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其大气/海洋变化对东亚和北美的环流、温度和降

文章作者:巴黎人-智能硬件 上传时间:2019-09-21

近期,我校大气科学学院张耀存教授课题组在中纬度局地波活动与极端天气气候事件的关系研究方面取得系列进展,成果分别发表在美国地球物理联合会的著名期刊《Geophysical Research Letters》,以及《Nature》出版集团旗下新期刊《NPJ Climate and Atmospheric Science》。

中纬度北太平洋西临东亚,东临北美,具有独特的地理位置和十分复杂的气候系统,其大气/海洋变化对东亚和北美的环流、温度和降水具有重要影响,因此深入理解该区域的环流变化有助于更准确地预报上、下游的天气和气候异常。此前有研究指出,该区域的大气和海温均存在显著的季节内尺度变率信号,然而其变化的机理尚不清楚,热带季节内振荡对其是否存在贡献亦存在争论。

针对不同社会经济发展途径下温室气体排放情景的气候预估结果是减缓和适应气候变化的科学基础。但是,当前国际上的诸多气候模式针对相同排放情景所预估的未来气候变化,彼此间存在着显著差异,特别是在类似季风这样的区域尺度上。理解造成气候模式预估结果不确定性的原因,是当前科学界的一个热点话题。

湖泊是气候变化的重要指示器,在全球物质和能量交换过程中起着重要作用。随着全球和区域气候模式中网格尺度的精细化,湖泊的重要性变得不可忽视。尽管湖泊的作用十分重要,但由于在水体开展持续观测的难度大、成本高,目前对于湖气相互作用的认识仍非常有限。

中国科学院大气物理研究所基于1992-2012年青藏高原东部逐日降水资料,发现该地区大气季节内振荡存在两个显著周期,分别为准双周和准9天周期。合成分析结果表明,该地区的两类季节内振荡都与中、低纬度的非静止瞬变波列显著相关,但两类事件中波列的传播特征不同。具体而言,在准双周尺度上,中纬度对流层高层存在一支向东南方向传播的波列,该波列起源于北欧,经过东欧平原、乌拉尔山、巴尔喀什湖、贝加尔湖、蒙古平原后,向南到达青藏高原东部和南亚地区;同时,在热带存在一支向西北/北传播的低层波列,该波列从菲律宾海-中国南海一带起源,经过孟加拉湾-南海地区,最后到达青藏高原南缘和中国南部。与之相较,在准9天尺度上,中纬度最显著的特征为存在一支东传的高层波列,该波列从西欧出发,穿过地中海、黑海、里海,到达青藏高原后继续向东亚传播;其热带最显著的特征为,在对流层低层,存在一支从菲律宾海起源向西北/西移动的波动,该波动经过台湾到达中国东南部地区。

大气扰动波活动变化与大气环流异常及天气气候变化存在显著联系。大气波动变化引起的纬向环流型变化可被用来表征中纬度大气环流异常,比如通过位势高度梯度经向反转定义阻塞系统等,而异常大气环流尤其是西风急流系统异常又对大气波活动强度、传播等特征有调节作用,这种反馈作用使得波活动的发展得到维持,进一步影响北半球天气气候变化及极端天气事件发生发展,这也是国内外一直关注和研究的热点之一。

围绕上述问题,中国科学院大气物理研究所博士王璐(2012年在大气所取得博士学位,现为夏威夷大学博士后)与美国夏威夷大学教授Tim Li、大气所研究员周天军合作开展了系列研究。研究揭示:SST的季节内振荡与低层大气环流的季节内异常以及高频风扰动有关(海洋模式试验表明后者的影响约占20%)—海温增暖位相对应反气旋式环流及弱的高频风扰动,海温变冷位相对应气旋式环流及强的高频风扰动;SST暖异常可通过激发对流促使大气环流从异常反气旋转变为气旋。该海-气反馈过程的周期为40天,这意味着局地海-气相互作用有助于中纬度大气产生季节内变化的信号。对流层高层大气季节内异常的典型模态是西移的Rossby波,其发展和加强主要与高频大气扰动的非线性作用和正压能量转换有关。热带大气季节内振荡可以解释中纬度大气季节内异常强度的约20%。

