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利用美国航天局的MERRA数据集对1988年6月至7月期间北美上空的急流进行可视化建模。图片来源:科学史图片/阿拉米股票图片。T81PF2型乐动体育 英超
利用美国航天局的MERRA数据集对1988年6月至7月期间北美上空的急流进行可视化建模。 信用:科学历史图乐动体育 英超片/ alamy股票照片。
极端天气
2020年6月12日13:13

喷射流:气候变化是否导致更多“阻止”天气事件?

罗伯特·麦克斯威尼

罗伯特·麦克斯威尼

12.06.2020 |下午1:13
极端天气 喷射流:气候变化是否导致更多“阻止”天气事件?

在过去的几个月里,从英国的天气来看,出现了一些不寻常的天气有记录以来最阳光明媚的春天去西伯利亚剧烈热浪“和”僵尸野火”.

造成这种反常天气的关键是持续的高压“阻塞”天气系统,这种天气系统会给地下带来晴朗干燥的天气,持续数天或数周。

阻塞事件击退了迎面而来的低压系统,这将带来云和雨的前景。它们是夏季热浪和干旱以及冬季严寒的同义词。

但是在气候变暖的情况下阻止事件发生的前景如何呢?而迅速变暖的北极是否也能发挥作用?

在这个问答中,“碳简报”将乐动体育下载app更深入地探讨阻塞事件的原因以及未来可能发生的变化。

什么是“阻塞”?

在北半球中纬度地区周围,低压天气锋通常由西向东移动,带来多云、多风和可能潮湿的天气。这些都是由急流–在对流层(地球大气层的最底层)高空快速流动的气流。(急流环绕着南北半球的中纬度地区。)

这股急流通常保持着稳定的天气系统在地球表面移动。这意味着,任何低压系统——或带来晴朗、宁静和阳光的高压系统——通常只会停留几天,然后被下一个系统分流。

然而,有时天气系统会在很长一段时间内被困在原地。这就是所谓的“阻塞”,解释道Tim Woollings教授,中国科学院物理气候科学副教授乐动体育 英超牛津大学牛津大学联合主席气象局学术伙伴关系,以及关于急流的书. 他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“阻塞是一种静止和持久的天气模式,最常是一个反气旋[高压系统],阻挡了迎面而来的喷射流和风暴。”

在高压天气系统的干扰下,迎面而来的天气要么偏离方向,要么也原地不动。研究人员说,这可以带来长时间的稳定天气英国气象局:

“就你将得到的天气而言,这意味着在高压下,天气将主要保持干燥,并在几天或几周内稳定下来。然而,如果你在天气锋所在的地区,你很可能会在很长一段时间内遇到潮湿和刮风的天气。”

这种持续的天气会造成极端情况。英国刚刚经历了危机阳光最灿烂,第五干燥的春天记录在案,这是一个非凡的转折点有记录以来最潮湿的二月就在几个月前。Liz Bentley教授,首席执行官英国皇家气象学会,将此干湿转换描述为“前所未有的”.

正如市气象局在一篇关于乐动体育下载app,显著的春季天气是阻塞天气模式的结果:

今年春天,急流弯曲并向北移动,使得连续的高压区占据了英国的主导地位。这些高压的‘阻塞’模式是我们今年春天看到的长时间晴朗、干燥和相对温暖的天气状况的主要原因。”

与此同时,通常寒冷的西伯利亚广阔地区也在反常的高温中沸腾。例如,5月份的平均气温10C以上标准–重燃去年的野火仍在熊熊燃烧. 这种长时间的高温也是阻塞天气模式.

https://twitter.com/ZLabe/status/1268890577841487874?s=20

气象局说,阻塞在春季最为常见,但通常与夏季的剧烈热浪和冬季的严寒联系最为密切。

举例来说,阻塞是造成该地区炎热和干旱的原因之一英国1976年夏天,的2003年致命的欧洲夏季热浪,西伯利亚的热浪和野火2013年夏天,欧洲2009-10寒冬. 不同位置的阻挡模式给美国带来了2012年创纪录的温暖三月和2013年创纪录的寒冷三月.

阻塞也被证明是有效的影响热带气旋的路径有可能引导他们走上不寻常的道路。

说,有一些区域,其中“优先发生”,说Len Shaffrey教授他是美国气候科学学院的教授乐动体育 英超雷丁大学.

