中国海洋大学在大气河流高分辨率模拟预测研究领域取得新成果

本站讯 大气河流（Atmospheric Rivers）是大气中相对狭长的区域，形似“空中河流”，常引发大陆西海岸的极端降水事件，对人类生产生活造成灾难性影响。当前低分辨率（约100公里）气候模型难以准确模拟这些事件的强度，也无法有效预测其对温室气体变暖的响应。近日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心（以下简称“深海前沿中心”）高会旺教授和张绍晴教授团队，基于前期高分辨率地球系统模式的近千年模拟数据，在大气河流强降水研究领域取得创新成果。利用高分辨率模式有效提高了对大气河流所致极端降水事件的模拟，并从热力学和动力学角度揭示大气河流引发极端降水事件的影响机制。2024年12月20日，国际知名学术期刊One Earth（《一个地球》）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变暖下更多的高影响大气河流引发的极端降水事件）为题在线报道了上述成果。团队前期研究（Gao et al., 2015, doi: 10.1002/2015GL065435；Gao et al., 2016, doi:10.1175/JCLI-D-16-0088.1）发现，低分辨率CMIP5模式模拟的大气河流强度偏低，登陆位置偏向赤道，存在显著偏差。本研究应用高分辨率地球系统模式（大气分辨率25公里，海洋分辨率10公里，CESM-HR），通过提升对大气含水量和西风急流位置的捕捉能力校正了上述偏差，并进一步探索了北半球西海岸大气河流的频率、强度及其引发的强降水强度的演变特征。研究结果发现高分辨率模式显著提升了历史时期（1975-2004）对大气河流强度及其引发强降水强度的模拟能力，强调了大气河流对北半球大陆西海岸强降水事件的主要贡献。研究指出，如果化石燃料依旧大规模使用、温室气体排放持续增加，到本世纪末由大气河流引发的超级极端降水事件发生频率和空间范围都将大幅上升，尤其是在欧洲和北美沿海地区。图1 历史时期观测和模拟的西欧和北美西海岸极端降水天数和强度。a-c显示1975-2004年之间基于再分析数据MERRA-2数据（a）以及模式数据CESM-HR（b）和CMIP6（c），西欧超极端降水年均天数的空间分布。e-f展示的是第99百分位极端降水强度的空间分布。面板g-l与a-f相同，但为北美西海岸的情况。图2 基于高分辨率模式的未来极端降水和大气河流引发极端降水变化预测。面板a-b显示了西欧(a)和北美西海岸(b)在2070-2099年期间与历史时期相比的超级极端降水总天数变化。面板c-d显示了西欧(c)和北美西海岸(d)在2070-2099年期间，由大气河流引发的超级极端降水天数相较于历史时期(1975-2004)的变化。研究成果同时明确了大气河流引发极端降水事件变化的热力学和动力学起源。对高分辨率模拟结果的尺度分析揭示了热力学效应在未来极端降水变化中起主导作用，并导致大气河流引起的极端降水强度显著增加。而大气河流引发极端降水的动力学贡献在西欧（负贡献）和北美西海岸（正贡献）呈现相反特征，其主要机制在于与水汽凝结密切相关的垂直风速变化的相反趋势。图3 大气河流导致极端降水未来变化的热力学与动力学效应。a和c显示了每日降水极值的90th、95th、99th百分位数的分数变化（蓝色柱），通过极端降水缩放（红色柱）和热力学贡献（黄色柱）的结果。面板a和c为所有极端降水事件的分数变化，面板b和d则为由大气河流引发的极端降水事件的分数变化，并根据全球表面气温的变化进行归一化。深海前沿中心/海洋环境与生态教育部重点实验室在读博士研究生郭修文成果由深海前沿中心/海洋环境与生态教育部重点实验室在读博士研究生郭修文为第一作者，中国海洋大学“筑峰人才工程”第三层次教授、深海前沿中心/海洋环境与生态教育部重点实验室高阳教授和物理海洋教育部重点实验室张绍晴教授为共同通讯作者，联合学校及国内外多位学者共同完成。这是科研团队基于高分辨率地球系统模式在极端天气气候事件研究领域取得的又一项创新进展，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）的开展获得国家自然科学基金青年学生基础研究项目资助，彰显了学校拔尖创新人才培养的良好成效。通讯员：侯霞文章链接：https://doi.org/10.1016/j.oneear.2024.11.009

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