丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型,欧洲和东北亚夏季将继续呈现明显的增暖趋势

而这种增暖趋势在北半球尤其是中高纬地区显得尤为突出,例如,2003年的欧洲热浪导致5万余人丧生;2010年夏季俄罗斯多地最高气温都达到40℃以上,相对于其常年平均的23℃高出了将近20℃,造成至少1.5万人死亡,并导致150亿美元的经济损失;同年,我国最北部的漠河县也创下日最高气温39.3℃的历史记录。我国东北地区是全国重要的商品粮生产基地,近来东北耕地面积增加了30%以上,这与1990s以来东北地区温度升高、夏季变长不无关系。

NAO/NAT

一出门就被曝晒,逛个街手机能被烤化,夏季到来,生活在北方的人们,这两天已经见识到了炙热的力量。“夏天真的是越来越热,还让不让人活了。”有网友吐槽。吐槽归吐槽,有专家此前已经郑重预言:这样的夏季高温可能会一年更比一年严重! “都是全球变暖惹的祸。”记者身边的一位朋友见怪不怪,这也是众所周知的一个原因。而鲜为人知的是,“除此之外,这些极端天气事件的幕后大BOSS还少不了最近的一个新网红——‘丝绸之路遥相关’。”近日,中国科学院大气物理研究所洪晓玮博士、陆日宇研究员和李双林研究员发表在《大气科学进展》的封面文章称。 空间距离远,气象要素却明显关联 “所谓的‘遥相关’,在气象上指的是空间距离很远的两个地方在气象要素(例如温度、降水、环流等)上存在明显关联的现象。”5月22日,洪晓玮在接受科技日报记者采访时说,顾名思义,丝绸之路遥相关指的就是沿着丝绸之路的一个遥相关型。 洪晓玮介绍,具体来讲,其是气象上位于北半球中纬度地区的对流层高层、在夏季经常出现的一个大气环流异常型态。这个夏季的遥相关型表现为大气对流层高层、从中纬度的欧亚大陆西部向东一直到东亚地区,南/北风异常交错分布。这样交错分布的环流异常也引发下垫面交错分布的冷/暖异常和降水异常偏多/偏少。 异常是指某一年相对于常年气候态的情况。“这些异常基本都位于北纬25°—60°之间,每个南风异常的区域沿东西方向大约为30个经度。该形态空间范围大、所经区域与古丝绸之路相似,‘丝绸之路遥相关’的名字也由此得来。”洪晓玮说。 上世纪90年代中期以来,不只我国,北半球多个地区都出现了夏季异常高温、极端热事件频发的现象。根据美国国家海洋和大气管理局的最新统计数据,进入21世纪以来的十多年,有一半以上的年份成功上榜有观测记录以来全球平均温度排行榜前十名。而这种增温在北半球夏季尤为突出。除了著名的2003年欧洲热浪和2010年俄罗斯热浪,近年来东北亚多个地区也创下夏季高温的新纪录,例如,2017年7月是我国和蒙古有记录以来最热的一年。 因此,有专家表示,丝绸之路遥相关对沿途地区的局地温度和降水异常都有重要影响,进而激发了与其相关的诸多研究。 未来十几年,区域性增暖仍将持续 不被大众所熟知的丝绸之路遥相关,实际上,在上世纪90年代初就有气象学家针对其开展理论研究。而到了本世纪初,随着丝绸之路遥相关型的气候影响越来越多地被气象学家发现,它也开始逐渐进入气象工作者的视野并在业务工作中得到应用。 “陆日宇老师从十几年前就开始做丝绸之路遥相关方面的研究,这个遥相关型的雏形最早也是他在2002年提出的。”洪晓玮说,这些年来,在陆老师的指导下,他们的研究团队目前已经在丝绸之路遥相关的年际、年代际、季节内变化等多方面都得到了一些有意思的研究结果。 上世纪80年代以来,全球变暖已经成为不争的事实。但这个变暖指的是平均状况,例如全球平均的表面温度出现显著上升,此外,陆地比海洋、高纬度比低纬度地区等增温更显著也基本上是全球变暖的贡献。 “然而我们最近的结果表明,上世纪90年代以后,在北半球纬度大致相同的地区,例如都是中纬度的欧亚大陆,夏季在东西方向上却出现明显的增温程度不一致现象——欧洲—西亚和东北亚地区的夏季增温尤其显著,中亚却很弱。而这种增温不均匀的分布与丝绸之路遥相关引起的温度异常分布非常一致。”洪晓玮说,也就是说,这种年代际增暖表现出很强的区域性特征,这就不能只让全球变暖来背锅了。 洪晓玮表示,这种区域性的年代际增暖与丝绸之路遥相关的年代际变化存在密不可分的联系。进一步结果表明,丝绸之路遥相关在长时间尺度上的位相转变,对这种区域性夏季增温有重要作用。而且从长期变化趋势看,这种不均匀增暖在未来的10—20年仍将持续。 “也就是说,我们目前仍处于北大西洋年代际振荡的暖位相,在未来十几年,欧洲—西亚和东北亚地区可能仍将面临明显的夏季增暖。”洪晓玮强调,未来,夏天出门,做好防暑降温,以有效应对极端高温带来的影响将成为重要内容。 警惕极端高温等灾害性气候事件 “再一个比较有意思的研究就是丝绸之路遥相关与亚洲副热带高空急流的相互作用。”洪晓玮说,丝绸之路遥相关的一个重要特征就是被亚洲高空西风急流捕获,像被一条“管道”束缚着一样沿着急流传播。 急流是什么呢?通俗地讲,同样的航程,在天气条件基本一样的情况下,中纬度自西向东的航班要比自东向西快一些。这就是西风气流的作用。所谓的高空西风急流,就是指中纬度对流层高层一个强而窄的气流带,夏季其最大风速在30米每秒以上,在亚洲上空的部分就是亚洲西风急流。 洪晓玮介绍,亚洲西风急流大体上位于北纬35°—55°范围内,但其南北位置在年与年之间会发生轻微的变化。之所以说“轻微”,是因为这样的变化相对于急流的跨度来说太小,其最偏北与最偏南时候的纬度差也就大约5个纬度。由于丝绸之路遥相关沿急流传播,因而急流南北位置的不同也给丝绸之路遥相关带来一定变化。 近来有研究表明,这两者间存在显著的相关关系,并构成对流层高层水平风场的最主要模态。当急流相对于常年气候态偏北时,丝绸之路遥相关呈现出一种形态;急流偏南时形态相反,即南风异常的区域变为北风异常。 “该研究的进一步结果表明,赤道中东太平洋从春季开始的海温变化就可以影响夏季急流的偏北/偏南:赤道中东太平洋海温偏低时,夏季急流更倾向于向北偏;海温偏高时急流倾向于向南偏。这从一定程度上为季节预测提供了参考。”洪晓玮说。 自然界里,不对称才是绝对的,丝绸之路遥相关和急流南北偏移的相关关系也是如此。最近的研究表明:以上所说的相关关系只有在急流偏北时很突出,而在急流偏南时非常弱。两者间关系比较复杂,存在很强的非对称性。洪晓玮表示,当急流偏北时,由于此时还有丝绸之路遥相关的共同作用,可能会产生强的气候异常,因此应该给予特别关注。 “总之,在大的变暖背景下,天气极端事件很可能将继续增多。因此,增温显著的区域要更加警惕可能伴随而来的极端高温、极端降水等灾害性气候事件,做好防范预警。”洪晓玮说。

