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全球变暖正在改变亚洲季风格局 精选

已有 4691 次阅读 2022-8-5 09:11 |个人分类:气候学|系统分类:科研笔记

全球变暖导致气候系统热机效率提高,能量与水循环速度加快,高温热浪、暴雨洪涝灾害等极端事件频发。历来干旱的索马里在2021年5月遭受暴雨洪水袭击。今年入夏以来,位于南亚西北部干旱区的巴基斯坦、阿富汗,甚至伊朗也遭受了重大洪涝灾害,数百人伤亡,财产损失严重。气象记录显示,近十多年南亚西北部的暴雨极端事件有逐渐增加的趋势。与此同时,东亚季风及旱涝形势也发生了明显变化,南方频现旱情、北方多雨,一向缺水的黄河多次出现汛情。这些变化与气候模式预估结果是否一致?其背后机理和变化原因值得进一步研究探讨。

气候预估(projection)不同于气候预测(prediction),前者是通过设定经济社会发展情景或温室气体排放情景,积分多个海气耦合气候模式获得;对于动力气候预测而言,后者仅是一个或多模式集合的初边值问题,且存在可预报性障碍。二者面临的共同问题是都存在模式气候漂移或模式系统性偏差,需要订正。这种偏差在气候预测问题中可以通过历史观测记录订正;而在气候预估问题中多是通过用预估结果减去一段时间平均的模式集合历史气候模拟结果完成。气候变化可以分为内部变化(本征模演变)和强迫变化两部分。前者常常对应于气候的年际、年代际和多年代尺度气候振荡,是气候预测的主要对象;后者通常对应于气候演变的趋势部分,是气候预估的关注点。气候预估主要考察在不同排放情景下未来气候的趋势演变及其空间差异。这个任务是通过多模式集合平均来完成的。因为大样本的模式集合平均能够消除模式气候中的内部变化成分。这是目前大多数气候预估研究的范式。然而,当模式数目属于小样本(小于30),或预估结果平均时段只有20-30年时,气候系统内部变率不一定能全部消除,在预估结果中会残留年代或多年代尺度成分。在这种情况下就需要根据观测对其进行订正,这种基于观测记录的订正使得气候预估更接近于某种气候预测估计,其结果可以与实况进行比对并加以应用。

自2015年起,本博主与合作者们,依据CMIP5多模式数据对未来20-30年亚洲季风的可能变化进行了研究,重点检验了模式集合预估偏差特征及其可能的订正方法,结果表明,模式系统性偏差超过80%,其余属于非定常偏差,在气候预估中这两种偏差都需要订正。用线性统计方法可以订正偏差中的定常(模式气候漂移)及平稳部分,非平稳部分尚无解。在中等排放路径RCP4.5情景下,对2021-2050年CMIP5模式集合预估降水的订正结果显示,中国汛期大雨带将会北移,新疆南部、三江源区、黄河下游和淮河流域、东北南部等地降水会明显增加,南方可能频现旱情(见图1)。这与近些年我国雨带明显偏北,北方多雨,黄河汛情加重,南方不时出现干旱的实况相一致,说明结合观测数据订正后的预估结果具有较高的预测参考价值。此外,进一步的预估分析表明,近些年亚洲降水异常可能与全球变暖驱动的亚洲季风系统格局变化有关。

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1 2021-2050年经偏差订正后,20CMIP5模式集合预估的暖季(5-10月)降水距平百分率 (大气科学,2022).

 

亚洲季风分为南亚季风和东亚季风两个部分,二者的控制因子和属性存在差异。亚洲降水的主要部分来源于季风雨,其异常必然与季风变异有关。大尺度季风的变化主要起因于海陆温差、南北半球温差及行星尺度大气环流系统的季节性南北移动。季风的基本功能是输送水汽,降雨相伴而生。 在气候平均图上,南亚存在一条大的热带季风水汽输送带,起源于南半球,在赤道印度洋西部索马里沿岸越过赤道,向东转进入南亚次大陆上空,然后再向西走,最后在中南半岛(印支半岛)折向北方,越过横断山脉进入我国,是汛期我国南方降水最重要的水汽来源之一。

学界对季风或季风指数的表示多种多样,但考虑到大地形,可以用地面至500mb水汽通量表示季风矢量。计算CMIP5 模式集合RCP4.5情景下2016-2045年季风预估场与1976-2005年历史气候模拟季风的差来表示未来30年季风系统的可能变化。结果显示,在赤道印度洋出现两支附加的跨赤道向北的季风水汽流,其西端一支从赤道索马里指向巴基斯坦,即伴随气候暖化暖季向南亚西北部干旱区的水汽输送增强;另一支位于80oE,从赤道指向孟加拉湾北部,同时中南半岛向北的季风水汽输送减弱,向西的输送增强;在中国东部沿海向北的水汽输送有所增强(见图2)。这种变化一方面会导致南亚西北部,阿拉伯半岛东部,甚至非洲之角东部干旱区季风降水增加,恒河流域及中南半岛降水趋于减少;另一方面向中国西南地区的季风水汽输送减弱,西南和江南中部等地易出现干旱。这些结果与上述降水预估的订正结果基本一致,说明亚洲降水的变化主要与亚洲季风的格局变化有关,因为全球气候变暖造成南北半球温差增加,越赤道气流逐渐增强,南亚季风区向西扩展,向东的季风水汽输送减弱。此外,东亚季风变异还与变暖背景下海陆温差加大,大陆上南北温差变小,以及副热带高压系统向北扩展有关。需要注意的是,全球气候变化可能已经越过了转折点(Tipping point),气候暖化会进一步加剧中国南方旱情,有关部门应尽早制定适应措施,应对南方,特别是我国西南部日益严峻的水资源短缺问题。资助项目:国家自然科学基金项目(41675087,41675075)

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Fig 2 2016-2045相对于1976-2005年地面至500mb20CMIP5模式集合平均暖季(5-10月)水汽通量变化 (TAAC, 2022).

2022年8月5日

参考文献链接:

Asian monsoon projection with a new large-scale monsoon definition | SpringerLinkhttp://www.iapjournals.ac.cn/dqkx/cn/article/doi/10.3878/j.issn.1006-9895.1511.15212; 未来30年亚洲降水情景预估及偏差订正 (iapjournals.ac.cn); CMIP5模式降水订正法及未来30年中国降水预估 (iapjournals.ac.cn).






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