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海洋温度异常变化,会让雨下得更多么?

媒体:中国科学院大气物理研究所  作者:葛蕾
专业号:红树林基金会
2020/7/5 20:47:58

季风区:全球2/3的人都生活在这儿

季风(monsoon)是由太阳辐射的年循环、海陆分布、大陆地形等因素造成的,以一年为周期的大范围对流现象。

全球陆地季风区降水充沛,全球约三分之二的人口生活在该区域,是全球人口最密集的地区之一。根据湿季降水与干季降水之差、湿季降水占全年比例,全球季风区通常被划分为六个子季风区,包括北半球的北美季风区、北非季风区和亚洲季风区,以及南半球的南美季风区、南非季风区和澳洲季风区。

季风降水异常伴随出现的旱涝灾害对社会经济发展有重大影响,季风降水的未来预估对水资源规划、旱涝风险规避和政策制定有重要意义。

图1  陆地季风区降水和环流。红线包围区域:陆地季风区;填色:北半球夏季和冬季降水之差超过2mm/day,绿色为正值,黄色为负值;风矢量:北半球夏季和冬季850hPa风场之差。

图1  陆地季风区降水和环流。红线包围区域:陆地季风区;填色:北半球夏季和冬季降水之差超过2mm/day,绿色为正值,黄色为负值;风矢量:北半球夏季和冬季850hPa风场之差。

温室气体、气溶胶、海洋温度等,都会影响季风区的降水和环流

科学家发现,全球季风区的降水变化在不同时间尺度上受到多个因素的调控。包括温室气体、气溶胶排放、下垫面变化等在内的外强迫作用,以及海气耦合系统的内部变率等等,都会影响季风降水和环流的变化。

例如,人为气溶胶排放的不均匀,会引起南北半球能量不平衡,从而引起热带经圈翻转环流的减弱,进一步导致北半球季风区降水的减少。这就是20世纪后半叶南亚季风区降水减少,以及东亚夏季风环流减弱的原因。

相反,温室气体的增多会引起饱和水汽压升高、地表蒸发增强,这有利于大气中的水汽含量增多、季风降水增强。此外,科学家也指出了北大西洋、热带太平洋和印度洋海温变化对子季风区降水的影响。

想要预估季风区降水的未来变化,需要理解影响季风区降水历史变化的关键影响因子,以及它们的相对贡献。其中对短期预估而言,内部变率对季风降水的影响尤为重要。

海洋温度如何调控季风降水?

20世纪以来,观测证据表明全球陆地季风区降水有显著的年代际变化,1901-1955年季风降水显著增加,随后至1990年季风降水显著减少,这主要由北半球季风区降水变化主导。

近日,中国科学院大气物理研究所揭示了热带太平洋和北大西洋海温变化对20世纪全球季风降水年代际变化的调控作用。

图2 北半球陆地季风区在两个时段降水变化情况。绿色为增多,黄色为减少。

  图2 北半球陆地季风区在两个时段降水变化情况。绿色为增多,黄色为减少。

研究团队利用历史观测海温驱动的大气环流模式结果和理想海温试验,指出了海温对季风降水年代际变化的调控作用。研究表明,历史海温驱动的大气环流模式可以再现观测20世纪季风区降水的年代际变化。

季风降水的年代际变化,主要由与大气环流变化有关的水汽垂直输送项的动力项所主导,与水汽含量变化有关的水汽垂直输送项的热力项在两个时段均有利于季风区降水增多。换句话说,季风降水呈现出“先增加后减少”的年代际变化,主要是由环流场的变化引起的。其中,北半球季风环流的增强及Walker环流的增强与季风降水增加直接相关,反之亦然。

而大气环流场的年代际变化,则主要受热带太平洋和北大西洋海温的调控作用。结合理想海温试验的结果,研究表明,当北大西洋呈暖海温异常时,或赤道东太平洋呈冷海温异常、副热带西太平洋呈暖海温异常时,海洋能够通过加热上空大气,引起热带地区和季风区对流层的温度差。这就有利于对流层厚度的经向梯度增大、季风环流增强,有利于更多水汽输送至季风区,最终引起了季风降水的增多。

这一工作的价值之一在于,对内部变率如何影响季风降水的年代际变化有了更清晰的认识,为季风降水的短期预估提供了宝贵的信息。

图3  北大西洋和热带太平洋海温异常对全球季风降水年代际变化的调控作用。下图中绿色填充区域为北半球季风区。

图3  北大西洋和热带太平洋海温异常对全球季风降水年代际变化的调控作用。下图中绿色填充区域为北半球季风区。

相关研究近期发布于Journal of Climate。


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