今后一旦對ISO研究透徹 天氣預報的時限將可拉長至一兩個月

ISO能直接影響其所在地區的長期天氣變化和造成短期氣候異常,又能通過改變大氣對流和環流、激發大氣波動、與厄爾尼諾等其他時間尺度的氣候模態相互作用等方式間接影響全球的天氣和氣候。

早上出門,看天氣預報。出差旅行,更要看天氣預報。天氣預報和我們的生活息息相關,但我們往往也發現,1天之內的天氣預報比較準確,時間越往后,預報的結果越容易不準,并且目前的預報時限只能在14天之內。

天氣預報時限涉及到大氣的季節內振蕩(ISO)研究。近日,中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環境國家重點實驗室(LTO)研究員杜巖團隊,在熱帶印度洋海洋動力過程影響大氣的ISO方面的研究中取得新進展,相關研究成果發表在《氣候動力學》上。

今后一旦對ISO研究透徹,天氣預報的時限將可拉長至一兩個月,使我們能夠對即將發生的極端天氣提前采取應對措施,實現“無縫隙”氣候預測。

ISO同長短期氣候密切相關

“ISO不局限于某一種具體現象,而是描述一類時間尺度的變化。”杜巖團隊成員、博士梁韻說道:“對于一個事物,我們實際得到的觀測數據是多種時空尺度變化疊加的結果。不同尺度變化的形成機制不同,因此在研究過程中,為了簡化問題,我們通常將不同尺度的變化分離開來。”

什么是時間尺度呢?梁韻以日變化為例介紹:“每一天的氣溫變化規律基本是早晚比較冷,中午最熱,這是由地球自轉所致的日升日落規律造成的日變化,也就是我們最常見的‘天’時間尺度。”

“ISO,是一種時間尺度大于一個月但小于一個季度的變化。”梁韻說。由于ISO能直接影響其所在地區的長期天氣變化和造成短期氣候異常,又能通過改變大氣對流和環流、激發大氣波動、與厄爾尼諾等其他時間尺度的氣候模態相互作用等方式間接影響全球的天氣和氣候,近年來成為氣候變化研究的重要前沿課題之一。

熱帶地區的ISO尤為活躍,大致可以分為北傳和東傳兩種類型。其中,東傳型最初由馬登(Madden)和朱利安(Julian)兩位科學家發現,因此也常被稱為馬登-朱利安振蕩(MJO)。“東傳ISO是一種行星尺度的深對流系統,伴隨著氣壓、風場、降水、海溫等多種要素的變化,最初生成于熱帶西印度洋,以每秒5—10米的速度向東傳播,在熱帶東南印度洋被顯著加強,經過西太平洋之后強度逐漸減弱,深對流最終消失于日界線附近。” 梁韻指出,該ISO具有較為顯著的季節特性,在北半球冬季,也就是12月至次年2月最為強盛。

東傳ISO在某些地區的持續性活躍往往還會引起一些較為極端的天氣,比如2008年初我國南方雨雪冰凍災害,1998年和2020年夏季長江流域的洪澇,以及2009年冬季和2010年冬季云南的百年大旱等。赤道附近東傳ISO對流和環流的異常甚至可通過影響海洋蒸發、流動、波動,進而影響到海洋中一些現象的發展和演變,甚至影響海洋微生物的生長。

“ISO能影響亞洲季風區、非洲大陸、太平洋島嶼,甚至北美西海岸等多個區域的天氣和氣候。”梁韻指出,ISO是連接天氣和氣候的橋梁,理解ISO的發生發展是研究天氣及氣候變化的重要環節,也是實現“無縫隙”氣候預測的關鍵。

找到東傳ISO冬季最強原因

杜巖團隊即把研究的目光聚集在東傳ISO上。過去的科學研究普遍認為,ISO是一種大氣內部模態,也有一些研究從海洋的角度分析了熱帶西南印度洋ISO的生成。“我們主要從海洋角度分析了海洋動力過程在熱帶東南印度洋對ISO的加強作用。”梁韻說,“因為海洋的變化比大氣緩慢,我們通常說海洋擁有記憶功能。某些情況下,可以通過海洋波動追溯前期大氣變化對海洋產生的影響,這就為我們的預測研究提供了一定的信號。”

