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太平洋“发烧”,导致印度干旱加剧?

2021-05-02 11:50 科普中国网   

本文作者系中国科学院大气物理所研究员,博士生导师,中科院青年创新促进会优秀会员。

印度季风与热带中东太平洋海温,分属东西半球两个气候系统,二者相隔万里却如“提线木偶”般存在。

热带中东太平洋海水一“发烧”,也就是发生我们常说的厄尔尼诺现象(与拉尼娜,南方涛动合称为ENSO),印度季风带来的降水就会偏少,随后印度出现大面积干旱。这不仅影响着南亚十几亿人口的生活,也对东亚季风系统有着重要影响,所以它们之间的这种关系走向颇受关注。

20世纪70年代开始,ENSO与印度季风的负相关明显减弱,但本文最新研究显示,从21世纪开始两者的关系发生了新转变——开始增强,而这种关系的“缓和”竟是大西洋在“牵线搭桥”。研究为提高印度季风乃至东亚季风的预测提供了十分重要的支撑。

印度雨季什么时候来?谁说了算

印度,是世界第二人口大国,位于南亚季风区,气候类型为热带季风气候,其夏季不仅酷暑难熬,还容易发生严重干旱。

现代气候学发展以前,由于缺乏气象知识,每逢人间风雨失调,遭遇旱灾或涝灾,人们只能寄希望于祈祷。

2019年季风爆发前的3—5月,印度卡纳塔克邦的降水量仅为47.4mm,较历史同期(161.6mm)减少了71%,恰逢6月季风的爆发偏晚一周,当地出现严重干旱。卡纳塔克邦民众甚至为青蛙举办隆重的婚礼来祈雨。

随着气象学的发展,人们终于得以了解气候背后的原因,印度季风是印度雨季的“开关”,干旱会随着6月份印度季风的来临,带来充沛降水得以缓解。

印度季风在6—9月带来的降水占全年降水总量的70%,对当地农业生产和社会经济发展起到至关重要的作用。

印度季风如此重要,引起它旱涝异常的幕后大BOSS是谁?这个问题一直困扰着科学家们。

直到20世纪初,Walker爵士担任印度气象局局长后,投入了大量研究,才让引起印度季风旱涝异常的幕后大BOSS身份逐渐揭晓。

Walker爵士在印度气象局担任局长21年,一直致力于印度季风的研究。他于20世纪30年代发现大气的南方涛动(后与厄尔尼诺和拉尼娜合称为ENSO)与印度季风降水的异常存在密切关系。Walker爵士由此提出第一个基于物理过程的气候经验预测模型,这也是Walker环流名称的由来。

 

随后经过多位科学家的努力,更加明确了ENSO与印度季风的关系。即厄尔尼诺(或拉尼娜)发生时,热带中东太平洋的海温偏暖(或偏冷),进入“发烧”(或降温)状态,接着会通过Walker环流使万里之遥的印度地区出现干旱(或洪涝),二者关系呈现出十分明显的负相关。

ENSO是影响印度季风的幕后大BOSS之一。自此,类似的基于物理过程的气候预测在世界各地迅速开展起来,开启了现代气候学的新时代。

20世纪末,得益于更长时间观测资料的获取,印度气候学家Kumar教授于1999年发表在《Science》的研究论文指出ENSO和印度季风降水的关系并不稳定,自20世纪70年代以来二者的关系开始逐渐减弱,在气候学上这种跨年代的转变称为年代际转变。这一问题迅速成为国际气候学的研究热点,气候学研究进而深入到“年际关系的年代际转变”上。

随着问题的深入,相关研究变得异常复杂且艰巨,其物理机制不明,一直是国际气候学研究的重大挑战。特别是,20世纪70年代的这次转变在时间上和全球变暖的长期趋势契合,因此,这到底是大自然内部的年代际变化还是全球变暖趋势所致,也存在争议。

最近,中科院大气物理研究所黄平课题组最新研究指出,在20世纪90年代末期,ENSO和印度季风的关系开始出现新的年代际转变——开始增强。

这表明热带中东太平洋海温偏暖(或偏冷),会加剧印度地区的干旱(或洪涝)。这一现象否定了ENSO和印度季风关系的转变是全球长期增暖趋势所导致的观点。

增强?消弱?谁在操控ENSO与印度季风的关系?

