【创新引领“十四五” 实干成就“倍增 + ”】为什么冬季极端天气事件频发?兰大科研团队寻找到答案

日期: 2022-06-17 阅读: 来源: 关键词:

从2008年我国南方发生的罕见雨雪冰冻灾害,到2016年超级寒潮席卷欧洲,频发的极端天气事件让很多人困惑,为什么在全球气候变暖的大趋势下,亚欧大陆冬天还经常会出现极端低温天气?

亚欧大陆是全球气候变化的敏感区之一,其北部的极地地区和南侧的青藏高原是影响我国天气气候变化的上游关键区,研究这些区域的天气气候和大气环境变化,既有重要的科学价值,也有落实国家重大战略的现实需求。

兰州大学“对流层与中层大气相互作用”科技部重点领域创新团队深耕十余年,系统研究了全球和区域尺度平流层过程对亚欧大陆及高原地区的影响,找到了亚欧大陆冬季极端天气频发这一理论难题的答案,完成“平流层过程在亚欧大陆关键区天气气候和大气环境变化中的作用”项目,为突破对流层延伸期预报和短期气候预测的瓶颈提供了新思路和新途径,获得2021年甘肃省自然科学奖一等奖。

研究平流层的“新工具”

大气臭氧层的损耗直接关系到生物圈的安危和人类的生存,是当前世界上一个普遍关注的全球性大气环境问题。

2006年,南极臭氧空洞一度达到2950万平方公里,成为当年最严重的极端气候事件之一。

南极臭氧空洞将国际学界的目光吸引至距地表10公里以上的平流层。而在此之前,国内外的大气研究主要聚焦于靠近地球表面的对流层,研究平流层的相关理论尚不成熟,关于平流层大气的观测资料也很少。

2006年,刚留英归国加入兰州大学大气科学学院的田文寿教授决定先从理论角度入手,带领他的团队在国外研究工作的基础上发展了一种数值模型,实现对南极臭氧空洞的演变研究和预测,为平流层大气研究提供一个有效的工具,丰富了国际学界对平流层研究的思路和手段。“这是一个比较省力且低成本的办法,可以在缺乏观测资料的情况下,先进行理论上的分析。”田文寿介绍。

田文寿带领团队不断进行技术攻关,把大气中的化学过程耦合进了传统的气候模式,开发出了新一代的大气化学——气候模式。在早期平流层大气第一手观测资料难获得、高成本的情况下,在国内率先展开了大气臭氧层未来演变及其天气气候效应的理论研究工作。

大气化学——气候模式为预估大气污染物对气候的影响、臭氧空洞恢复预测和评估人类活动对气候和天气的影响都提供了一个“非常有用的工具”。“比如碳减排,借助这一模式,我们就可以在考虑了大气中化学过程的条件下更客观合理地制定各种温室气体的减排方案。”田文寿说。

传统大气模式只考虑大气物理和动力过程,而大气化学——气候模式则耦合了平流层中的物理及化学过程,尤其是与臭氧有关的化学反应。该模式不仅可以进行气候预测,还可以评估人类活动对天气、气候以及大气环境的影响。事实证明,田文寿发展的大气化学——气候模式相较于国际主流模式性能优异,“很早以前我们就借助该模式,率先预测了南极臭氧洞的恢复时间大概是在2050年左右。”

相较于只能研究地表以上10公里内大气的传统气候模式,大气化学——气候模式的适用高度可达地表以上80-100公里,涵盖了平流层、中间层和热层大气。因此,该模式在延伸期天气预报以及气候预测方面具有更完备的理论基础,用途也更广泛。

“平流层中大气运动比较缓慢,其大气异常信号往往会超前对流层大气变化15天以上,甚至更长,捕捉平流层内的大气异常信号能有效提高10天以上的延伸期天气预报的水平和时效。”田文寿说。