在此之前,關于東傳ISO的研究普遍從大氣內部的擾動出發,關注水汽、風場等大氣要素的變化。但杜巖團隊把關注點放在海洋動力過程上,并將研究時間提前到秋季,且在此過程中,海表溫度(SST)被作為重要的媒介,海洋波動通過影響SST進而影響大氣。

基于對觀測數據和再分析資料的分析,杜巖團隊發現熱帶東南印度海洋和大氣在50—80天的ISO信號相關性強,二者均在北半球冬季最活躍并具有東傳特性。梁韻說:“秋季的季風轉換能夠導致赤道的波動。我們發現,在北半球秋季,印度洋上空的西南季風轉變為東北季風,赤道附近的風場變率較大,風場產生的影響在蘇門答臘沿岸累積,促使了下沉羅斯貝波的生成。”

而下沉羅斯貝波具有西傳特性,且對應著加深的溫躍層和暖的SST異常。下沉羅斯貝波在蘇門答臘沿岸生成后西傳至東經90°附近,使得該處SST增暖,進而加強與ISO有關的深對流。此外,由于該波動的生成主要與秋季的季風轉換有關,其傳播至東經90°需要5—6周,因此對大氣ISO的加強主要發生在冬季。這一過程也在一定程度上解釋了東傳ISO在冬季最強的原因。

“我們一方面解釋了海洋如何加強大氣中的深對流現象,即海洋波動首先影響海表面溫度,海表面溫度再影響到大氣;另一方面解釋了為什么東傳ISO在冬季是最強的,從而闡釋了它的季節特性。”梁韻表示。

實現“無縫隙”氣候預測的關鍵

“目前天氣預報的準確預報時間被限制在14天以內,對厄爾尼諾—南方濤動等氣候變化模態的準確預測也存在困難,這正是由于對ISO的研究尚不完善。”梁韻指出,“一旦能夠研究透徹ISO,天氣預報的時限將可拉長至一兩個月,那么對于有可能發生的極端天氣,我們就能夠提前采取應對措施。”

不同尺度的變化并非獨立存在,而是相互作用、存在著能量傳遞的。梁韻補充道,我們平常說的天氣通常是時間尺度在兩周以內的小尺度變化,而氣候是長于一個季度的大尺度變化,ISO的時間尺度則介于二者之間。

值得一提的是,對ISO的透徹研究可提升對于厄爾尼諾現象預測的精確度。厄爾尼諾是指在太平洋中部和東部的熱帶海洋地區,海水溫度異常持續變暖,進而影響整個世界氣候的現象。厄爾尼諾現象可對全球氣候產生毀滅性的影響,引發洪水、導致干旱和農作物歉收,并且通過海氣作用的遙相關,對相當遠的地區,甚至對北半球中高緯度的環流變化產生一定影響,如使得我國大部分地區的降水有偏少趨勢。

“厄爾尼諾的預測存在春季預報障礙現象。春季預報障礙跟熱帶西太平洋西風爆發密切相關,而西風爆發又和ISO有著極大關系。東傳ISO在冬季是最強的,它到達西太平洋之后,能夠影響該海域次年春季的西風爆發。目前無法準確預測西風爆發,是導致厄爾尼諾春季預報障礙的重要原因之一。我們希望能更早地預測厄爾尼諾,從而將與其有關的天氣災害所帶來的損失降到最低。”梁韻解釋道。

什么時候可實現對天氣長達一兩個月的預報和厄爾尼諾的準確預報呢?對此,梁韻表示,“我們的研究主要是從物理現象來討論,從機制上進行解釋,仍需繼續完善該機制原理,并把它理論化。同時天氣預測也離不開計算機技術的強有力支持。”(科技日報 記者葉青 通訊員徐曉璐)

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