“在北半球,它们位于北大西洋和北太平洋的北侧和东侧,因此对于北大西洋来说,这意味着格陵兰岛和欧洲。”

下面的地图,来自2018年回顾报告Woollings和他的同事们给出了1958-2012年间北半球阻塞事件发生频率的指示。根据描述阻塞事件的三种不同方法,它们显示了冬季(顶部)和夏季(底部)阻塞季节的天数百分比。橙色阴影越暗,阻塞的天数就越多。

Woollings指出,不同的方法、不同的地区和不同的季节,估计值有很大差异,但“阻塞地区的典型数字——例如欧亚大陆、大西洋和阿拉斯加——将是每个季节发生一到两次事件,每次事件平均持续一周左右”。

1958-2012年北半球冬季(顶部)和夏季(底部)阻塞频率。橙色阴影表示季节中天数的百分比,2%对应于每个季节大约两个受阻天数。显示了描述阻塞事件的三种方法:异常方法,ANO(左)绝对方法,ABS(中)和混合方法,MIX(右)。红/蓝点表示三次再分析中至少有两次出现显著增加/减少趋势的区域。信贷:Woollings等人(2018)。重新发布下属Creative Commons归因4.0

值得注意的是,阻塞也发生在南半球,添加羊毛:

“[阻塞]在南半球往往持续不那么持久,因为西风喷气机更强壮。尽管如此,他们确实有一些重要的影响,如澳大利亚,新西兰和南美洲南部。“

例如,阻塞事件历史上最炎热干燥的天气那把锯子毁灭性的森林大火在澳大利亚2019-20年的夏天,以及一场严重的干旱2014-2015年在巴西东南部.

野火的后果,2010年8月4日。图片来源:塔斯社/阿拉米股票图片。
在莫斯科附近的野火的后果,2010年8月4日。信用:itar-tass新闻机构/ alamy股票照片。

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导致阻止的原因是什么?

那么这些阻塞天气模式是如何产生的呢?Woollings指出“涉及到几种不同的机制,在不同地区,这些机制之间的平衡似乎是不同的”。

不过,伍林斯说,一般来说,大气中的“罗斯比波”被“认为是至关重要的”。罗斯比波浪——以卡尔·古斯塔夫·罗斯比,这位瑞典裔美国气象学家发现了它们——它们是横贯中纬度的急流中的巨大弯曲。它们也被称为“行星波”。

Rossby Waves是一种自然现象,其形成为地球自转. 由于它们是旋转流体的一个特征,因此在海洋和其他行星(如气态巨行星)中也可以观测到它们木星土星.

Woollings说,当Rossby波“被放大和/或破裂”时,就会出现阻塞性天气模式。放大的罗斯比波可以在“波浪”急流中看到。这往往会减缓天气系统由东向西的发展,使情况更加持续,并有可能形成阻塞。

“欧米茄块”就是一个例子,因为它类似于希腊字母表中的大写字母欧米茄(Ω)。在这种形状中,高压和低压的交替区域分别在Rossby波的波峰和波谷中形成。

英国上空的欧米茄积木的图解。学分:气象局

下面这段由英国气象局拍摄的视频,解释了欧米茄积木和一种叫做“分流积木”的替代积木是如何在英国形成的。(有其他几种阻塞模式也是。)

阻塞阻断了盛行的西风,通常在冬季带来温和的空气,在夏季带来凉爽、清新的环境。因此,它打开了更极端条件的可能性,这取决于哪种类型的天气系统是架空的。

比如2010年夏天,欧米茄块在7月和8月的大部分时间里,高压系统一直笼罩着俄罗斯西部。由此产生的热浪使俄罗斯西部大部分地区录得历史上最热的夏天。作为一个2011年论文在活动中解释:

“俄罗斯上空的高温产生了许多天,那里的高温超过40摄氏度(104华氏度)。俄罗斯的夏季气温创历史新高,莫斯科7月和8月的平均气温分别比正常值高出+18摄氏度和+16摄氏度。”

炎热、干燥、寂静的天气也带来了中国最严重的旱情大约40年. 总的来说,高温,野火和相关的空气质量差造成的至少56,000人死亡在莫斯科和俄罗斯西部其他地区。

2010年8月12日,巴基斯坦苏库尔洪水灾区鸟瞰图。图片来源:Asianet巴基斯坦/阿拉米股票图片。
2010年8月12日,巴基斯坦苏库尔洪水灾区鸟瞰图。图片来源:Asianet巴基斯坦/阿拉米股票图片。

但是,虽然俄罗斯在热量中烘烤,但到东南几千英里,巴基斯坦坐在一个低压系统中,这是一个相同欧米茄块的一部分。由块引起的异常风模式北面和西面都有季风降雨,给巴基斯坦北部带来暴雨。

巴基斯坦全国降雨量为7月比平均水平高70%,8月比平均水平高102%. 洪水造成1800多万人受灾,1985年死亡,170万间房屋损毁。

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阻塞事件是否随着气候变暖而改变?

