH)，这些差异远超MISR CMV的不确定性，表明ERA5在上层对流层存在系统偏差。

研究结论指出，MISR CMV观测为改进再分析和气候模型提供了关键基准。虽然MISR是目前卫星获取高度分辨CMV的最长气候质量记录，但相对于内部气候变率而言仍显短暂。未来需要更长时间的观测记录来检测区域环流的关键变化。该研究证实了上层对流层风速显著增加、哈德莱环流北半球扩张和极锋极移等变化趋势，这些发现对理解气候变化对极端降水和温度事件的影响具有重要意义。

值得注意的是，上层对流层风速趋势的较高置信度可能暗示变暖引起的环流变化信号首先出现在上层对流层，至少在多云条件下如此。ERA5_MS也捕捉到这些趋势，但ERA5_AW(所有晴空和多云风)的趋势弱得多，这可能意味着在晴空条件下存在向赤道经向流的补偿趋势。这些发现共同表明热带-温带输送变率增强，使水分和热量的极向输送更加极端，这对降水