科研進展

大氣所關于熱穹頂環(huán)流的研究取得重大進展

日期:2023-03-31

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   極端天氣氣候事件如熱浪、強降水、干旱等對社會、經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全造成威脅。2021年6月底至7月初,一場強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鍵大氣環(huán)流。熱穹頂是指高層大氣熱高壓在一定時間內(nèi)停滯不動,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)流對區(qū)域熱浪的貢獻及其未來影響是備受關注的熱點。

  3月27日,中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗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)流對北美熱浪的影響增強》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超過50%;同時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度會繼續(xù)增加。

  “環(huán)流相似法”常用于定量估算環(huán)流對極端高溫的貢獻,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)流異常對極端事件的貢獻。該研究將此方法應用到北美地區(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,但兩者的長期變化并不完全一致。觀測和模擬分析均表明,1950年代以來“熱穹頂”環(huán)流的強度無顯著趨勢,而其對應的熱浪強度自1990年代以來快速增強。

  為什么在相似的“熱穹頂”環(huán)流影響下,熱浪強度快速增加?一方面,這與全球增暖這一背景態(tài)增溫有關;另一方面,土壤濕度-溫度正反饋過程對此也有貢獻。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,說明該地區(qū)土壤濕度和環(huán)流之間存在強烈的相互作用。定量分析表明,土壤濕度異常對此次高溫的貢獻可達50.6%。比較1959-1990年、1991-2020年前后兩個時間段,后期土壤濕度-溫度反饋更強,這種更強的反饋過程使得熱浪的增強快于全球平均增溫。

  研究預估,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世紀末,類似極端高溫事件將會變成常態(tài)。相比之下,類似“熱穹頂”型環(huán)流異常的發(fā)生概率僅為歷史時期的1-3倍,不如極端高溫的變化強烈。

  《巴黎協(xié)定》確定了將全球平均氣溫較工業(yè)化前時期上升幅度控制在2 以內(nèi),并努力將溫升幅度限制在1.5 以內(nèi)的目標。進一步,該工作研究了不同溫升閾值下的未來變化發(fā)現(xiàn),當增暖1.5 時,類似極端高溫的頻率將會翻倍,而增暖2 和3 時,極端高溫的頻率分別會增加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,同時避免更多的人口暴露在類似2021年這樣的高溫熱浪中。

  研究工作得到國家自然科學基金基礎科學中心項目“青藏高原地球系統(tǒng)”的支持。

  論文鏈接 

   

  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,紅線代表2021年北美的高溫

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