2019年度云南省科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎一等獎成果印太暖池海氣相互作用及其在低緯高原區(qū)的災(zāi)害效應(yīng)

云南大學(xué) 中國科學(xué)院大氣物理研究所 云南省氣象科學(xué)研究所

印度洋-太平洋的海氣相互作用通過影響印度季風(fēng)和東亞季風(fēng)進(jìn)而調(diào)控著位于其北側(cè)的中國低緯高原區(qū)的天氣氣候。印太暖池區(qū)海氣相互作用的異常往往造成低緯高原區(qū)天氣氣候的異常，進(jìn)而產(chǎn)生顯著的災(zāi)害效應(yīng)，引起巨大的生態(tài)災(zāi)難、經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，開展印度洋-太平洋地區(qū)海氣相互作用變異及其在低緯高原區(qū)災(zāi)害效應(yīng)研究一方面可以深化對我國和東亞地區(qū)的氣候變異規(guī)律的理解，具有重要的科學(xué)研究意義；另一方面可通過提高我國低緯高原地區(qū)的氣候預(yù)測水平、增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，為云南加快建成面向南亞東南亞的輻射中心提供科學(xué)支撐，具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。在國家自然科學(xué)基金委員會-云南省政府聯(lián)合基金重點(diǎn)（U0933603）等項(xiàng)目的支持下，項(xiàng)目組通過資料診斷、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合研究方法，系統(tǒng)開展了相關(guān)研究，取得了如下一系列重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)：

1）針對東亞季風(fēng)系統(tǒng)提出以來，長期存在爭議的印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)分界的重大科學(xué)問題，引入具有守恒屬性的物理量：假相當(dāng)位溫，在定義印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界面處于假相當(dāng)位溫緯向一階導(dǎo)數(shù)為零處的基礎(chǔ)上（圖1），率先定量化地確定了印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界面（圖2）；建立了印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界面指數(shù)；揭示了①印度夏季風(fēng)與東亞夏季風(fēng)的分界不能逾越高黎貢山，哀牢山系對兩支季風(fēng)交互影響的阻隔作用明顯但并不是它們的地理分界線，②印太海氣相互作用是決定兩季風(fēng)交界面位置變化的關(guān)鍵外部熱力強(qiáng)迫因素，③印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界異常與東亞夏季降水關(guān)系密切（圖3）；回答了印度、東亞兩季風(fēng)交界面形成和變異的重大科學(xué)問題[1-4]。

圖1 20°-30°N，90°-110°E多年平均夏季的三維空間分布

圖2 近地等壓面層多年平均印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界的位置

圖3 平均印度夏季風(fēng)和東亞夏季風(fēng)交界指數(shù)與亞洲夏季降水的關(guān)系

2）綜合考慮東西向和南北向熱力差異，構(gòu)建了新的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)（圖4），揭示出印太海氣相互作用影響東亞冬季風(fēng)異常的關(guān)鍵物理過程。發(fā)現(xiàn)南北向熱力梯度與東西向熱力梯度對東亞冬季風(fēng)形成和變異的作用同等重要，印度洋和海洋大陸地區(qū)的海溫對南北向熱力梯度的形成起著關(guān)鍵作用；印度洋海溫通過改變輻散環(huán)流后激發(fā)出中緯度遙相關(guān)波列，進(jìn)而影響東亞冬季風(fēng)，最終使得包括中國低緯高原區(qū)的整個東亞冬季氣溫出現(xiàn)異常（圖5）[5-7]。

圖4 新的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)構(gòu)建概念圖

圖5 新的東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)與東亞溫度的關(guān)系

3）率先判識出春季南印度洋副熱帶偶極子是年際尺度上預(yù)測低緯高原區(qū)汛期降水的強(qiáng)信號之一，突破了全球最強(qiáng)的ENSO 信號在預(yù)測低緯高原區(qū)汛期降水失效的瓶頸。發(fā)現(xiàn)春季南印度洋副熱帶偶極子通過影響印度洋海區(qū)跨赤道輻散環(huán)流最終導(dǎo)致了低緯高原區(qū)汛期降水的異常，易引發(fā)旱澇及次生災(zāi)害（圖6-圖9）[8]。提出了春季印度洋-太平洋海表溫度梯度影響東亞夏季降水的物理過程。發(fā)現(xiàn)相比冬季的ENSO 信號而言，印度洋-太平洋海表溫度梯度與長江流域、韓國和日本中南部夏季降水關(guān)系呈現(xiàn)更加密切的正相關(guān)關(guān)系，與低緯高原地區(qū)夏季降水呈現(xiàn)東西反向的蹺蹺板關(guān)系。這種海溫梯度異常信號一直可以從前一年的秋季持續(xù)到當(dāng)年的夏季，無春季預(yù)報(bào)障礙，可以用來作為預(yù)測東亞地區(qū)夏季降水異常的新因子（圖10）[9]。

圖6 奇異值分解的低緯高原夏季降水第一模態(tài)空間分布

圖7 奇異值分解的海表溫度第一模態(tài)空間分布

圖8 奇異值分解的925hPa風(fēng)場第一模態(tài)空間分布

圖9 奇異值分解第一模態(tài)的時間序列

圖10 印度洋-太平洋海表溫度梯度與東亞夏季降水的關(guān)系

四、建立了低緯高原斜坡地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警空間數(shù)據(jù)庫，并率先引入非線性理論研究了低緯高原區(qū)滑坡泥石流的中長期演變（圖11），厘清了人類活動和氣候變率在低緯高原區(qū)滑坡泥石流中長期演變中的相對貢獻(xiàn)，揭示了不同排放情景下低緯高原區(qū)滑坡泥石流的未來演變趨勢（圖12）。發(fā)現(xiàn)：低緯高原區(qū)滑坡泥石流中長期演變中存在的突變和漸變兩種形式主要受人類活動影響，降水異常對低緯高原區(qū)的滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生有40%左右的貢獻(xiàn)[10-12]。

圖11 低緯高原區(qū)滑坡中長期演變的月尖突變模型

圖12 低緯高原區(qū)滑坡中長期演變投影到控制參數(shù)平面

研究成果發(fā)表在Journal of Climate，Journal of Geophysical Research-Atmospheres，Climate Dynamics 等國內(nèi)外頂級期刊上。發(fā)表的30 余篇論文中，13 篇SCI 論文累計(jì)因子達(dá)到43.7；20 篇核心論文被Web of Science 引用282 次，其中他引220 次；獲得國家發(fā)明專利1 項(xiàng)；研究成果還在國家氣候中心，云南省氣候中心、重慶市氣候中心等氣象局業(yè)務(wù)單位內(nèi)得到示范應(yīng)用，延長了預(yù)報(bào)時效，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。例如，2019 年春季南印度洋副熱帶偶極子是正位相年（圖13），同年云南6-8 月降水出現(xiàn)了偏少的情況，進(jìn)一步驗(yàn)證了南印度洋副熱帶偶極子在預(yù)報(bào)云南夏季降水中的可靠性。隨著項(xiàng)目的實(shí)施完成，項(xiàng)目組1 人入選云南省“高層次人才培養(yǎng)支持計(jì)劃”(“云嶺學(xué)者”專項(xiàng))，2 人晉升高級職稱，培養(yǎng)了博士生7 名，其中獲得博士學(xué)位3 名；培養(yǎng)了碩士生21 名，其中獲得碩士學(xué)位12 名。

圖13 2019年春季海溫距平分布

圖14 2019年6-8月降水距平百分率