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大气所合作研究揭示北太平洋季节内振荡的机理

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大气所合作研究揭示北太平洋季节内振荡的机理

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。

澳门新葡亰平台官网,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。

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 climate新葡京官网, 和 Climate 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。

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论文信息:

论文信息:Chen, Xiaolong, Tianjun Zhou*, 2015: Distinct effects of global mean warming and regional sea surface warming pattern on projected uncertainty in the South Asian summer monsoon. Geophysical Research Letters, DOI: 10.1002/2015GL066384.

图1 局地有限振幅的示意图,其中蓝色区域表征相对湿水汽波动,黄色表征相对干水汽波活动。

1.Wang, L., T. Li and T. Zhou, 2015: Effect of High-frequency Wind on Intraseasonal SST Variabilities over the Mid-latitude North Pacific Region during Boreal Summer. Climate Dynamics, DOI: 10.1007/s00382-015-2496-2.

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此外,利用该方法计算整层水汽的扰动活动特征发现,热带地区持续向中纬度地区输送水汽,水汽扰动波动异常导致的极端降水强度以及持续时间在整个水循环过程中具有重要作用。冬季,在大气河活动的范围内,大量水汽向其下游输送,如美国西部地区,导致该区域产生极端降水;而在夏季,季风区水汽波动异常也是导致季风区极端降水的原因之一。在未来情景下,中纬度地区全球范围内水汽含量将大幅度增加,水汽扰动活动向中纬度输送尺度加长,同时从水汽输送到降水过程的时间减小,因此造成强度更强、持续时间更短的极端灾害性降水的概率增加。

  1. Wang, L., T. Li, T. Zhou and X. Rong, 2013: Origin of the Intraseasonal Variability over the North Pacific in Boreal Summer. Journal of Climate, 26, 1211-1229.

  2. Wang, L., T. Li and T. Zhou, 2012: Intraseasonal SST Variability and Air–Sea Interaction over the Kuroshio Extension Region during Boreal Summer. Journal of Climate, 25, 1619-1634.

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南亚夏季风预估的不确定性与气候敏感度和海温增暖型的关系示意图。“ ”表示该项增加或增强,“-”表示该项减小或减弱,“?”表示该项变化不确定。

图2 水汽波活动的气候特征及其未来情境下的变化特征,左图为冬季北美西部地区,右图为夏季东亚季风区

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该系列工作是由张耀存教授课题组与美国西北太平洋国家实验室Jian Lu等人合作完成。目前已发表高水平论文三篇,均由课题组成员薛道凯博士为第一作者或共同第一作者完成。该系列工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目共同资助。

图1 夏季北太平洋海温季节内异常增暖、变冷位相分别对应的海表高频风强度分布

相关成果:

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Xue, D., J. Lu, L. Sun, G. Chen, and Y. Zhang, 2017: Local increase of anticyclonic wave activity over northern Eurasia under amplified Arctic warming, Geophys. Res. Lett., 44, 3299–3308, doi:10.1002/2017GL072649

图2 海-气系统季节内振荡示意图

Lu J.*, D. Xue*, Y. Gao, G. Chen, L. Leung, and P.W. Staten., 2018: Enhanced hydrological extremes in the western United States under global warming through the lens of water vapor wave activity. NPJ Climate and Atmospheric Science, 1:7; doi:10.1038/s41612-018-0017-9

Xue, D., Lu, J., Leung, L. R., & Zhang, Y.,2018: Response of the hydrological cycle in Asian monsoon systems to global warming through the lens of water vapor wave activity analysis. Geophysical Research Letters, 45.

(大气科学学院 科学技术处)

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