由于阻塞事件可以带来如此极端的情况,一个重要的问题是它们的频率和严重性如何受到气候变暖的影响,而且很可能受到影响。

然而,有几个原因,为什么这不是直截了当的。首先,块没有设置定义,解释Woollings:

“块有各种形状和形式,因此虽然气象学家都会同意旋风器的内容,但是关于特定天气模式是否应作为块归类为块,通常存在不同的看法。”

这个2018年回顾报告Woollings及其同事(前面提到)指出,已经开发出一系列“令人困惑的指数”来识别阻塞事件。它补充说:

“动力气象学的一个主要弱点是,目前还没有全面的理论来描述阻塞生命周期各个阶段的不同过程:开始、维持和衰变。”

这使得监测和跟踪阻塞事件的变化以及直接比较不同研究的结果更加困难。

第二,“阻塞是一种偶发的天气模式,因此,一年比一年,甚至十年比十年都大不相同”,Woollings说。这意味着阻塞事件在一年或十年之间自然会有很大的不同,因此对任何长期趋势的清晰看法都会被短期波动所迷惑。

总的来说,Woollings说“目前还没有明显的趋势来阻止这种噪音”。Shaffrey同意:

“历史气象记录显示,过去几十年来,阻塞现象并没有明显改变。但是,这在某种程度上取决于用于定义阻塞事件的方法。”

伍林斯指出,格陵兰岛是一个可能的例外自20世纪90年代以来夏季街区的增加. 然而,他表示,目前还不清楚这是否归因于自然变异:

“有几种方法给出了这种趋势发生的概率约为1/20,因此看起来很有趣。但是,如果你测试了20种不同的地区和季节组合,你肯定会认为其中一种完全是偶然的

A2018年论文他说,阻塞的增加可能是“由地表反馈促进的低水平区域变暖引发的”,比如格陵兰岛融雪和融冰的增加,以及北极区域海冰的减少,或者急流的变化,但这目前还“未知”。

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气候变化将如何影响未来的阻塞?

对于科学家来说,通过持续的气候变化可能影响阻塞的预测,还有另一个障碍:气候模型一般与模拟阻塞作斗争,并有低估事件的频率和持续时间.

一般来说,模型“预测”阻塞发生率普遍下降伍林斯说:“在未来”。他解释道:

“阻塞的动态聚焦在大气中的喷射流水平,这里模特预测热带地区的最强烈变暖。这加强了喷射溪流,使块形成更加困难。“

例如,今年早些时候,Woollings在一个乐动体育下载app最近的热带变暖如何改变了罗斯比波的模式,这导致了2010年致命的俄罗斯热浪。

然而,尽管在这个理论上“模型之间有很好的一致性”,Woollings警告说,“我们仍然应该谨慎,因为不清楚模型是否正确地捕捉到了物理。”。

下面的地图——同样来自2018年的评论论文——根据描述阻塞事件的三种不同方法,显示了北半球在冬季(顶部)和夏季(底部)阻塞的预测。阴影表示在非常高的排放量下,1961-90年和2061-90年间,该季节阻塞日百分比的预计增加(橙色)和减少(蓝色)RCP8.5场景.

在RCP8.5情景下,使用CMIP5模型预测1961-90年至2061-90年间北半球冬季(顶部)和夏季(底部)阻塞频率的变化。橙色阴影表示该季节阻塞日的百分比增加,蓝色阴影表示减少。显示了描述阻塞事件的三种方法:异常方法,ANO(左)绝对方法,ABS(中)和混合方法,MIX(右)。黑点表示模型在变化迹象上不一致的区域(即显示相同迹象的模型少于三分之二)。信贷:Woollings等人(2018)。重新发布下属Creative Commons归因4.0

这些地图突出了预测中的地区差异。正如沙夫雷所解释的:

“例如,西欧冬季阻塞预计将略有减少,而东欧阻塞预计将随着北大西洋上空急流的变化而增加。”

对于夏季,地图表明阻塞将换杆,减少中纬度地区的事件数量,但在高纬度地增加它们。这反映在其他研究,也是。

词汇表
第8.5部分:RCP(代表性浓度途径)是未来温室气体和其他强制力浓度的情景。RCP8.5是一个“非常高的基准”排放情景所带来的人口快速增长,高能源…阅读更多