“它”带着寒潮过来了

田文寿教授团队利用大气化学——气候模式,在“平流层与对流层相互作用”方面进行理论创新,并在此基础上首次发现了平流层极地涡旋的持续偏移现象。

极地涡旋(简称“极涡”)是极地高空冷性大型涡旋系统,南北极上空各有一个这样的系统,其深跨对流层和平流层。极涡内部包含着大量的冷空气,可以影响中高纬度天气气候。

极涡边缘是强大的绕极西风带,而极涡内部则裹挟着冷空气。团队成员张健恺教授解释道:“可以把西风带想象成一台高速运行的列车,极涡内部的冷空气不容易穿过去,正常情况下一个很强的涡旋系统会把冷空气‘囚禁’在北极。”

极涡偏移概念图

但近年来随着全球气候变暖,北极也受到影响,全球平均的近地面气温呈快速上升趋势,北极上空的极涡也变得更加不稳定。团队在2016年研究发现,近30年里冬季北极平流层极涡存在向亚欧大陆偏移的显著变化趋势,而北极海冰减少、亚欧大陆积雪增加是造成极涡偏移的重要原因。

“当北极变暖之后,极涡的‘脾气’变得更加不稳定,里面的冷空气更容易跑出来,进而影响到中纬度地区,导致寒潮等极端天气。”张健恺说,在全球气候变暖的背景下,北极极涡可能还会出现极端变化。北极极涡的持续偏移现象,科学地解释了亚欧大陆冬季极端天气频发的主要原因。

张健恺解释说,全球气温就像一个班的成绩总体增加了,平均分在不断上升,但同时也会出现高分越高、低分越低的情况,“这就是为什么在全球变暖背景下,还会出现极寒天气的现象,它不是对全球变暖的否定,反而是个警示。”

青藏高原“臭氧低谷”从何而来?

青藏高原地处亚欧大陆腹地,是世界海拔最高的高原,素有“世界屋脊”美称。1994年,我国科学家周秀骥院士研究发现青藏高原上空夏季存在一个“臭氧低谷”。后续的研究逐步揭示其形成机制与高原热力、动力作用相关,但和人类活动有无关系还存在争议。

为了研究这一问题,田文寿教授团队联合中国科学院大气物理研究所的卞建春研究员团队在拉萨、格尔木、张掖和西宁等地,借助探空气球和传感器等进行了长期的连续观测,发现青藏高原臭氧低谷的形成与人类污染排放相关性并不大,而更多的是气候因素。

由于青藏高原自身海拔“优势”,引起的一些动力和热力效应也要强于其他地方。平流层本应该像盖子一样完全包住对流层,但实际情况并非如此。团队主要研究平流层与对流层物质交换及相互作用的田红瑛副教授介绍:“青藏高原的大地形作用,以及夏季高原及邻近地区上空强大的反气旋环流系统,使得高原地区成为平流层和对流层之间物质交换的重要通道。”

由于大地形作用和强烈垂直交换过程,青藏高原上空的臭氧垂直廓线整体“向上移动”,这是夏季青藏高原形成臭氧低谷的主要原因。不同于南极上空臭氧洞主要是由于人类早期排放的大量氟利昂所导致,“青藏高原上的臭氧低谷更多的是大气因素,而非人为,这就为我国制定相关的污染减排政策提供了科学依据。”

“臭氧在平流层中可以起到阻挡紫外线的作用,但由于物质交换机制使其进入到地面,则会危害生物健康和生态系统,因此臭氧又变成了污染物。”田红瑛解释道。

项目研究团队

下一步,田文寿教授团队将在已有工作基础上,进一步研究中高层大气对极端天气气候的影响,并应用于对极端天气气候的预报。“我们要想办法尽可能早地预测寒潮、暴雨、洪涝等极端灾害天气,为灾害预警打好基础,给有关部门提供决策依据。”田文寿说。

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文:王耀辉,石子玄
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编辑:刘烜均
责任编辑:彭倩

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