段安民小組在全球氣候變化研究領域取得系列新成果

2021-01-22 科學網

青藏高原熱力強迫和海－陸熱力差異影響亞洲副熱帶氣候格局的概念示意圖。

 

5月份高原感熱加熱異常偏強(a)和異常偏弱(b)對應的隨後7月中國160個測站實際降水距平，單位：mm/day。

 

不同氣候帶的形成是多種因子共同作用的結果，除太陽輻射強度隨緯度變化外，海陸分布、大尺度地形、地表狀態（冰雪、土石等）的影響也不容忽視。在國家自然科學基金的持續資助下，中國科學院大氣物理研究所研究員段安民小組對青藏高原激發的大氣定常波對亞洲氣候的影響進行了深入研究，他們以氣候系統動力學的新視角在全球氣候變化研究領域取得了一系列新成果。

 

氣候系統動力學視角

 

在全球氣候帶的劃分上，中國基本上處於西風帶的控制範圍內，基本氣流是西風氣流。當這種基本氣流遇到大尺度的地形（高原、山系等）後會被抬升（爬坡），或繞流從兩邊流過。

 

從上世紀30年代至今，大尺度地形機械和熱力強迫作用對大氣環流影響的研究取得了不少成果，全球副熱帶地區的大地形（如亞洲的青藏高原、北美的洛基山脈和南美的安第斯山脈等）在大氣環流定常態形成過程中的作用也愈來愈受到重視。

 

「這也正是近年來，人們研究全球氣候變化時將視野由經典氣候學轉向氣候系統動力學的原因。」段安民說，「青藏高原這麼大尺度的地形不管是動力和熱力強迫，都會對亞洲甚至北半球、全球氣候產生影響。」

 

「我們所說的大氣定長波，是大氣波動在空間上，位置基本不移動變化，在時間上會隨季節變化而產生波動。如，冬季是一個狀態、夏季是另外一個狀態，但基本氣流相對穩定的是大氣波。我們的目的是，研究非絕熱條件下的大氣定常波及波—流相互作用理論，並結合資料分析和數值模擬去認識青藏高原激發出的山脈波和熱力波在不同季節的結構、形態以及它們對亞洲大氣環流和氣候的影響，從而為深入認識我國氣候異常的規律提供理論基礎。」段安民說。

 

青藏高原對東亞氣候的影響

 

「影響東亞季風氣候的因素非常多，主要有大尺度的海陸熱力差異，太陽輻射隨季節的循環，西北太平洋和南海印度洋的強迫（海水溫度變化等）、西風帶長波活動等。青藏高原也是個非常重要的影響。」段安民說。

 

青藏高原是世界上地形最複雜的高原，其動力和熱力作用是形成和維持北半球大氣環流的重要原因之一，冬季高原機械強迫作用使西風氣流爬坡和繞流分岔，夏季氣流對熱源的熱力適應形成高原上空近地層低壓和中高層的青藏高壓。此外，青藏高原還是北半球副熱帶地區最重要的大氣波動源區之一，高原地形激發出的山脈波和高原上空大尺度大氣熱源（匯）激發出的熱力波及與之相聯繫的熱量、動量傳播對周邊地區大氣環流和天氣氣候有著重要影響。

 

段安民說：「青藏高原在我國的西南部，其激發的氣流異常可以隨西風帶氣流向下遊傳播，如果氣流繞流也會從南面雲貴高原和北面的天山山脈經過。我們重點關注青藏高原的氣候平均態，掌握了平均態後，就可以從高原熱力源變化推測其對東亞氣候的影響。」

 

段安民解釋，青藏高原冬季位於西風帶中，夏季處在東風帶和西風帶的交界處。由於高原的動力和熱力作用不同，導致其對冬夏季節大氣環流的影響各不相同。一旦青藏高原上空大氣熱源（匯）性質發生顯著異常，高原及周邊地區上空大氣環流也將通過「熱力適應」發生改變。此外，青藏高原的地形和位於其上空的大氣熱源（匯）都是激發大氣定常波的基本能源，波動和隨之產生的熱量和動量輸送會造成基本氣流的改變和天氣氣候異常。

 

因此，研究青藏高原動力和熱力強迫激發出的大氣定常波影響周邊地區大氣環流和氣候異常的規律，揭示這種影響的機制是研究我國氣候異常機理不可或缺的重要部分，同時它還對認識全球其他大地形（如洛基山脈和安第斯山脈）影響大氣環流和天氣氣候異常的規律有借鑑意義。

 

抗旱防洪的理論基礎

 

「我們所說的定長波在空間和時間上是相對恆定，主要研究的是氣候長期平均狀況，並非年際或年代際的變化。其季節變化研究也是某個季節長期的平均變化。我們了解氣候平均態之後，又作了些年際的變化研究。比如青藏高原每年春季或夏季熱源的變化對應中國東部降水、長江流域洪澇或乾旱狀況。」段安民說，「上世紀80年代中國南澇北旱直接導致我們南水北調工程的開展。我們在完成年代際變化研究後，就能為北方抗旱、長江中下遊防洪或一些重點工程決策提供理論基礎。」

 

目前，該小組在非絕熱大氣定常波理論研究上取得了新進展，他們求得了潛熱波和感熱波的波動解，並用資料分析驗證了理論推導結果的合理性。此外，研究人員還在傳統的波與流相互作用理論的基礎上，取得非絕熱條件下的波—流相互作用理論新進展，證明了波動能量關係與大氣能量循環關係的一致性。

 

在青藏高原熱力強迫激發的大氣定常波對東亞氣候格局的影響方面，研究者認為，夏季青藏高原是一高聳在對流層中部的巨大熱源，最大加熱層集中在地表附近。大氣對非絕熱加熱的熱力適應，形成了高原近地層淺薄的氣旋式環流和位於其上的深厚反氣旋式環流。由於青藏高原和伊朗高原位於歐亞大陸的中東部，再加之大地形激發的環流型與大陸尺度的環流型在高原東部同位疊加，因此，青藏高原熱力強迫激發的大氣定常波加強了夏季高原東側的季風活動和高原西側的乾旱氣候。單純的高原地形機械強迫作用對高原上空高、低環流的影響與熱力強迫基本相反，它還使中國東部降水明顯減少。

 

未來研究計劃

 

上述研究主要集中在高原熱力和動力強迫對亞洲氣候平均狀況和年際變率的影響上。近幾十年來高原一方面發生了異常顯著的氣候變暖，另一方面東亞季風的長期變化趨勢表現為我國夏季主要雨帶的南撤和「南澇北旱」形勢的加劇。高原熱力強迫影響東亞季風年際變率的事實和機理已經被許多研究結果所揭示。然而，高原春季熱狀況影響東亞季風和我國夏季降水形勢的物理過程和機制仍需要深入研究。特別是在年代際時間變化尺度的長期變化趨勢上，高原氣候變化與東亞季風之間的關係尚不清楚。「這一問題屬於當前國際前沿領域，開展這方面的研究可以促進對近幾十年來東亞季風減弱機理的認識，同時還有助於加深人們對全球變化的理解，具有重要的科學意義。」段安民說。

 

《科學時報》 (2010-12-27 A4 科學基金)

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