ISO能直接影響其所在地區(qū)的長期天氣變化和造成短期氣候異常,又能通過改變大氣對(duì)流和環(huán)流、激發(fā)大氣波動(dòng)、與厄爾尼諾等其他時(shí)間尺度的氣候模態(tài)相互作用等方式間接影響全球的天氣和氣候。

早上出門,看天氣預(yù)報(bào)。出差旅行,更要看天氣預(yù)報(bào)。天氣預(yù)報(bào)和我們的生活息息相關(guān),但我們往往也發(fā)現(xiàn),1天之內(nèi)的天氣預(yù)報(bào)比較準(zhǔn)確,時(shí)間越往后,預(yù)報(bào)的結(jié)果越容易不準(zhǔn),并且目前的預(yù)報(bào)時(shí)限只能在14天之內(nèi)。

天氣預(yù)報(bào)時(shí)限涉及到大氣的季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)研究。近日,中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LTO)研究員杜巖團(tuán)隊(duì),在熱帶印度洋海洋動(dòng)力過程影響大氣的ISO方面的研究中取得新進(jìn)展,相關(guān)研究成果發(fā)表在《氣候動(dòng)力學(xué)》上。

今后一旦對(duì)ISO研究透徹,天氣預(yù)報(bào)的時(shí)限將可拉長至一兩個(gè)月,使我們能夠?qū)磳l(fā)生的極端天氣提前采取應(yīng)對(duì)措施,實(shí)現(xiàn)“無縫隙”氣候預(yù)測(cè)。

ISO同長短期氣候密切相關(guān)

“ISO不局限于某一種具體現(xiàn)象,而是描述一類時(shí)間尺度的變化。”杜巖團(tuán)隊(duì)成員、博士梁韻說道:“對(duì)于一個(gè)事物,我們實(shí)際得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)是多種時(shí)空尺度變化疊加的結(jié)果。不同尺度變化的形成機(jī)制不同,因此在研究過程中,為了簡化問題,我們通常將不同尺度的變化分離開來。”

什么是時(shí)間尺度呢?梁韻以日變化為例介紹:“每一天的氣溫變化規(guī)律基本是早晚比較冷,中午最熱,這是由地球自轉(zhuǎn)所致的日升日落規(guī)律造成的日變化,也就是我們最常見的‘天’時(shí)間尺度。”

“ISO,是一種時(shí)間尺度大于一個(gè)月但小于一個(gè)季度的變化。”梁韻說。由于ISO能直接影響其所在地區(qū)的長期天氣變化和造成短期氣候異常,又能通過改變大氣對(duì)流和環(huán)流、激發(fā)大氣波動(dòng)、與厄爾尼諾等其他時(shí)間尺度的氣候模態(tài)相互作用等方式間接影響全球的天氣和氣候,近年來成為氣候變化研究的重要前沿課題之一。

熱帶地區(qū)的ISO尤為活躍,大致可以分為北傳和東傳兩種類型。其中,東傳型最初由馬登(Madden)和朱利安(Julian)兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn),因此也常被稱為馬登-朱利安振蕩(MJO)。“東傳ISO是一種行星尺度的深對(duì)流系統(tǒng),伴隨著氣壓、風(fēng)場(chǎng)、降水、海溫等多種要素的變化,最初生成于熱帶西印度洋,以每秒5—10米的速度向東傳播,在熱帶東南印度洋被顯著加強(qiáng),經(jīng)過西太平洋之后強(qiáng)度逐漸減弱,深對(duì)流最終消失于日界線附近。” 梁韻指出,該ISO具有較為顯著的季節(jié)特性,在北半球冬季,也就是12月至次年2月最為強(qiáng)盛。

東傳ISO在某些地區(qū)的持續(xù)性活躍往往還會(huì)引起一些較為極端的天氣,比如2008年初我國南方雨雪冰凍災(zāi)害,1998年和2020年夏季長江流域的洪澇,以及2009年冬季和2010年冬季云南的百年大旱等。赤道附近東傳ISO對(duì)流和環(huán)流的異常甚至可通過影響海洋蒸發(fā)、流動(dòng)、波動(dòng),進(jìn)而影響到海洋中一些現(xiàn)象的發(fā)展和演變,甚至影響海洋微生物的生長。

“ISO能影響亞洲季風(fēng)區(qū)、非洲大陸、太平洋島嶼,甚至北美西海岸等多個(gè)區(qū)域的天氣和氣候。”梁韻指出,ISO是連接天氣和氣候的橋梁,理解ISO的發(fā)生發(fā)展是研究天氣及氣候變化的重要環(huán)節(jié),也是實(shí)現(xiàn)“無縫隙”氣候預(yù)測(cè)的關(guān)鍵。

找到東傳ISO冬季最強(qiáng)原因

杜巖團(tuán)隊(duì)即把研究的目光聚集在東傳ISO上。過去的科學(xué)研究普遍認(rèn)為,ISO是一種大氣內(nèi)部模態(tài),也有一些研究從海洋的角度分析了熱帶西南印度洋ISO的生成。“我們主要從海洋角度分析了海洋動(dòng)力過程在熱帶東南印度洋對(duì)ISO的加強(qiáng)作用。”梁韻說,“因?yàn)楹Ｑ蟮淖兓却髿饩徛?我們通常說海洋擁有記憶功能。某些情況下,可以通過海洋波動(dòng)追溯前期大氣變化對(duì)海洋產(chǎn)生的影響,這就為我們的預(yù)測(cè)研究提供了一定的信號(hào)。”