最近,中国科学院大气物理研究所博士陈晓龙、研究员周天军利用35个参加国际耦合模式比较计划CMIP5的模式结果,对RCP8.5典型浓度路径下南亚季风变化预估结果的不确定性进行了研究。结果发现季风大尺度环流的变化受制于全球平均增暖的程度,反映的是各模式气候敏感度的不同对预估结果的影响,气候模式对温室气体的敏感度越高,预估的南亚季风环流就越弱;但是,预估的季风降水变化,则和气候模式的敏感度联系不显著,原因在于增暖引起的环流减弱和水汽增加对季风降水的贡献相互抵消。季风降水变化的不确定性实际上由赤道中西太平洋海温增暖幅度决定。中西太平洋增暖通过改变季风区上空对流层的纬向温度梯度从而最终影响季风降水的变化。预估的季风降水变化与全球平均增暖幅度不存在显著联系这一事实表明,使用“Pattern Scaling”方法来评估温室气体强迫对区域水循环的影响具有很大的局限性。

洱海位于云贵高原与横断山脉南端交界区域,青藏高原东南缘的关键水汽输送通道上,受到南亚季风和东亚季风的共同影响。中国科学院大气物理研究所刘辉志团队于2011年6月在洱海建立了固定于湖面上的观测平台,利用涡动相关法开展了湖气通量的长期连续观测。

进一步分析表明,波列在两个时间尺度上不同的时空分布特征,导致其影响中国东部降水的过程也不同。其最显著的差异为,相较于准9天振荡,在准双周振荡湿位相前,上游地区出现经向型前期信号,在乌拉尔山存在高压脊。其共同特征为,导致湿位相出现的局地物理过程是前期温度和环流异常(包括边界增暖、对流层高层涡度负异常、对流层低层盛行风)引发局地垂直上升运动的建立和水汽的增加。另外,该研究也探讨了中、低纬度波列的协同作用。两类大气季节内振荡影响青藏高原东部的不同物理过程,为青藏高原东部及其下游地区降水的延伸期预报提供了理论依据。

利用有限振幅波活动方法在前人研究的波活动基础上进一步分析波活动的局地变化特征,有利于把波活动变化与具有大扰动振幅的异常天气系统联系起来。通过将有限振幅波活动运用到500hPa位势高度场分析冬季波活动异常与极端冷事件的影响发现,局地反气旋波活动异常引起环流系统变化,导致欧亚区域热量输送异常从而增加该区域极端冷事件的发生概率。

上述成果陆续于2012年、2013年、2015年在Journal of climateClimate Dynamics等杂志发表,该研究对理解中纬度大气低频模态的变化及机制有重要的价值。

该成果揭示了造成季风大尺度环流和降水预估不确定的不同动力学机制,强调了海温增暖型对区域气候变化预估,特别是水循环变化的重要作用,为减小南亚季风预估的不确定性提供了重要参考。该成果最近发表在Geophysical Research Letters上。

基于2012-2015年四年连续的观测资料,杜群等分析了洱海能量通量和CO2通量不同时间尺度的变化特征及其控制因子,及季风对洱海湖气交换过程的影响等。结果表明在年际尺度上,洱海表现为弱的CO2,年总CO2通量在117.5至161.7 g C m-2a-1。在季风前期和季风期初期,热量从大气向湖面输送,感热通量为负值,湖泊开始储存热量;季风期中期开始,热量从湖泊向大气输送,感热通量变为正值,湖泊开始释放热量。湖气温差是感热通量的主要控制因子,且湖气温差与感热通量的相关系数从半小时到月尺度逐渐增加。风速对于感热通量的影响较小,但与潜热通量和CO2通量关系较密切。感热通量在季风期前和季风期后的控制因子比较相似,这一现象在CO2通量的控制因子上也得以发现,表明季风对于洱海的热量和碳交换过程的影响较为显著。

论文发表在最新一期Clim Dyn上。

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