大氣所關(guān)于熱穹頂環(huán)流的研究取得重大進(jìn)展
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極端天氣氣候事件如熱浪、強(qiáng)降水、干旱等對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。2021年6月底至7月初,一場(chǎng)強(qiáng)勁的熱浪席卷北美西海岸,造成部分地區(qū)溫度相比于常年同期高出16-20 ?!盁狁讽敗笔谴舜胃邷刂械年P(guān)鍵大氣環(huán)流。熱穹頂是指高層大氣熱高壓在一定時(shí)間內(nèi)停滯不動(dòng),高壓像罩子一樣把熱空氣蓋在熱浪發(fā)生區(qū)域,令熱穹頂里面的溫度升高,最終引發(fā)熱浪。熱穹型環(huán)流對(duì)區(qū)域熱浪的貢獻(xiàn)及其未來(lái)影響是備受關(guān)注的熱點(diǎn)。
3月27日,中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員周天軍課題組在《自然-通訊》(Nature Communications)上,發(fā)表了題為《全球變暖背景下熱穹頂型環(huán)流對(duì)北美熱浪的影響增強(qiáng)》的研究論文。該研究提出熱穹頂環(huán)流在2021年北美極端高溫中的貢獻(xiàn)超過(guò)50%;同時(shí)在全球變暖和土壤濕度-大氣反饋的共同作用下,熱穹頂環(huán)流控制下的極端高溫強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增加。
“環(huán)流相似法”常用于定量估算環(huán)流對(duì)極端高溫的貢獻(xiàn),即在歷史年份中尋找與某一極端事件相似的環(huán)流,將相似環(huán)流下的溫度作合成,從而定量估算該環(huán)流異常對(duì)極端事件的貢獻(xiàn)。該研究將此方法應(yīng)用到北美地區(qū),發(fā)現(xiàn)“熱穹頂”環(huán)流可以解釋2021年極端高溫事件強(qiáng)度的54.6%
盡管北美地區(qū)熱浪事件與“熱穹頂”環(huán)流密切相關(guān),但兩者的長(zhǎng)期變化并不完全一致。觀測(cè)和模擬分析均表明,1950年代以來(lái)“熱穹頂”環(huán)流的強(qiáng)度無(wú)顯著趨勢(shì),而其對(duì)應(yīng)的熱浪強(qiáng)度自1990年代以來(lái)快速增強(qiáng)。
為什么在相似的“熱穹頂”環(huán)流影響下,熱浪強(qiáng)度快速增加?一方面,這與全球增暖這一背景態(tài)增溫有關(guān);另一方面,土壤濕度-溫度正反饋過(guò)程對(duì)此也有貢獻(xiàn)。歷史記錄表明,伴隨熱穹頂型環(huán)流的出現(xiàn),同期土壤濕度顯著偏低,說(shuō)明該地區(qū)土壤濕度和環(huán)流之間存在強(qiáng)烈的相互作用。定量分析表明,土壤濕度異常對(duì)此次高溫的貢獻(xiàn)可達(dá)50.6%。比較1959-1990年、1991-2020年前后兩個(gè)時(shí)間段,后期土壤濕度-溫度反饋更強(qiáng),這種更強(qiáng)的反饋過(guò)程使得熱浪的增強(qiáng)快于全球平均增溫。
研究預(yù)估,在RCP8.5情景下,2041-2060年類似極端高溫事件發(fā)生的概率約為33%,但到21世紀(jì)末,類似極端高溫事件將會(huì)變成常態(tài)。相比之下,類似“熱穹頂”型環(huán)流異常的發(fā)生概率僅為歷史時(shí)期的1-3倍,不如極端高溫的變化強(qiáng)烈。
《巴黎協(xié)定》確定了將全球平均氣溫較工業(yè)化前時(shí)期上升幅度控制在2 以內(nèi),并努力將溫升幅度限制在1.5 以內(nèi)的目標(biāo)。進(jìn)一步,該工作研究了不同溫升閾值下的未來(lái)變化發(fā)現(xiàn),當(dāng)增暖1.5 時(shí),類似極端高溫的頻率將會(huì)翻倍,而增暖2 和3 時(shí),極端高溫的頻率分別會(huì)增加3倍和10倍。因此,如果將溫度控制在1.5 而不是2 (3 ),將能避免約65%(92%)的類似極端高溫頻率的增加,同時(shí)避免更多的人口暴露在類似2021年這樣的高溫?zé)崂酥小?/p>
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“青藏高原地球系統(tǒng)”的支持。
圖1.500hPa上空的“熱穹頂”環(huán)流
圖2.類似“熱穹頂”環(huán)流(Analogs)和隨機(jī)選取的環(huán)流(Control)影響下的溫度異常分布,數(shù)字代表環(huán)流的貢獻(xiàn),紅線代表2021年北美的高溫
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