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[科普中國]-太平洋“發(fā)燒”,導致印度干旱加?。?

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中國科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺,深耕科普內(nèi)容創(chuàng)作
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本文作者系中國科學院大氣物理所研究員,博士生導師,中科院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員。

印度季風與熱帶中東太平洋海溫,分屬東西半球兩個氣候系統(tǒng),二者相隔萬里卻如“提線木偶”般存在。

熱帶中東太平洋海水一“發(fā)燒”,也就是發(fā)生我們常說的厄爾尼諾現(xiàn)象(與拉尼娜,南方濤動合稱為ENSO),印度季風帶來的降水就會偏少,隨后印度出現(xiàn)大面積干旱。這不僅影響著南亞十幾億人口的生活,也對東亞季風系統(tǒng)有著重要影響,所以它們之間的這種關系走向頗受關注。

20世紀70年代開始,ENSO與印度季風的負相關明顯減弱,但本文最新研究顯示,從21世紀開始兩者的關系發(fā)生了新轉(zhuǎn)變——開始增強,而這種關系的“緩和”竟是大西洋在“牽線搭橋”(圖1)。研究為提高印度季風乃至東亞季風的預測提供了十分重要的支撐。

圖1

印度雨季什么時候來?誰說了算

印度,是世界第二人口大國,位于南亞季風區(qū),氣候類型為熱帶季風氣候,其夏季不僅酷暑難熬,還容易發(fā)生嚴重干旱(圖2)。

圖2.2019年6月季風爆發(fā)推遲近一周,印度出現(xiàn)大面積干旱

(圖片來源:trulybelong.com)

現(xiàn)代氣候?qū)W發(fā)展以前,由于缺乏氣象知識,每逢人間風雨失調(diào),遭遇旱災或澇災,人們只能寄希望于祈禱。

2019年季風爆發(fā)前的3—5月,印度卡納塔克邦的降水量僅為47.4mm,較歷史同期(161.6mm)減少了71%,恰逢6月季風的爆發(fā)偏晚一周,當?shù)爻霈F(xiàn)嚴重干旱??{塔克邦民眾甚至為青蛙舉辦隆重的婚禮來祈雨(圖3)。

圖3.2019年6月8日來自Kalsanka和Kolalagiri的兩只青蛙在卡納塔克邦的Udupi舉行婚禮,以祈求雨神庇護

(圖片來源:The Weather Channel India)

隨著氣象學的發(fā)展,人們終于得以了解氣候背后的原因,印度季風是印度雨季的“開關”,干旱會隨著6月份印度季風的來臨,帶來充沛降水得以緩解。

印度季風在6—9月帶來的降水占全年降水總量的70%,對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展起到至關重要的作用。

印度季風如此重要,引起它旱澇異常的幕后大BOSS是誰?這個問題一直困擾著科學家們。

直到20世紀初,Walker爵士擔任印度氣象局局長后,投入了大量研究,才讓引起印度季風旱澇異常的幕后大BOSS身份逐漸揭曉。

Walker爵士在印度氣象局擔任局長21年,一直致力于印度季風的研究。他于20世紀30年代發(fā)現(xiàn)大氣的南方濤動(后與厄爾尼諾和拉尼娜合稱為ENSO)與印度季風降水的異常存在密切關系。Walker爵士由此提出第一個基于物理過程的氣候經(jīng)驗預測模型,這也是Walker環(huán)流名稱的由來(圖4)。

圖4. Walker 環(huán)流

(圖片來源:Pennsylvania State University)

隨后經(jīng)過多位科學家的努力,更加明確了ENSO與印度季風的關系。即厄爾尼諾(或拉尼娜)發(fā)生時,熱帶中東太平洋的海溫偏暖(或偏冷),進入“發(fā)燒”(或降溫)狀態(tài),接著會通過Walker環(huán)流使萬里之遙的印度地區(qū)出現(xiàn)干旱(或洪澇),二者關系呈現(xiàn)出十分明顯的負相關。

ENSO是影響印度季風的幕后大BOSS之一。自此,類似的基于物理過程的氣候預測在世界各地迅速開展起來,開啟了現(xiàn)代氣候?qū)W的新時代。

20世紀末,得益于更長時間觀測資料的獲取,印度氣候?qū)W家Kumar教授于1999年發(fā)表在《Science》的研究論文指出ENSO和印度季風降水的關系并不穩(wěn)定,自20世紀70年代以來二者的關系開始逐漸減弱,在氣候?qū)W上這種跨年代的轉(zhuǎn)變稱為年代際轉(zhuǎn)變。這一問題迅速成為國際氣候?qū)W的研究熱點,氣候?qū)W研究進而深入到“年際關系的年代際轉(zhuǎn)變”上。

隨著問題的深入,相關研究變得異常復雜且艱巨,其物理機制不明,一直是國際氣候?qū)W研究的重大挑戰(zhàn)。特別是,20世紀70年代的這次轉(zhuǎn)變在時間上和全球變暖的長期趨勢契合,因此,這到底是大自然內(nèi)部的年代際變化還是全球變暖趨勢所致,也存在爭議。

最近,中科院大氣物理研究所黃平課題組最新研究指出,在20世紀90年代末期,ENSO和印度季風的關系開始出現(xiàn)新的年代際轉(zhuǎn)變——開始增強(圖5)。

圖5

這表明熱帶中東太平洋海溫偏暖(或偏冷),會加劇印度地區(qū)的干旱(或洪澇)。這一現(xiàn)象否定了ENSO和印度季風關系的轉(zhuǎn)變是全球長期增暖趨勢所導致的觀點。

增強?消弱?誰在操控ENSO與印度季風的關系?

