大氣河流（Atmospheric Rivers）是大氣中相對狹長的區(qū)域，形似“空中河流”，常引發(fā)大陸西海岸的極端降水事件，對人類生產生活造成災難性影響。當前低分辨率（約100公里）氣候模型難以準確模擬這些事件的強度，也無法有效預測其對溫室氣體變暖的響應。近日，中國海洋大學深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心（以下簡稱“深海前沿中心”）高會旺教授和張紹晴教授團隊，基于前期高分辨率地球系統(tǒng)模式的近千年模擬數據，在大氣河流強降水研究領域取得創(chuàng)新成果。利用高分辨率模式有效提高了對大氣河流所致極端降水事件的模擬，并從熱力學和動力學角度揭示大氣河流引發(fā)極端降水事件的影響機制。2024年12月20日，國際知名學術期刊One Earth（《一個地球》）以“More High-impact Atmospheric River-Induced Extreme Precipitation Events Under Warming in a High-Resolution Model”（基于高分辨率模式揭示全球變暖下更多的高影響大氣河流引發(fā)的極端降水事件）為題在線報道了上述成果。
團隊前期研究（Gao et al., 2015, doi: 10.1002/2015GL065435；Gao et al., 2016, doi:10.1175/JCLI-D-16-0088.1）發(fā)現，低分辨率CMIP5模式模擬的大氣河流強度偏低，登陸位置偏向赤道，存在顯著偏差。本研究應用高分辨率地球系統(tǒng)模式（大氣分辨率25公里，海洋分辨率10公里，CESM-HR），通過提升對大氣含水量和西風急流位置的捕捉能力校正了上述偏差，并進一步探索了北半球西海岸大氣河流的頻率、強度及其引發(fā)的強降水強度的演變特征。研究結果發(fā)現高分辨率模式顯著提升了歷史時期（1975-2004）對大氣河流強度及其引發(fā)強降水強度的模擬能力，強調了大氣河流對北半球大陸西海岸強降水事件的主要貢獻。研究指出，如果化石燃料依舊大規(guī)模使用、溫室氣體排放持續(xù)增加，到本世紀末由大氣河流引發(fā)的超級極端降水事件發(fā)生頻率和空間范圍都將大幅上升，尤其是在歐洲和北美沿海地區(qū)。
圖1 歷史時期觀測和模擬的西歐和北美西海岸極端降水天數和強度。a-c顯示1975-2004年之間基于再分析數據MERRA-2數據（a）以及模式數據CESM-HR（b）和CMIP6（c），西歐超極端降水年均天數的空間分布。e-f展示的是第99百分位極端降水強度的空間分布。面板g-l與a-f相同，但為北美西海岸的情況。
圖2 基于高分辨率模式的未來極端降水和大氣河流引發(fā)極端降水變化預測。面板a-b顯示了西歐(a)和北美西海岸(b)在2070-2099年期間與歷史時期相比的超級極端降水總天數變化。面板c-d顯示了西歐(c)和北美西海岸(d)在2070-2099年期間，由大氣河流引發(fā)的超級極端降水天數相較于歷史時期(1975-2004)的變化。
研究成果同時明確了大氣河流引發(fā)極端降水事件變化的熱力學和動力學起源。對高分辨率模擬結果的尺度分析揭示了熱力學效應在未來極端降水變化中起主導作用，并導致大氣河流引起的極端降水強度顯著增加。而大氣河流引發(fā)極端降水的動力學貢獻在西歐（負貢獻）和北美西海岸（正貢獻）呈現相反特征，其主要機制在于與水汽凝結密切相關的垂直風速變化的相反趨勢。
圖3 大氣河流導致極端降水未來變化的熱力學與動力學效應。a和c顯示了每日降水極值的90th、95th、99th百分位數的分數變化（藍色柱），通過極端降水縮放（紅色柱）和熱力學貢獻（黃色柱）的結果。面板a和c為所有極端降水事件的分數變化，面板b和d則為由大氣河流引發(fā)的極端降水事件的分數變化，并根據全球表面氣溫的變化進行歸一化。
深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室在讀博士研究生郭修文
成果由深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室在讀博士研究生郭修文為第一作者，中國海洋大學“筑峰人才工程”第三層次教授、深海前沿中心/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室高陽教授和物理海洋教育部重點實驗室張紹晴教授為共同通訊作者，聯(lián)合學校及國內外多位學者共同完成。這是科研團隊基于高分辨率地球系統(tǒng)模式在極端天氣氣候事件研究領域取得的又一項創(chuàng)新進展，第一作者郭修文基于上述工作及前期成果（Guo et al., 2022, doi:10.1038/s41558-021-01266-5）的開展獲得國家自然科學基金青年學生基礎研究項目資助，彰顯了學校拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的良好成效。
通訊員：侯霞
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.11.009
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