ENSO这个大BOSS与印度季风的关系为什么会发生如此转变呢?该研究指出这种关系的增强与太平洋的“小弟”——大西洋的“态度”密切相关。

在21世纪之前(1979–1997年),ENSO事件发生时南大西洋海温的异常主导着整个大西洋海盆,这样一家独大的局面使得大西洋梯度指数(北大西洋区域与南大西洋区域平均海温异常之差)为较大的正值。

因此,随着南大西洋的介入,逐渐瓦解并破坏了ENSO与印度季风的“信任”,导致二者的关系开始减弱。这时,热带中东太平洋海水即使“发烧”,万里之遥的印度干旱也并不严重。

然而21世纪之后(2000–2018年),风水轮流转,ENSO事件发生时南大西洋的势力开始衰退,并且海温信号开始向北大西洋转移,最后两者实力均较弱且基本相当,因此大西洋梯度指数基本为0。

此时南大西洋的“欢喜冤家”——北大西洋,一直与南大西洋“唱反调”,二者对印度季风的影响相反,使大西洋整体对印度季风的贡献正负抵消,为ENSO和印度季风“牵线搭桥”建了一条绿色通道,这样一来ENSO和印度季风的关系在不受干扰的情况下又开始增强。这时,热带中东太平洋海水一“发烧”,万里之遥的印度干旱便会加剧。

那么,为什么大西洋会出现这样的转变呢?

黄平课题组研究发现:这竟是ENSO“自导自演”的一出戏,其实是ENSO自身的时间演变特征发生了变化。过去大家关注不同空间位置的ENSO(如根据ENSO位置分为东部型和中部型),该项研究却发现夏季ENSO的状态存在两个不同的时间演变,有些ENSO从上一个冬季就存在,一直持续到次年夏季,他们将此称为延续型ENSO(Continuing ENSO);而另外一些ENSO从夏季才出现,称为新发型ENSO(Emerging ENSO)。

延续型和新发型ENSO通过大气Walker环流对印度季风的直接影响几乎没有差别,但在延续型ENSO下,由于其已经存在半年之久,它对全球海温有着重要影响,尤其是南大西洋,这些其他区域海温异常的存在会干扰ENSO的直接大气影响,这种情况下ENSO和印度季风降水的关系会很弱;

而在新发型ENSO下,其他海区的海温异常都较弱,无法对ENSO的直接大气影响造成干扰,ENSO和印度季风降水的关系非常显著。

 

大自然竟然如此奇妙!热带中东太平洋的海水稍微“发烧”,却能影响万里之外十几亿人的生活与生产,且不同年代的影响竟然大不相同。

然而,这或许只是气候联动过程中的冰山一角。为了更好地为人类的生存和发展提供服务,我们需要探索更多的气候学谜团。

该研究首次发现ENSO与印度季风最新的年代际增强现象,并强调大西洋在其中的“桥梁作用”,提出ENSO时间演变的多样性,更清晰地解释了ENSO与印度季风关系的多次年代际转变。这有助于未来更好地摸清ENSO的“脾气”。

随着观测资料的日益丰富和时效性的增加,让科学家有机会从更广阔的角度去关注洋盆间相互作用(太平洋、大西洋和印度洋)的特征以及对气候变化的影响。这也必将加快人类对自然界中年代际信号转变的了解。

未来对洋盆间相互作用的持续研究,可能降低目前气候模式模拟的不确定性,并提高我们短期气候预测的水平,从而为应对全球气候变化提供更好的支撑。

 

责任编辑: 4126TJ

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