ENSO這個大BOSS與印度季風的關系為什么會發(fā)生如此轉(zhuǎn)變呢?該研究指出這種關系的增強與太平洋的“小弟”——大西洋的“態(tài)度”密切相關。

在21世紀之前(1979–1997年),ENSO事件發(fā)生時南大西洋海溫的異常主導著整個大西洋海盆(圖6C),這樣一家獨大的局面使得大西洋梯度指數(shù)(北大西洋區(qū)域與南大西洋區(qū)域平均海溫異常之差)為較大的正值。

因此,隨著南大西洋的介入,逐漸瓦解并破壞了ENSO與印度季風的“信任”,導致二者的關系開始減弱。這時,熱帶中東太平洋海水即使“發(fā)燒”,萬里之遙的印度干旱也并不嚴重。

然而21世紀之后(2000–2018年),風水輪流轉(zhuǎn),ENSO事件發(fā)生時南大西洋的勢力開始衰退,并且海溫信號開始向北大西洋轉(zhuǎn)移,最后兩者實力均較弱且基本相當(圖6D),因此大西洋梯度指數(shù)基本為0。

此時南大西洋的“歡喜冤家”——北大西洋,一直與南大西洋“唱反調(diào)”,二者對印度季風的影響相反,使大西洋整體對印度季風的貢獻正負抵消,為ENSO和印度季風“牽線搭橋”建了一條綠色通道,這樣一來ENSO和印度季風的關系在不受干擾的情況下又開始增強。這時,熱帶中東太平洋海水一“發(fā)燒”,萬里之遙的印度干旱便會加劇。

那么,為什么大西洋會出現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)變呢?

黃平課題組研究發(fā)現(xiàn):這竟是ENSO“自導自演”的一出戲,其實是ENSO自身的時間演變特征發(fā)生了變化。過去大家關注不同空間位置的ENSO(如根據(jù)ENSO位置分為東部型和中部型),該項研究卻發(fā)現(xiàn)夏季ENSO的狀態(tài)存在兩個不同的時間演變,有些ENSO從上一個冬季就存在,一直持續(xù)到次年夏季,他們將此稱為延續(xù)型ENSO(Continuing ENSO);而另外一些ENSO從夏季才出現(xiàn),稱為新發(fā)型ENSO(Emerging ENSO)。

延續(xù)型和新發(fā)型ENSO通過大氣Walker環(huán)流對印度季風的直接影響幾乎沒有差別,但在延續(xù)型ENSO下,由于其已經(jīng)存在半年之久,它對全球海溫有著重要影響,尤其是南大西洋,這些其他區(qū)域海溫異常的存在會干擾ENSO的直接大氣影響,這種情況下ENSO和印度季風降水的關系會很弱;

而在新發(fā)型ENSO下,其他海區(qū)的海溫異常都較弱,無法對ENSO的直接大氣影響造成干擾,ENSO和印度季風降水的關系非常顯著(圖7、圖8)。

圖7. 不同ENSO組別下的海溫異常合成圖

圖8. 不同ENSO組別下的降水異常合成圖

大自然竟然如此奇妙!熱帶中東太平洋的海水稍微“發(fā)燒”,卻能影響萬里之外十幾億人的生活與生產(chǎn),且不同年代的影響竟然大不相同。

然而,這或許只是氣候聯(lián)動過程中的冰山一角。為了更好地為人類的生存和發(fā)展提供服務,我們需要探索更多的氣候?qū)W謎團。

該研究首次發(fā)現(xiàn)ENSO與印度季風最新的年代際增強現(xiàn)象,并強調(diào)大西洋在其中的“橋梁作用”,提出ENSO時間演變的多樣性,更清晰地解釋了ENSO與印度季風關系的多次年代際轉(zhuǎn)變。這有助于未來更好地摸清ENSO的“脾氣”。

隨著觀測資料的日益豐富和時效性的增加,讓科學家有機會從更廣闊的角度去關注洋盆間相互作用(太平洋、大西洋和印度洋)的特征以及對氣候變化的影響。這也必將加快人類對自然界中年代際信號轉(zhuǎn)變的了解。

未來對洋盆間相互作用的持續(xù)研究,可能降低目前氣候模式模擬的不確定性,并提高我們短期氣候預測的水平,從而為應對全球氣候變化提供更好的支撐。

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