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史鋒等-GRL:數據同化揭示我國降水一致變化模態的機理
2020-02-05 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  降水的異常變化可引起干旱、洪澇等自然災害,對國民經濟和社會生活造成巨大影響,因此降水變化規律和機理研究具有重要意義。過去幾百年是人類活動影響相對較弱的歷史時期,其降水空間格局可為理解降水的自然變化規律提供理想情景;然而由于混沌效應及誤差非線性增長,利用氣候模式對我國過去幾百年降水的模擬結果與代用記錄重建數據相比,在空間分布與時間演化方面均存在明顯不匹配現象,限制了進一步研討我國歷史時期降水變化的物理機理。 

  針對上述問題,中國科學院地質與地球物理研究所史鋒副研究員、郭正堂院士與比利時法語魯汶大學Hugues Goosse教授和Francois Klein博士、美國夏威夷大學趙森博士、自然資源部第二海洋研究所劉婷博士合作利用古氣候同化技術——粒子濾波方法,基于通用地球系統模式過去千年多成員模擬試驗結果,獲得的我國暖季(五月至九月)降水同化結果既服從重建降水空間格局變化特征、也符合氣候模式反映的氣候變化物理規律。 

  基于同化結果分析發現,我國過去500年暖季降水第一主導模態呈現東部地區一致地變化,而“南澇北旱”的偶極子模態和三極子“三明治”模態出現在第二和第三模態。這種一致變化的降水模態與大尺度環流是密切配合的(圖1):東部地區對流層下層異常氣旋,上層反氣旋環流,加強了氣候態的季風上升氣流;再配合來自海洋的水汽輸送增強,使得云量和降水異常增多。 

1 暖季(五月至九月)降水一致變化模態匹配的大氣環流的相關圖。(a850hPa水平風異常場(矢量)和850hPa位勢高度異常場(陰影);b200hPa水平風異常場(矢量)和200hPa位勢高度異常場(陰影),(c700hPa垂直風異常場(,陰影);d)總云量異常場(陰影),和(e)對流層整層積分水汽輸送異常場(矢量)和可降水量異常場(陰影)。矢量圖為通過90%置信檢驗的相關系數,黑色箭頭對應于通過90%置信檢驗的相關系數,灰色箭頭表示未通過顯著性檢驗的相關系數;黑框表示降水一致變化模態的核心區域 

  進一步分析發現,南海及其附近海域的海溫異常是形成上述大尺度環流配置的主要驅動力。南海及其附近海域的暖海溫,通過加熱大氣激發大氣波動響應,在熱源的西北象限,對應出現氣旋型的環流響應。當熱源中心位置北移,對應的氣旋性環流異常強度增加,位置北移;當熱源范圍不斷增大時,北半球氣旋強度增強、位置西移、范圍增大。降水一致模態對應的環流異常,可以從Gill型響應的理論解析通解中得到證實。 

  這種降水單極子一致變化模態的物理機制可為過去千年石筍氧同位素記錄南北一致變化提供可能的新解釋。而國際耦合模式比較計劃第五階段(CMIP5)多模式預估我國大部分地區的降水量會出現一致增加的情景,這意味著南海及附近海域海溫調制我國暖季降水一致性變化模態的機制會為未來預測我國降水變化提供新的科學參考。 

  研究成果發表于國際學術頂級期刊Geophysical Research Letters。Shi F*, Goosse H, Klein F, Zhao S, Liu T, Guo Z T. Monopole mode of precipitation in East Asia modulated by the South China Sea over the last four centuries[J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46: 14713–14722. DOI: 10.1029/2019GL085320)(原文鏈接 

 
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