模型预测也表明南半球阻塞的减少. A2019年研究例如,据估计,到21世纪末,根据RCP8.5,澳大利亚和新西兰冬季受阻天数可能会减少三分之一左右。

Woollings说,值得注意的是,阻塞的预期下降是“相当渐进的”,这意味着阻塞“不会很快消失”:

“在未来几十年,阻塞将可能在极端天气事件中扮演核心角色,特别是中纬度热浪。”

一个受到较少关注的角度是关于大小阻止事件的发生。但是2019年发表的研究这表明,随着气候变化,地块的空间范围可能会增加。

利用两个气候模型和RCP8.5情景,研究人员预测北半球夏季和冬季阻塞事件的面积可能分别增加17%和7%(到2076-2100年,与1981-2005年相比)。对于南半球,预测表明,区块面积在夏季下降(高达2%),冬季增加(高达8%)。

合著者解释说,尺寸增加的原因是由于射流不同特征的预期变化Pedram Hassanzadeh博士赖斯大学在美国。他告诉《碳简报》:乐动体育下载app

“具体来说,我们发现急流的风速、急流的纬度和急流的宽度决定了阻塞事件的大小。众所周知,随着气候变暖,急流的这三个特征都会发生变化。”

例如,他说,“在夏天的北大西洋地区,喷射流变得更广泛,朝向北方转移,导致欧洲大西洋阻塞事件的规模增加”。在冬天的北太平洋地区,“喷气流变得更广泛,越来越迅速,转向北方,共同走向了西太平洋和北美东部的较大封锁事件”。

Hassanzadeh正在进行的工作也表明水分水平可能会影响阻塞事件的大小。作为温暖的气候可能会带来更多的蒸发和温暖的大气可以容纳更多的水分,这也会影响阻塞事件。他说,哈桑扎德和他的同事们“目前正致力于验证这一假设并理解其机制”。

(一)2015年学习他首先提出水分对更普遍的阻塞很重要。Woollings将此描述为“近年来关于拦网的最大新想法之一”。)

更大的阻塞事件的风险是,它们可能导致影响更多人的极端事件,哈桑扎德说:

“除了其他极端天气外,阻塞事件会导致夏季出现严重热浪。如果阻塞事件变得更大,我们可以预期热浪会覆盖更大的区域,从而对公众健康和更广泛的生态系统产生更大的影响。”

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北极变暖起到了什么作用?

虽然模型(暂定)表明阻塞事件可能会在中纬度地区减少,但也有一个突出的理论认为,迅速变暖的北极可能会带来更多的阻塞事件。

北极正在变暖迅速超过两倍比全球表面平均值高。这种现象被称为“北极放大”。这在一定程度上源于迅速失去海冰覆盖在这一地区——随着冰层的减少,原本被明亮的白色冰层反射的来自太阳的能量反而被海洋吸收,导致进一步变暖。(北极地区积雪面积的下降也有同样的影响。)

有一些理论认为北极的这些快速变化“可能会影响阻塞事件的频率”,Shaffrey解释道:

“理论表明,作为北极温暖,北半球喷射流的力量和位置的变化将使阻止事件变得更加频繁。”

例如,随着喷射流的强度被北极对北方的寒冷空气与南部的寒冷空气之间的温度差异驱动,快速升温的北极降低了这种温差。

北极海冰融化,挪威斯瓦尔巴群岛北部,2019年7月。图片来源:aldiami/Andreas Alexander/Alamy Stock照片。
北极海冰融化,挪威斯瓦尔巴群岛北部,2019年7月。图片来源:aldiami/Andreas Alexander/Alamy Stock照片。

这可以削弱喷射流,使得更容易发展允许块的较大蜿蜒形成。

北极变暖对中纬度地区的影响还有其他机制,其中乐动体育下载app在2019年初的详细问答中探讨。

研究表明,北极的扩张导致了北半球最近的一些中纬度极端现象,包括美国和亚洲的冬天非常寒冷以及俄罗斯2010热浪.

然而,“还有很多争论在有关这些理论是否得到观测和气候模型实验支持的科学文献中,Shaffrey说。

以及北极的任何影响可能会被其他地方的影响所抵消,添加羊毛:

“随着北极变暖的加强,我们预计它会影响急流,这可能会增加一些地区的阻塞。气候模型目前表明,热带变暖的竞争影响将更加重要,这与阻塞的总体减少是一致的。”

尽管如此,WOOLLINGS得出结论:“北极变暖是其中几种过程中的一个过程之一,这将在未来塑造阻塞行为。”

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