大氣河流（Atmospheric Rivers）是大氣中相對(duì)狹長(zhǎng)的區(qū)域，形似“空中河流”，常引發(fā)大陸西海岸的極端降水事件，對(duì)人類生產(chǎn)生活造成災(zāi)難性影響。當(dāng)前低分辨率（約100公里）氣候模型難以準(zhǔn)確模擬這些事件的強(qiáng)度，也無(wú)法有效預(yù)測(cè)其對(duì)溫室氣體變暖的響應(yīng)。近日，中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“深海前沿中心”）高會(huì)旺教授和張紹晴教授團(tuán)隊(duì)，基于前期高分辨率地球系統(tǒng)模式的近千年模擬數(shù)據(jù)，在大氣河流強(qiáng)降水研究領(lǐng)域取得創(chuàng)新成果。利用高分辨率模式有效提高了對(duì)大氣河流所致極端降水事件的模擬，并從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度揭示大氣河流引發(fā)極端降水事件的影響機(jī)制。2024年12月20日，國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊One Earth（《一個(gè)地球》）以“More High-impact Atmospheric River-Induced Extreme Precipitation Events Under Warming in a High-Resolution Model”（基于高分辨率模式揭示全球變暖下更多的高影響大氣河流引發(fā)的極端降水事件）為題在線報(bào)道了上述成果。
團(tuán)隊(duì)前期研究（Gao et al., 2015, doi: 10.1002/2015GL065435；Gao et al., 2016, doi:10.1175/JCLI-D-16-0088.1）發(fā)現(xiàn)，低分辨率CMIP5模式模擬的大氣河流強(qiáng)度偏低，登陸位置偏向赤道，存在顯著偏差。本研究應(yīng)用高分辨率地球系統(tǒng)模式（大氣分辨率25公里，海洋分辨率10公里，CESM-HR），通過提升對(duì)大氣含水量和西風(fēng)急流位置的捕捉能力校正了上述偏差，并進(jìn)一步探索了北半球西海岸大氣河流的頻率、強(qiáng)度及其引發(fā)的強(qiáng)降水強(qiáng)度的演變特征。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)高分辨率模式顯著提升了歷史時(shí)期（1975-2004）對(duì)大氣河流強(qiáng)度及其引發(fā)強(qiáng)降水強(qiáng)度的模擬能力，強(qiáng)調(diào)了大氣河流對(duì)北半球大陸西海岸強(qiáng)降水事件的主要貢獻(xiàn)。研究指出，如果化石燃料依舊大規(guī)模使用、溫室氣體排放持續(xù)增加，到本世紀(jì)末由大氣河流引發(fā)的超級(jí)極端降水事件發(fā)生頻率和空間范圍都將大幅上升，尤其是在歐洲和北美沿海地區(qū)。
圖1 歷史時(shí)期觀測(cè)和模擬的西歐和北美西海岸極端降水天數(shù)和強(qiáng)度。a-c顯示1975-2004年之間基于再分析數(shù)據(jù)MERRA-2數(shù)據(jù)（a）以及模式數(shù)據(jù)CESM-HR（b）和CMIP6（c），西歐超極端降水年均天數(shù)的空間分布。e-f展示的是第99百分位極端降水強(qiáng)度的空間分布。面板g-l與a-f相同，但為北美西海岸的情況。
圖2 基于高分辨率模式的未來極端降水和大氣河流引發(fā)極端降水變化預(yù)測(cè)。面板a-b顯示了西歐(a)和北美西海岸(b)在2070-2099年期間與歷史時(shí)期相比的超級(jí)極端降水總天數(shù)變化。面板c-d顯示了西歐(c)和北美西海岸(d)在2070-2099年期間，由大氣河流引發(fā)的超級(jí)極端降水天數(shù)相較于歷史時(shí)期(1975-2004)的變化。
研究成果同時(shí)明確了大氣河流引發(fā)極端降水事件變化的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)起源。對(duì)高分辨率模擬結(jié)果的尺度分析揭示了熱力學(xué)效應(yīng)在未來極端降水變化中起主導(dǎo)作用，并導(dǎo)致大氣河流引起的極端降水強(qiáng)度顯著增加。而大氣河流引發(fā)極端降水的動(dòng)力學(xué)貢獻(xiàn)在西歐（負(fù)貢獻(xiàn)）和北美西海岸（正貢獻(xiàn)）呈現(xiàn)相反特征，其主要機(jī)制在于與水汽凝結(jié)密切相關(guān)的垂直風(fēng)速變化的相反趨勢(shì)。
圖3 大氣河流導(dǎo)致極端降水未來變化的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。a和c顯示了每日降水極值的90th、95th、99th百分位數(shù)的分?jǐn)?shù)變化（藍(lán)色柱），通過極端降水縮放（紅色柱）和熱力學(xué)貢獻(xiàn)（黃色柱）的結(jié)果。面板a和c為所有極端降水事件的分?jǐn)?shù)變化，面板b和d則為由大氣河流引發(fā)的極端降水事件的分?jǐn)?shù)變化，并根據(jù)全球表面氣溫的變化進(jìn)行歸一化。
深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀博士研究生郭修文
成果由深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀博士研究生郭修文為第一作者，中國(guó)海洋大學(xué)“筑峰人才工程”第三層次教授、深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高陽(yáng)教授和物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張紹晴教授為共同通訊作者，聯(lián)合學(xué)校及國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者共同完成。這是科研團(tuán)隊(duì)基于高分辨率地球系統(tǒng)模式在極端天氣氣候事件研究領(lǐng)域取得的又一項(xiàng)創(chuàng)新進(jìn)展，第一作者郭修文基于上述工作及前期成果（Guo et al., 2022, doi:10.1038/s41558-021-01266-5）的開展獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助，彰顯了學(xué)校拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的良好成效。
通訊員：侯霞
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.11.009
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