作者:叶青 徐晓璐 来源:科技日报 发布时间:2022/1/20 11:19:55
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能否准确预报两个月天气 海洋的这个参数很重要

 

ISO能直接影响其所在地区的长期天气变化和造成短期气候异常,又能通过改变大气对流和环流、激发大气波动、与厄尔尼诺等其他时间尺度的气候模态相互作用等方式间接影响全球的天气和气候。

早上出门,看天气预报。出差旅行,更要看天气预报。天气预报和我们的生活息息相关,但我们往往也发现,1天之内的天气预报比较准确,时间越往后,预报的结果越容易不准,并且目前的预报时限只能在14天之内。

天气预报时限涉及到大气的季节内振荡(ISO)研究。近日,中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室(LTO)研究员杜岩团队,在热带印度洋海洋动力过程影响大气的ISO方面的研究中取得新进展,相关研究成果发表在《气候动力学》上。

今后一旦对ISO研究透彻,天气预报的时限将可拉长至一两个月,使我们能够对即将发生的极端天气提前采取应对措施,实现“无缝隙”气候预测。

ISO同长短期气候密切相关

“ISO不局限于某一种具体现象,而是描述一类时间尺度的变化。”杜岩团队成员、博士梁韵说道:“对于一个事物,我们实际得到的观测数据是多种时空尺度变化叠加的结果。不同尺度变化的形成机制不同,因此在研究过程中,为了简化问题,我们通常将不同尺度的变化分离开来。”

什么是时间尺度呢?梁韵以日变化为例介绍:“每一天的气温变化规律基本是早晚比较冷,中午最热,这是由地球自转所致的日升日落规律造成的日变化,也就是我们最常见的‘天’时间尺度。”

“ISO,是一种时间尺度大于一个月但小于一个季度的变化。”梁韵说。由于ISO能直接影响其所在地区的长期天气变化和造成短期气候异常,又能通过改变大气对流和环流、激发大气波动、与厄尔尼诺等其他时间尺度的气候模态相互作用等方式间接影响全球的天气和气候,近年来成为气候变化研究的重要前沿课题之一。

热带地区的ISO尤为活跃,大致可以分为北传和东传两种类型。其中,东传型最初由马登(Madden)和朱利安(Julian)两位科学家发现,因此也常被称为马登-朱利安振荡(MJO)。“东传ISO是一种行星尺度的深对流系统,伴随着气压、风场、降水、海温等多种要素的变化,最初生成于热带西印度洋,以每秒5—10米的速度向东传播,在热带东南印度洋被显著加强,经过西太平洋之后强度逐渐减弱,深对流最终消失于日界线附近。” 梁韵指出,该ISO具有较为显著的季节特性,在北半球冬季,也就是12月至次年2月最为强盛。

东传ISO在某些地区的持续性活跃往往还会引起一些较为极端的天气,比如2008年初我国南方雨雪冰冻灾害,1998年和2020年夏季长江流域的洪涝,以及2009年冬季和2010年冬季云南的百年大旱等。赤道附近东传ISO对流和环流的异常甚至可通过影响海洋蒸发、流动、波动,进而影响到海洋中一些现象的发展和演变,甚至影响海洋微生物的生长。

“ISO能影响亚洲季风区、非洲大陆、太平洋岛屿,甚至北美西海岸等多个区域的天气和气候。”梁韵指出,ISO是连接天气和气候的桥梁,理解ISO的发生发展是研究天气及气候变化的重要环节,也是实现“无缝隙”气候预测的关键。

找到东传ISO冬季最强原因

杜岩团队即把研究的目光聚集在东传ISO上。过去的科学研究普遍认为,ISO是一种大气内部模态,也有一些研究从海洋的角度分析了热带西南印度洋ISO的生成。“我们主要从海洋角度分析了海洋动力过程在热带东南印度洋对ISO的加强作用。”梁韵说,“因为海洋的变化比大气缓慢,我们通常说海洋拥有记忆功能。某些情况下,可以通过海洋波动追溯前期大气变化对海洋产生的影响,这就为我们的预测研究提供了一定的信号。”

在此之前,关于东传ISO的研究普遍从大气内部的扰动出发,关注水汽、风场等大气要素的变化。但杜岩团队把关注点放在海洋动力过程上,并将研究时间提前到秋季,且在此过程中,海表温度(SST)被作为重要的媒介,海洋波动通过影响SST进而影响大气。

基于对观测数据和再分析资料的分析,杜岩团队发现热带东南印度海洋和大气在50—80天的ISO信号相关性强,二者均在北半球冬季最活跃并具有东传特性。梁韵说:“秋季的季风转换能够导致赤道的波动。我们发现,在北半球秋季,印度洋上空的西南季风转变为东北季风,赤道附近的风场变率较大,风场产生的影响在苏门答腊沿岸累积,促使了下沉罗斯贝波的生成。”

而下沉罗斯贝波具有西传特性,且对应着加深的温跃层和暖的SST异常。下沉罗斯贝波在苏门答腊沿岸生成后西传至东经90°附近,使得该处SST增暖,进而加强与ISO有关的深对流。此外,由于该波动的生成主要与秋季的季风转换有关,其传播至东经90°需要5—6周,因此对大气ISO的加强主要发生在冬季。这一过程也在一定程度上解释了东传ISO在冬季最强的原因。

“我们一方面解释了海洋如何加强大气中的深对流现象,即海洋波动首先影响海表面温度,海表面温度再影响到大气;另一方面解释了为什么东传ISO在冬季是最强的,从而阐释了它的季节特性。”梁韵表示。

实现“无缝隙”气候预测的关键

“目前天气预报的准确预报时间被限制在14天以内,对厄尔尼诺—南方涛动等气候变化模态的准确预测也存在困难,这正是由于对ISO的研究尚不完善。”梁韵指出,“一旦能够研究透彻ISO,天气预报的时限将可拉长至一两个月,那么对于有可能发生的极端天气,我们就能够提前采取应对措施。”

不同尺度的变化并非独立存在,而是相互作用、存在着能量传递的。梁韵补充道,我们平常说的天气通常是时间尺度在两周以内的小尺度变化,而气候是长于一个季度的大尺度变化,ISO的时间尺度则介于二者之间。

值得一提的是,对ISO的透彻研究可提升对于厄尔尼诺现象预测的精确度。厄尔尼诺是指在太平洋中部和东部的热带海洋地区,海水温度异常持续变暖,进而影响整个世界气候的现象。厄尔尼诺现象可对全球气候产生毁灭性的影响,引发洪水、导致干旱和农作物歉收,并且通过海气作用的遥相关,对相当远的地区,甚至对北半球中高纬度的环流变化产生一定影响,如使得我国大部分地区的降水有偏少趋势。

“厄尔尼诺的预测存在春季预报障碍现象。春季预报障碍跟热带西太平洋西风爆发密切相关,而西风爆发又和ISO有着极大关系。东传ISO在冬季是最强的,它到达西太平洋之后,能够影响该海域次年春季的西风爆发。目前无法准确预测西风爆发,是导致厄尔尼诺春季预报障碍的重要原因之一。我们希望能更早地预测厄尔尼诺,从而将与其有关的天气灾害所带来的损失降到最低。”梁韵解释道。

什么时候可实现对天气长达一两个月的预报和厄尔尼诺的准确预报呢?对此,梁韵表示,“我们的研究主要是从物理现象来讨论,从机制上进行解释,仍需继续完善该机制原理,并把它理论化。同时天气预测也离不开计算机技术的强有力支持。”

 
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