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图11:同图9,但为TIOD指数演变

中国科学院大气物理研究所最近的研究(Hong et al. 2017)表明,欧亚大陆夏季增温突出表现在欧洲和东北亚地区,而其产生的原因可能为:北大西洋多年代际振荡通过丝绸之路遥相关引起这种区域性增暖。所谓丝绸之路遥相关,是中纬度对流层高层沿亚洲急流传播的一种波列。结果表明,丝绸之路遥相关存在很强的年代际变化,其年代际部分解释方差达到了约30%。

图18:2019年2月北极海冰密集度异常

全球温度呈现显著的增暖趋势。据世界气象组织统计,2011–2015年全球平均地表温度高出1961–1990年0.57℃。这种显著增暖无疑为夏季高温提供了有利的气候背景,对极端高温事件的发生和发展无异于火上浇油。据统计,2001–2010年间由高温导致的死亡人数相对于1991–2000年增长了23倍。

图24:1981-2018年12-2月QBO指数对随后3-5月与6-8月500hPa高度场的回归分析。打点区域为通过0.10显着性检验区域。

由于北大西洋多年代际振荡存在65–80年的长周期,目前正处于暖位相,因此可以推测:在未来十几年,欧洲和东北亚夏季将继续呈现明显的增暖趋势。这将对这些地区的生态环境、农业、人类生活等方面产生重要的影响。

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当前而言,经过滤波去除周年变率与更长期年代际变率后,LOD已经较前几年显着下降,表明当前固体地球自转角速度明显加快;考虑到整个系统角动量守恒,这有利于众多低纬度地区信风偏强和海表西向流的增强,这样的大气圈与海洋的响应,会在一定程度上阻碍随后春夏季赤道中东太平洋的增暖与厄尔尼诺事件的发展。

图:1997–2015年陆地平均表面温度相对于1964–1996年平均的增长值。图中只给出了温度增长在1℃以上的区域。箭头表示升温明显的区域。

图21:同图18,但为南极海冰密集度距平

论文信息:Hong X, R Lu, and S Li 2017, Amplified summer warming in Europe-West Asia and Northeast Asia after the mid-1990s, Environ. Res. Lett.

