科學通報 | 氣候變暖背景下加劇的陸-氣耦合驅動熱浪熱點區西遷

工業革命以來隨著人為溫室氣體排放的增加, 北半球夏季熱浪愈加頻發[1,2], 同時土壤也出現明顯的變干趨勢[3], 熱浪頻發和土壤變干并發這一特征在北半球中緯度的北美西部、東歐和東北亞尤為顯著[4~9], 給當地居民和生態系統的敏感性和適應性帶來了巨大風險[10~12]. 過去研究主要強調了區域尺度上土壤濕度虧缺對熱浪強度的局地放大作用[7,13,14], 而很少從全球視野來深入探討土壤變干與熱浪之間的物理聯系.

日前, Zhang等人[15]在 Nature Climate Change 上的一項研究, 利用伯克利地球地表氣溫觀測數據(BEST)和歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析資料(ERA5)對20世紀80年代以來北半球熱浪頻發中心(熱點區)的空間變化特征進行了分析. 該研究表明, 北半球中緯度的夏季熱浪熱點區在20世紀90年代末期發生了一次系統性西移, 從北美東部、中亞和東西伯利亞整體往西移動到北美西部、東歐和東北亞. 熱浪中心空間格局的這種變化可以被中緯度強振幅行星5波的系統性西移所解釋: 在20世紀90年代末期, 強振幅行星5波的“鎖相”(即至少有50%的行星波發生在其四分之一波長的區間內)位置向西偏移了約7°, 這導致原位于北美東部、中亞和東西伯利亞的陸地高壓西移到了北美西部、東歐和東北亞上空, 使得上述三地成為新的熱浪熱點區.

該項研究進一步著重探討了土壤濕度-大氣耦合對中緯度熱浪熱點區空間分布變化的影響. 在全球變暖的作用下, 北美西部、東歐和東北亞的土壤變干趨勢顯著, 同時對應著20世紀90年代末上述三地的土壤濕度-大氣耦合強度明顯增強. 統計結果表明, 當北美西部、東歐和東北亞三地前期陸-氣耦合強度偏強時, 20世紀90年代末期之后強振幅行星5波的陸地高壓在上述三地發生的概率是前期陸-氣耦合強度偏弱時的39倍, 這一倍數遠遠大于20世紀90年代末期之前的4倍. 因此, 土壤濕度-大氣耦合在20世紀90年代末期之后對大氣環流的影響能力顯著增強了. Zhang等人[15]進一步利用數值模擬比較了土壤濕度-大氣耦合和解耦狀態下強振幅行星5波的空間分布情況. 結果表明, 在土壤濕度-大氣耦合的情況下, 強振幅行星5波的“鎖相”位置相比解耦情況下更易偏西, 其在西位相“鎖相”的概率為85.4%, 而在解耦情況下, 這一概率僅為4.7%. 因此, 土壤濕度-大氣耦合是驅動強振幅行星5波“鎖相”位置西移的必要條件, 其將幾乎不可能發生( P =4.7%)的事件轉變為了必然發生( P =85.4%).

該項研究表明, 增暖引起的土壤濕度與大氣之間的“干-熱”正反饋是強振幅行星5波“鎖相”位置西移的主要驅動機制( 圖1 ). 當高壓擾動位于北美西部、東歐和東北亞上空時, 虧缺的土壤濕度會導致地表感熱通量增強, 并且引起地表氣溫升高, 形成“干-熱”正反饋. 這一過程一方面直接通過加劇高壓系統下的熱量累計和質量堆積加強局地高壓系統; 另一方面, 加熱的近地表空氣會嘗試上升, 但會被高層高壓系統阻擋回地面, 從而通過絕熱加熱進一步加強局地高壓系統. 因此, 在增強的土壤濕度-大氣耦合作用下, 擾動更易發展為強振幅行星5波, 導致“鎖相”位置西移. 最終, 陸地高壓下的高溫異常也西移到北美西部、東歐和東北亞, 引起三地極端高溫頻發.

圖 1 土壤濕度-大氣耦合通過“干-熱”反饋影響強振幅行星5波機制示意圖 [15]

傳統理論認為, 土壤濕度改變只是對于大氣環流變化的一種被動反饋. 該研究指出, 在全球變暖作用下, 中緯度多區域增強的土壤濕度-大氣耦合作用可以主動改變環中緯度大氣環流, 引起北半球中緯度的極端高溫熱浪空間格局的改變. 這一結論改變了學界對土壤濕度在氣候系統中扮演角色的傳統認知. 在近期未來, 全球增暖持續加劇的情況下, 陸-氣耦合作用將足以將熱浪熱點區維持在北美西部、東歐和東北亞. 該研究結果推動相關學者重新認識陸-氣相互作用在氣候系統中的重要性, 同時對于當地政府制定政策以應對極端熱浪帶來的農作物和人體健康風險具有重要意義. 值得注意的是, 該研究強調了土壤濕度-大氣耦合對中緯度大尺度環流及熱浪不可忽視的影響. 而為了更全面地認識陸面系統在其中的作用機制, 后續工作需要進一步探究土地利用和土地覆蓋、植被變化等其他陸面因子的影響.

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