复旦大学大气与海洋科学系与美国加州大学研究团队合作揭示2020年“超级暴力梅”的成因

作者:摄影: 视频: 来源:大气与海洋科学系发布时间:2021-03-12

2020年夏季我国经历了一次超强梅雨季,依据国家气候中心的监测结果,梅雨量达759.2毫米,较常年(343.4毫米)偏多1.2倍,超过1998年和2016年,为1961年以来历史最多;梅雨季持续时间长达62天,较常年(40天)偏长22天,为1961年以来历史最长。同时,共有46个市(县)日降水量达到极端事件标准,主要分布在上海、江苏、安徽、湖北、江西等地,长江、鄱阳湖、洞庭湖、太湖、淮河水位先后超警,多地拉响洪水红色预警。2020年梅雨季被媒体称为“暴力梅”。到底是什么原因导致2020年的梅雨量异常偏多呢?

复旦大学大气与海洋科学系周震强博士、张人禾院士和美国加州大学Shang-Ping Xie教授的合作研究发现,2019年秋季在南印度洋自东向西缓慢移动的海洋罗斯贝波(Rossby Wave)是2020年梅雨异常偏多的重要原因。3月8日,相关研究成果以《极端印度洋异常激发了2020年历史性长江洪涝》(“Historic Yangtze flooding of 2020 tied to extreme Indian Ocean conditions”)为题在线发表于《美国科学院院刊》(PNAS)。

东亚夏季风是控制我国东部天气气候的主要系统,“梅雨”是东亚夏季风进程中特有的雨季,发生在长江中下游、韩国南部和日本中南部等地区,从6月中旬持续到7月中旬,由于正是江南梅子的成熟期,故我国称其为“梅雨”,此时段便被称作梅雨季节。由于大气环流系统的变异性,每年梅雨季节的开始和结束时间和梅雨量等也不尽相同,这也是长江中下游流域旱涝的最主要原因。

历史上,中国长江流域的特大洪涝灾害常发生在厄尔尼诺事件次年的夏季,如1954年、1983年、1998年、2010年和2016年等(图1)。厄尔尼诺指赤道中东太平洋海水异常增暖的现象,于春夏季开始发展,冬季达到盛期,在次年春季衰减。然而,到了次年夏季,发生在遥远的赤道中东太平洋上的厄尔尼诺衰减为比较弱的信号甚至消失,它又是如何影响中国夏季降水呢?1996年,张人禾等首次发现,在厄尔尼诺的盛期,西北太平洋对流层低层出现异常反气旋式大气环流(图1,以下简称西太反气旋),为这一问题的解决提供了思路,西太反气旋西侧的西南风异常导致向中国南方的水汽输送显著增强,较强的水汽辐合使得我国东南沿海和华南地区的降水显著增加。这启发了一系列关于西太反气旋维持到次年夏季的研究,Shang-Ping Xie等在2009年提出印度洋-西北太平洋的联合电容器(IPOC)机制:在厄尔尼诺次年,北印度洋在西太反气旋发展中的作用类似于电容器效应,厄尔尼诺盛期为印度洋“充电”,印度洋在次年夏季“放电”,使西太反气旋维持到夏季,其西侧的偏南气流能够加强孟加拉湾和南海上空水汽的向北输送,从而使得长江流域的梅雨维持时间较长,导致长江流域夏季经常发生持续性暴雨和洪涝灾害。

图1. (a)2020年夏季极端梅雨事件和对流层低层异常环流(b)长江中下游历年梅雨量

(c)2019年秋季热带印度洋海面温度、海面高度和对流层低层环流异常

(d)热带南印度洋(南纬8-12度)海面高度和风应力旋度异常的时间演变

厄尔尼诺衰减期西北太平洋异常反气旋的发现,是亚洲季风研究的重要进展,厄尔尼诺因此也成为了中国汛期降水重要的预报因子。然而这次2019/20年是一次弱的厄尔尼诺事件,海温异常只有0.5℃。相比之下,1997/98和2015/16两次厄尔尼诺事件分别达到2.4℃和2.6℃。那么,为什么如此弱的厄尔尼诺年份也能出现超强梅雨季? 

通过数值模式试验,该研究发现,2020年“超级暴力梅”最早可以追溯到2019年秋季的印度洋极端异常信号(图1),而不是像往常一样主要受到太平洋厄尔尼诺事件的影响。2019年秋季,西印度洋异常偏暖,最上层的暖水深度(温跃层)达到150米,达到常年深度(80米)的接近两倍;东印度洋(印尼群岛附近)异常偏冷,这种印度洋海盆东西两端相反的海温异常被称为印度洋偶极子现象,温度差达到2.1℃(图1,图2),成为有记录以来最强的一次印度洋偶极子事件。与2019年秋季极端印度洋偶极子事件相伴随的热带东南印度洋上空的大气环流异常强迫出下沉的海洋罗斯贝波并缓慢向西传播,到达西南印度洋后使得当地的温跃层加深、海温偏暖(图1,图2)。到了2019年冬季,印度洋偶极子事件消亡后,太平洋的弱厄尔尼诺事件充当接力的作用,继续维持印度洋的大气环流异常和海洋罗斯贝波,使得印度洋海温暖异常维持到2020年夏季。此时,印度洋海温暖异常通过电容器机制激发出西太反气旋,并且增强了长江流域高空的西风急流。西太反气旋引起的异常水汽输送和西风急流强迫的大气异常上升运动,共同使得2020年夏季梅雨量异常偏多(图2)。

图2. 2020年夏季“暴力梅”的物理机制概念图

近二十多年来的研究所揭示出的与厄尔尼诺相关联的西太反气旋以及太平洋厄尔尼诺通过印度洋-西太平洋联合“电容器效应”影响东亚夏季风的动力机理,为我国梅雨降水预测提供了科学基础。本研究拓展了这个理论框架,发现印度洋本身的海洋-大气耦合模态(即印度洋偶极子事件及其引起的南印度洋缓慢移动的海洋罗斯贝波动)也能激发“电容器效应”,进而为东亚夏季降水带来了新的可预测性。该研究也发现,海洋-大气耦合动力模式的集合预报可以提前1-3个月预报出2020年夏季西太反气旋和东亚降水异常。

论文作者周震强博士认为:“对2020年夏季‘超级暴力梅’事件来说,动力气候模式可以很好的做出提前预报,其结果明显优于经验预报,这是一个很重要的结果,增强了科学家们用气候模式来预测和应对大气中温室气体增加导致的全球气候变化以及相关联的气候灾害问题的信心。” Shang-Ping Xie教授进一步指出:“热带印度洋的异常状况对周边国家影响不仅表现在气候灾害,也会引起相关联的衍生灾害,如2019年球季发生在热带印度洋的超强偶极子事件,同时也引起了亚洲、澳洲和非洲等周边地区的严重气候异常,造成东非的暴雨和澳大利亚的干旱”张人禾院士表示:“人类活动造成的全球变暖,导致了极端气候事件的增加、增强,对人类社会的可持续发展以及人民生命财产造成严重影响。与全球变暖相关联的海洋的变化是造成极端气候事件的重要原因,加强海气耦合研究是人类理解和预测极端气候事件、应对和适应气候变化的重要基础。”

复旦大学大气与海洋科学系青年副研究员周震强为论文的第一作者,加州大学Shang-Ping Xie教授和复旦大学张人禾院士为论文的共同通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2022255118

制图:实习编辑:谢思语责任编辑:

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