今年盛夏台风活动数量将接近常年,7-8月预计生成8-11个台风;

在全球增暖的背景下,不同地区的增温幅度却有着非常大的差异。为何会有这样的差异?这一问题是当今气候变化研究的热点之一。

QBO和ENSO通过全球平均大气角动量和低频信号的垂直下传存在一定的正相关,如果单从当前的QBO相位特征看,这一点有利于厄尔尼诺事件的发展,但影响十分有限。此外根据QBO超前回归,通常QBO西风位相年在日界线附近存在有显着经向遥相关波列型,春季东亚大槽有偏东偏强的趋势;而在夏季,亚洲副热带西风急流在动力上有明显的偏南趋势,在日本一带存在有显着气旋式环流,这将在一定程度上不利于副热带高压的北抬。当然值得注意的是,QBO这一信号对热带外对流层区域的影响仍然较弱,不可作为一个重要因子分析。

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SIOD是北半球冬春季存在于副热带南印度洋区域的纬向偶极子模态,而SIOD和TIOD间的相互作用也是影响印度洋内部变率的一个重点。受热带印度洋的TIOD事件的强迫,秋季热带东南印度洋出现显着离岸流并伴有显着的东南风增强,配合热带南印度洋下沉支叠加,在热带南印度洋出现了激发出了低空异常反气旋环流,在这样的风应力异常作用下,SIOD发展出了一次显着的正位相事件。考虑到季节锁相特征,在春夏季本次事件将会逐渐减弱,但其对大气的影响将持续下去。在夏季风时期,SIOD正位相将导致马斯克林高压偏弱而澳大利亚高压相对偏强,此时菲律宾和东侧新几内亚跨赤道气流容易偏强而索马里急流相对偏弱,容易导致西北太平洋季风活跃而南亚夏季风偏弱,并通过季风区的异常对流活动,激发出向热带外地区的遥相关影响。

图25:LOD指数在2015年底以来的演变

PMM是扣除ENSO相关模态后的热带太平洋主导模态,时间演变上通常在春季强度最强(但未达到ENSO的季节锁相),而空间特征表现为夏威夷以东的东北太平洋海区和加拉帕戈斯群岛附近的赤道东太平洋冷舌区的经向偶极。一般认为,这是在东太平洋气候态SST经向不对称的基础上,由热带地区和中纬度变率的影响在WES机制下发展;同时也有研究认为这在随后的夏秋季会对ENSO事件的发展演变起到一定的调制作用。

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esball世博 ,1.1.4 西北太平洋海区概况

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太平洋年代际涛动为20°N以北的北太平洋区域SSTA之EOF1模态,最显着的特征表现为北太平洋暖流区与北美西海岸(阿拉斯加~下加利福尼亚半岛)间的反相SSTA模,虽然以其最显着的年代际变率得名,但也存在显着的年际变率,这与ENSO强迫激发的球面遥相关波列引起的中纬度海气相互作用有关。而在20世纪90年代起,北太平洋环流模这一EOF2模态逐渐显着,在近些年的解释方差甚至可以和PDO可以抗衡,这一转变可能和ENSO空间型转变下,所激发响应位相发生变化的影响,以及热带外海气作用有关。

2.3具体气候过程事件分析

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图6:1963年至今PDO指数的演变

在过去的冬季中,北极地区平流层于12月底-1月初出现了一次显着的Major SSW事件且显着下传至对流层,这深刻地影响了高纬度地区对流层环流,包括欧亚大陆地区显着的长波调整与但在事件结束后,由于长期的异常东风成为Rossby波向上传播的波阻区,整个北极平流层都处在低波通量和牛顿冷却状态,很快转为显着的偏冷状态。在北极极夜期已经结束的当前,虽然在平流层高层出现了一次SSW事件,但强度较弱,并未导致以极涡与极夜急流崩溃为特征的环流转型,而这一异常增暖信号更是局限在平流层高层并未有效下传,极地平流层中低层仍然显着偏冷,可以确定今年北极平流层换季将有所偏晚。考虑到偏晚的平流层换季,平流层极涡也将有所偏强,这将作为一个低频信号支持春季极涡和北侧冷源有所偏强。