在此之前,關(guān)于東傳ISO的研究普遍從大氣內(nèi)部的擾動(dòng)出發(fā),關(guān)注水汽、風(fēng)場(chǎng)等大氣要素的變化。但杜巖團(tuán)隊(duì)把關(guān)注點(diǎn)放在海洋動(dòng)力過程上,并將研究時(shí)間提前到秋季,且在此過程中,海表溫度(SST)被作為重要的媒介,海洋波動(dòng)通過影響SST進(jìn)而影響大氣。

基于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和再分析資料的分析,杜巖團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)熱帶東南印度海洋和大氣在50—80天的ISO信號(hào)相關(guān)性強(qiáng),二者均在北半球冬季最活躍并具有東傳特性。梁韻說:“秋季的季風(fēng)轉(zhuǎn)換能夠?qū)е鲁嗟赖牟▌?dòng)。我們發(fā)現(xiàn),在北半球秋季,印度洋上空的西南季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北季風(fēng),赤道附近的風(fēng)場(chǎng)變率較大,風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的影響在蘇門答臘沿岸累積,促使了下沉羅斯貝波的生成。”

而下沉羅斯貝波具有西傳特性,且對(duì)應(yīng)著加深的溫躍層和暖的SST異常。下沉羅斯貝波在蘇門答臘沿岸生成后西傳至東經(jīng)90°附近,使得該處SST增暖,進(jìn)而加強(qiáng)與ISO有關(guān)的深對(duì)流。此外,由于該波動(dòng)的生成主要與秋季的季風(fēng)轉(zhuǎn)換有關(guān),其傳播至東經(jīng)90°需要5—6周,因此對(duì)大氣ISO的加強(qiáng)主要發(fā)生在冬季。這一過程也在一定程度上解釋了東傳ISO在冬季最強(qiáng)的原因。

“我們一方面解釋了海洋如何加強(qiáng)大氣中的深對(duì)流現(xiàn)象,即海洋波動(dòng)首先影響海表面溫度,海表面溫度再影響到大氣;另一方面解釋了為什么東傳ISO在冬季是最強(qiáng)的,從而闡釋了它的季節(jié)特性。”梁韻表示。

實(shí)現(xiàn)“無縫隙”氣候預(yù)測(cè)的關(guān)鍵

“目前天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)時(shí)間被限制在14天以內(nèi),對(duì)厄爾尼諾—南方濤動(dòng)等氣候變化模態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)也存在困難,這正是由于對(duì)ISO的研究尚不完善。”梁韻指出,“一旦能夠研究透徹ISO,天氣預(yù)報(bào)的時(shí)限將可拉長至一兩個(gè)月,那么對(duì)于有可能發(fā)生的極端天氣,我們就能夠提前采取應(yīng)對(duì)措施。”

不同尺度的變化并非獨(dú)立存在,而是相互作用、存在著能量傳遞的。梁韻補(bǔ)充道,我們平常說的天氣通常是時(shí)間尺度在兩周以內(nèi)的小尺度變化,而氣候是長于一個(gè)季度的大尺度變化,ISO的時(shí)間尺度則介于二者之間。

值得一提的是,對(duì)ISO的透徹研究可提升對(duì)于厄爾尼諾現(xiàn)象預(yù)測(cè)的精確度。厄爾尼諾是指在太平洋中部和東部的熱帶海洋地區(qū),海水溫度異常持續(xù)變暖,進(jìn)而影響整個(gè)世界氣候的現(xiàn)象。厄爾尼諾現(xiàn)象可對(duì)全球氣候產(chǎn)生毀滅性的影響,引發(fā)洪水、導(dǎo)致干旱和農(nóng)作物歉收,并且通過海氣作用的遙相關(guān),對(duì)相當(dāng)遠(yuǎn)的地區(qū),甚至對(duì)北半球中高緯度的環(huán)流變化產(chǎn)生一定影響,如使得我國大部分地區(qū)的降水有偏少趨勢(shì)。

“厄爾尼諾的預(yù)測(cè)存在春季預(yù)報(bào)障礙現(xiàn)象。春季預(yù)報(bào)障礙跟熱帶西太平洋西風(fēng)爆發(fā)密切相關(guān),而西風(fēng)爆發(fā)又和ISO有著極大關(guān)系。東傳ISO在冬季是最強(qiáng)的,它到達(dá)西太平洋之后,能夠影響該海域次年春季的西風(fēng)爆發(fā)。目前無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)西風(fēng)爆發(fā),是導(dǎo)致厄爾尼諾春季預(yù)報(bào)障礙的重要原因之一。我們希望能更早地預(yù)測(cè)厄爾尼諾,從而將與其有關(guān)的天氣災(zāi)害所帶來的損失降到最低。”梁韻解釋道。

什么時(shí)候可實(shí)現(xiàn)對(duì)天氣長達(dá)一兩個(gè)月的預(yù)報(bào)和厄爾尼諾的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)呢?對(duì)此,梁韻表示,“我們的研究主要是從物理現(xiàn)象來討論,從機(jī)制上進(jìn)行解釋,仍需繼續(xù)完善該機(jī)制原理,并把它理論化。同時(shí)天氣預(yù)測(cè)也離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的強(qiáng)有力支持。”(科技日?qǐng)?bào) 記者葉青 通訊員徐曉璐)

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