作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/2/17 10:08:57
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研究人员试图阐明干旱区向南北极移动因果

探寻热带扩张之谜

研究人员试图阐明干旱区迅速向南北极移动的起因和后果

过去20年间,澳大利亚经历的严重干旱给试图让牲畜和作物保持健康的农民带来了巨大损失。图片来源:Amy Toensing

2004年的一个春日,当Qiang Fu正在浏览收集自卫星的大气资料时,也注意到一个不同寻常且看上去无法解释的模式。在赤道两侧的两个地带中,低层大气比地球上其他任何地方都要变暖得多。这位来自美国华盛顿大学的大气学家甚为不解。

直到1年后,他才意识到自己发现了什么:热带地区快速扩张的证据。热带核心区是苍翠的,但南北边缘很干旱。而且,这些炎热的边界正在扩展至亚热带,并将后者逼向南北极。

目前恰好坐落在热带以外的城市,很快会处于干旱的热带边缘中间。对于像加州圣地亚哥这样的地方来说,这是一个坏消息。“从将获得多少降雨的角度来说,加州南部仅一个纬度的迁移便足以对这些社区产生巨大的影响。”犹他大学气候模型专家Thomas Reichler解释说。

自从Fu和同事于2006年宣布了他们的发现,很多科学家便在研究热带的扩张,并试图揭秘其起因。解释从全球变暖、臭氧枯竭到未来将会逆转的自然循环不一而足。而关于热带边界迁移得有多快,目前还未有共识:估测结果从每十年少于半个纬度到若干个纬度不等。更加极端的结局是,气候上的变化将会像在1个世纪的时间里把伦敦搬迁到罗马的位置那么大。关于如何定义热带地区缺少共识,这令问题更加错综复杂,使科学家很难就变化幅度达成一致意见。无论如何,探寻这一现象的研究人员均赞同,它真的在发生。

奇怪的天空

在Fu首次从卫星数据中发现怪异模式的同时,Reichler注意到,天空中出现了一些不同寻常之处。他正在研究对流层顶——最低层大气(对流层)和上面一层大气(平流层)之间的边界。在赤道地区,对流层顶通常比南北极高几千米,因为温暖的空气向上升,并由此将边界往上推。在分析收集自气象气球的温度数据时,Reichler发现,这种对流层顶在赤道地区的隆起正向南北极扩展,而这正是热带扩张的迹象。Fu听说了Reichler的数据,两人决定共同发表他们的发现。

在他们敲响警钟的10年后,科学家仍努力探寻着正在发生的事情。去年7月,50名研究人员在新墨西哥州圣达菲市会面,旨在讨论一切关于热带扩张的已知事情——如何测量它、是什么正在引发扩张,以及热带的未来边界可能在哪儿。

热带的一些变化或许是全球变化的结果。在一项由华盛顿西北太平洋国家实验室地球系统科学家Jian Lu主导的研究中,Reichler分析了这种可能性。同美国国家海洋和大气管理局气候学家Gabriel Vecchi一起,他们研究了气候预测,以分析变暖可能如何影响被称为哈得来环流圈的大气环流模式,即将热量从地球较为温暖的部分输送至温度较低的地区。作为哈得来环流圈的一部分,温暖、潮湿的空气在热带上空抬升,而寒冷、干燥的空气在南北纬约30度处向地面下沉。这帮助建立了地球上一些最干燥的沙漠,比如非洲南部的喀拉哈里沙漠和非洲北部的撒哈拉沙漠。同时,这也是最常见的衡量热带和较为干燥的亚热带边界的方法。

边缘效应

几乎在科学家首次就热带扩张提出警告的同时,澳大利亚气象局气候学家Chris Lucas正经历着可能由此导致的直接效应。2006~2007年,澳大利亚遭受了自欧洲居住者到达那里以来这片大陆经历的最严重干旱之一。Lucas回忆说,从墨尔本驱车行至附近的伊尔顿湖,发现曾经满溢的湖泊已经变干。与此同时,墨尔本的水库处于低位运行,而城市以北,森林火灾在山区肆虐。澳大利亚受灾最严重的地区,如珀斯、阿德莱德、墨尔本等城市,都位于南纬30度以南。这表明,变干燥可能是由哈得来环流圈位置和降雨喷射气流的迁移引起的。一项2010年发表的研究显示,最近几十年,澳大利亚东南部受到来自北部的较干燥气候的侵袭,而这使得降水大幅减少。“我们不能说,这完全是由热带扩张导致的,但它确实同热带扩张相符。”Lucas解释说,“我们的担心是澳大利亚将持续变得越来越干燥。”

在其他地方,有证据表明,热带扩张正在影响海洋。在哈得来环流圈沉降并致使冷空气下行的地方,它为海洋注入了能量,并且激起水流高速流动。这种能量推动着寒冷且富含营养物质的水流上涌至表面,从而为全球最具生产力的一些渔场提供了食物。不过,有迹象表明,由于哈得来环流圈的迁移,一些地区正遭受着损失。

均在得克萨斯大学工作的Edward Vizy和Kerry Cook已在本格拉海流所经区域发现了一些危险迹象。该地区位于南纬30度,是非洲西部海岸的近岸上升流区。Cook的研究显示,整个地区的水流在过去30年里发生了改变。一个影响是上升流变弱,而这对于该地区的渔业和生物多样性来说是一些令人担忧的暗示。Cook表示,相同的事情也可能发生在更容易经历哈得来环流圈位置改变的开阔海域的上升流系统中。

他还介绍说,这些上升流区会随着时间的推移向南移动,并且或者变弱,或者变强,这取决于哈得来环流圈发生了什么。无论如何,这意味着依赖于这些资源的渔业社区将无法指望传统的模式。

可持续的文明

詹姆斯库克大学环境地理学家Steve Turton担心,变化速率将会非常迅速,以至于这些生态系统无法适应。在最糟糕的情形下,亚热带将代替生态结构丰富的热带边缘地区,而更加炎热、干燥的条件将产生重要影响。

而对于致力于研究该领域的科学家来说,考虑到不确定性的程度,交流热带扩张带来的威胁是一件棘手的事情。“看到我们还有如此多的工作要做,实在令人沮丧。”圣达菲会议的召集者之一、科罗拉多州立大学气候学家Thomas Birner表示。那次会议的一个成果是针对科学家应当比较衡量热带扩张的各种参数以期就前进的最佳道路形成共识达成了一致意见。

同时,更多的时间也将有所帮助。约翰斯·霍普金斯大学大气学家Darryn Waugh认为,如果热带扩张继续以相对稳定的状态进行,自然变异是祸首的概率将会减少,而矛头将更加强烈地指向其他起因。

不过,要经历如此长时间的等待才能得到答案,对于生活在诸如圣地亚哥、墨尔本等城市的居民以及数十亿生活在热带和亚热带边界附近的其他人来说是一件痛苦的事情。“我们需要理解这个问题。”Lucas说,“以便在那些地方拥有可持续的文明。”(宗华)

《中国科学报》 (2016-02-17 第3版 国际)
 
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