NAO是大气中纬度变率中的重要模态,而在季节尺度上这样的大气振荡型强迫出海表温度的响应,对应出现北大西洋地区北向南的三极子SSTA的异常即NAT。

相比于赤道地区纬向异常模态的大西洋Nino型,热带大西洋更显着的海温模态当属AMM,它表现为跨赤道的SSTA不对称经向异常模态,与相伴随的大气环流场异常,与热带太平洋海区PMM模态集中在赤道以北一侧也有明显不同;但和PMM相同点在于其锁相期出现在春季,这与3月前后大西洋ITCZ最靠南有关,此时微小经向扰动最容易激发出显着的异常。

IOBW为热带印度洋SST的EOF1模态,表现为整个热带印度洋区域海温一致的变化。通常认为,在ENSO事件发展期,该模态为热带印度洋海表温度对ENSO强迫的响应,是直接受ENSO强迫所致(具体机制包括直接调控Walker环流的大气桥、赤道中东太平洋对流加热激发的东传暖性Kelvin波抑制对流等),而在ENSO衰减期对春夏季印太季风区环流造成影响的“电容器机制”中,热带印度洋又是关键的“电容器”区域,当地海表与大气对ENSO的滞后响应,成为在次年夏季延续ENSO影响的重要机制。

TIOD(热带印度洋偶极模态)

大西洋Ni?o型

图23:1980年以来赤道地区平流层纬向风距平的时间演变

图19:1981-2018年12-2月,北极海冰密集度与后期3-5月500hPa高度场的SVD分析,取前三模态

在NAO/NAT正位相事件影响下,春季中高纬度很有可能出现大西洋洋中槽-西北欧阻塞-中亚异常槽-贝加尔湖异常脊位状态;而信号延伸到夏季时,考虑到NAT对EAM的年际作用,当前NAT正位相事件将使得东亚夏季风更容易偏弱,后期这一信号将逐渐减弱。而在热带北大西洋方面,当前这里的冷却首先将通过巴拿马地峡区域大气桥,激发出赤道东太平洋沿岸的东北风异常,并引发较显着离岸Ekman输运和沿岸补充上升流,使得这一地区SSTA负异常显着发展并随平流作用向西延伸,将导致赤道东太平洋和南美沿岸的一定冷却,也将影响到厄尔尼诺事件的发展和空间型;此外,热带北大西洋的海温异常也将激发向西传的遥相关波列,出现并通过大气桥作用导致夏季西北太平洋副高出现一定程度的偏弱。

考虑到西太暖池在此阶段已逐渐转为海温略偏高条件,且高空南亚高压偏南偏东,辐散条件良好,台风总体强度将有所偏强;

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图2:同图1,但为同期200hPa速度势函数距平。

以当前情况与上述分析结合,可以得出:在当前AMM负位相模态影响下,向西激发的响应将通过巴拿马地峡和Walker环流大气桥影响东太平洋地区,在夏季延续PMM正位相影响;而同时这一模态将促进热带北大西洋在随后春夏季的冷却,在东传的大气K波作用下使得热带北印度洋也将有一定冷却,抑制当地的显着增暖过程。这将在夏季风期使得南亚夏季风的一定程度上的减弱,同时西太平洋副高强度也将因此出现一定减弱。

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在上世纪末开始,南极海冰出现了年际显着增多的趋势;但自2015年下半年起,这一趋势突然出现急速反转并很快转入密集度偏低的状态,并在随后数年至今持续偏低,甚至在部分时段创下同期最低——这一时间尺度以2015-16强厄尔尼诺事件显然不足以解释,很可能仍有其他待发现的因子作用。

1.3.2 赤道平流层准两年振荡

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图5:过去两年间赤道太平洋地区的850hPa纬向风异常、海表温度距平和20℃等温线深度距平。

东亚夏季风主要分为热带季风支(南海-西太平洋夏季风)和副热带季风支(源于西太副高的东南季风)。这里将讨论南海夏季风爆发态势和两支夏季风在夏季的演变。

图4:同图1,但为同期OLR距平与700hPa风场距平

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就目前看,当前PDO指数为弱负值,其中空间模态上表现为北太平洋暖流区一致偏暖,但偏暖区域较常年主轴区偏南。这与冬季日界线西侧附近异常对流活动直接相关,潜热加热异常所激发的两个对流层低层异常反气旋,分别位于副热带西北太平洋与阿留申群岛南侧,二者南侧的异常东风通过WES机制减弱风速与蒸发,使得海温正异常发展;而北美西海岸区域较为复杂,在加州至夏威夷北侧因东北风的平流作用与风速增强已经出现明显SSTA负异常发展,但阿拉斯加湾与夏威夷东侧仍然有明显暖异常;不过当前PDO总体偏向负值的模态,与大多数厄尔尼诺事件发展期也有着明显不同。

