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大气院赵海坤教授团队在《Nature Communications》发表研究成果

2021-12-02来源:天际新闻网作者:曹剑作者(文):作者(图): 发布: 责编:卞浩瑄 戴庆龙访问量:17

自工业革命以后,人类社会的工业化进程产生了越来越多的大气污染物,这些人为气溶胶对空气质量、人体健康和生态系统有着直接危害。虽然这些污染物主要集中在北半球陆地地区,但是它们通过气候系统的反馈作用能够对区域和全球天气气候产生深远影响。热带气旋大多生成于远离陆地的低纬度海洋上,发展增强后在太平洋被称为“台风”,在大西洋的被称为“飓风”,是地球上最具破坏力的自然灾害之一。这些集中在陆地排放的人为气溶胶是否会对全球热带气旋数量的分布产生影响呢?

近日,大气科学学院曹剑副研究员、赵海坤教授联合夏威夷大学Wang Bin教授和复旦大学吴立广教授发表在《Nature Communications》(2019年影响因子为12.121)的最新研究结果表明,近一个世纪来集中于北半球陆地排放的人为气溶胶显著减少了北半球热带气旋的数量,但增加了南半球热带气旋的数量(图1)。换句话说,未来各国清洁空气行动计划的实施可能会导致未来北半球热带气旋数量及其灾害减轻,南半球热带气旋灾害增加。

气溶胶通过阻挡太阳辐射以及与云的相互作用减少到达地表的太阳辐射,在冬季和夏季均能够明显给北半球降温,但是对南半球的降温作用却比较弱。因此形成了“北半球冷-南半球暖”的温度差异,并且会在夏季加大热带到北半球副热带之间的温度差异,减小冬季热带到南半球副热带之间的温度差异。如图2,在北半球热带气旋主要活跃于夏季(7-10月),“北半球冷-南半球暖”的温度差异产生了北半球近地面高气压异常、南半球近地面低气压异常,驱动了北半球低层大气中异常的东南风及向南半球的越赤道气流,明显减弱热带气旋活跃海区的水汽辐合和垂直上升运动。在高层,由南半球向北的越赤道补偿气流由于地球偏转的作用产生了西风异常,从而加强垂直风切变。因此,加强的垂直风切变和减弱的上升运动均恶化了北半球热带气旋的生成环境,导致了北半球热带气旋数量减少。

冬季(1-4月)是南半球热带气旋活跃的季节,气溶胶导致的海表面温度表现为近赤道地区冷,热带外地区暖的空间特征,减弱近赤道地区降水却增强了热带气旋活跃区的对流活动(图3)。旺盛的热带对流为热带气旋的发生发展提供了必要条件之一。另外,近赤道地区降水的减少可使高层大气加热减弱,减小了高层赤道与极地地区的温差,显著减弱高层西风急流,形成了促进热带气旋发生发展的另一重要环境条件,即:较弱的垂直风切变。二者共同促进南半球热带气旋的生成发展。

可见,气溶胶作用下在南北方向形成的南北半球温度差异和半球内的温度梯度,是抑制北半球热带气旋数量和增加南半球热带气旋数量的本质原因。与此同时,以往研究发现了经向上的海温梯度能够改变Hadley环流和热带辐合带(ITCZ)的位置。正因如此,Hadley环流和热带辐合带的变化常常被用于解释全球热带气旋活动的变化。事实上,不论是热带气旋环境场的改变还是Hadley环流、热带辐合带的变化,均是气溶胶所导致的南北方向上海温非均匀变化的两个方面。所以说,从海温驱动热带气旋活动相关的大气环境场变化的角度出发,才能更好的理解气溶胶等外强迫作用下全球热带气旋活动变化的物理过程。

这项研究结果对理解过去几十年中较为稳定的全球热带气旋数量和预估未来全球热带气旋数量有重要意义。气溶胶作为仅次于温室气体的人为强迫,虽然能够起到显著降低全球降水和全球温度的作用,却通过调节南北半球之间热带气旋的数量,使全球热带气旋总数量相对稳定。未来清洁能源大力推广,虽然可能不会改变全球热带气旋总数量,却能够分别调整南半球和北半球的热带气旋活动,影响未来热带气旋灾害的预估。

 

       图1 人为气溶胶作用下全球热带气旋数量的变化。(a)Emanuel-Nolan发展的热带气旋数量指数。(b)动力热带气旋数量指数。

 

       图2 人为气溶胶作用下夏季(7-10月)海温场和大气环流的改变。黑色箭头表示风场变化,侧面黑色等值线为气候态垂直运动,红色箭头为经圈环流异常。

       图3 人为气溶胶作用下冬季(1-4月)海温场和大气环流的改变。黑色箭头表示风场变化,侧面黑色等值线为气候态垂直运动,红色箭头为经圈环流异常。

 

参考文献:

Cao, J. H. Zhao, B. Wang, L. Wu, 2020: Hemisphere-asymmetric tropical cyclones response to anthropogenic aerosol forcing. Nature communications. 12:6787 https://doi.org/10.1038/s41467-021-27030-z.

 

 

 

 

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