综合先前分析,可以得出结论:

接下来一步(7月中旬-8月中旬),将是北方雨季,江南伏旱和华南后汛期了。由前文对盛夏环流形势的判断,雨带将明显偏南,且由于此时副高逐渐转为偏东状态,输送向华北的副热带季风水汽支也将偏弱,而南亚夏季风的偏弱也将使得当地通过遥相关的影响造成北方大部分区的降水偏少。以西北地区东部经华北和东北南部地区最为明显。此时长江流域也进入伏旱期,对应有出梅偏晚,且由于副高和副热带锋区雨带的偏南,长江中下游沿岸的降水仍然会偏多,气温也将略有偏低,出现大范围持续性高温天气概率较低。同时华东沿与此同时,华南地区也进入了热带系统带来的后汛期,但由于南海和菲律宾季风槽的偏南偏弱,华南地区会受到异常反气旋控制且对流活动较弱,后汛期降水总体偏少的概率较大,但如果出现台风活动,则可能出现在时空上不均匀型的降水集中。

综合先前分析,可以得出结论:

此阶段当前的厄尔尼诺事件仍将继续发展,菲律宾周边与南海出现异常反气旋式环流且对流活动偏弱,但140°E以东的西太平洋远洋区域接近异常上升支区域,且伴有PMM正位相态势的发展,导致当地仍会有较明显对流活动。

图15是3-5月AMM与PMM对随后6-8月全球SST与降水异常的回归分析。可以看到,AMM和PMM不仅对所在区域有着显着超前影响,也可以通过海温异常激发的异常对流活动伴随的响应,以Rossby波形式向西传播,在PMM影响向西传播到日界线西侧后,AMM也可以通过巴拿马地峡区域的大气桥等机制影响到东太平洋区域,且两个模态的响应间呈现较显着负相关;同时值得注意的是,春季AMM对夏季北印度洋海温与降水也存在洋盆尺度的较显着正相关,但PMM的相关则不显着,这表明热带大西洋除了以Matsuno-Gill响应激发的西传大气Rossby波外,还可能存在东传至非洲大陆和印度洋的机制,这一过程应当与对流活动伴随的大气暖性Kelvin波相关。

大西洋跨赤道经向模

1.2 冰雪圈

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而关于二者强度,初夏在西太副高偏南偏强、热带北印度洋海温仍然偏高且南海海温偏低状态下,南海夏季风总体偏弱而西北太平洋热带夏季风将有所偏强,同时副热带季风因副高偏强而增强。但由于南海海温显着偏高,实际的水汽输送仍然偏强。此外北印度洋到南海海温的偏高和高原积雪偏多,会导致夏季风北进程度偏弱,雨带也将偏南。当进入盛夏之时,随着中部型厄尔尼诺事件增强,东印度洋-海洋性大陆地区仍然维持较显着Walker环流下沉支异常且稍有增强,南亚与东亚夏季风强度依旧偏弱。但由于ENSO激发的波列响应发生变化,副高逐渐转向偏东,此时副热带季风强度也将从前期偏强减弱。。

江南春汛与华南前汛期;在今年春季南海海温明显偏高,副高偏强偏西的作用下,长江以南大部分地区处在异常偏强的副热带高压西侧偏南风控制下,水汽通量将显着偏多,且在南支西风异常印缅槽槽前上升运动区域控制,这有利于江南与华南降水的偏多,且由于副高相对偏南和东北侧偏强的东亚大槽,华南地区将更为明显。总体看春季时雨带稍有偏南,江南南部到华南降雨将显着偏多,而江南北部则相对接近常年。而在夏季风爆发后,华南前汛期进入了第二阶段;虽然今年夏季风爆发偏晚的概率较大,但此时南海和孟加拉湾海温将有所偏高,且西太暖池区域海温也将从当前偏冷逐渐升高,此时输送向华南的水汽通量偏大且偏南(海陆热力差异相对偏小)。这样看,此阶段华南前汛期降水仍将偏多,且由于偏强的远东异常槽带来较明显冷平流,强对流过程也将频发;而北侧的长江以北直至华北地区,降水将处于偏少状态。

1.1.5 印度洋

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