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作者:周天軍等 來源:《科學進展》 發布時間:2021/6/10 17:32:00
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科學家揭示青藏高原降水年代際可預報性

 

年代際氣候預測系統對青藏高原夏季降水多年平均變化的集合預測及其與觀測的對比(中科院大氣物理研究所供圖)

近期氣候變化預測,又稱“近期年代際氣候預測”,是指對未來2-10年的多年平均的氣候異常狀態進行預測,被“世界氣候研究計劃”(WCRP)列為七大科學挑戰問題之一。因其在水資源方面的重要性,青藏高原是科學界重點關注的研究區域,未來10年青藏高原的降水如何變化是眾所關注的問題。

6月10日,中國科學院大氣物理研究所周天軍研究團隊在《科學進展》在線發表文章,利用最新的多模式年代際氣候預測系統大集合樣本氣候預測結果,通過剔除不可預測的氣候噪音、提取可預測的氣候信號,在國際上首次揭示了青藏高原夏季降水的年代際可預報性。該成果對于亞洲水塔周邊地區的水資源調控、經濟和社會的可持續發展,以及科學應對青藏高原氣候變化風險具有重要參考價值。

利用參加第六次“國際耦合模式比較計劃”(CMIP6)的“年代際氣候預測計劃”(DCPP)的多模式歷史氣候回報數據,周天軍研究團隊發現DCPP多模式對位于青藏高原腹地的羌塘高原夏季降水的年代際預測結果存在顯著的“信噪比悖論”問題,即年代際氣候預測系統中的信噪比要低于現實世界。該問題的存在,令氣候模式中的可預測信號被較強的、不可預測的氣候噪音所掩蓋,使得青藏高原夏季降水的年代際可預報性被低估。而基于多模式大集合氣候預測試驗的集合平均預測結果,能夠有效地剔除模式中不可預測的噪音,從而成功提取到可預測的信號。

針對回報結果時間演變位相與實際相符而振幅偏弱的問題,他們提出了一種兼顧長期變化趨勢與年代際振蕩信號的“方差訂正”技術,使得預報結果在位相和振幅上都與觀測高度吻合。進一步研究發現,羌塘高原夏季降水年代際變化的可預報性來源是北大西洋副極區渦旋區的海溫異常,它通過激發出的大氣遙相關波列,最終影響到下游的青藏高原降水變化。

利用實時年代際預測試驗數據,該團隊定量估算了羌塘高原夏季降水未來在2020-2027年間的變化。結果表明,相對于1986-2005年的氣候平均態,羌塘高原夏季降水將增加0.27 mm/day (0.11-0.41 mm/day, 5%-95%不確定性),這意味在可見的未來羌塘高原將處于偏濕狀態、夏季降水量較之氣候平均狀況偏多約12.8%。

“面向未來10年的近期氣候變化信息,對國家中長期決策具有重要的科學參考價值。前人多利用僅考慮不同排放情景的氣候預估試驗,來分析這一時段氣候的可能變化。但是在這個時間段,氣候系統內部變率和海洋熱慣性的影響不亞于、甚至要遠超溫室氣體等外強迫的作用,這使得氣候預估結果的表現是噪音大于信號。”該文第一作者、中國科學院大氣物理研究所博士生胡帥說,該研究考慮了海洋初始化的年代際氣候預測系統,是提供近期氣候變化信息的最有效的工具。該工作表明,只要多模式集合樣本的大數據足夠,再輔以有效的方差訂正技術,科學家有能力對青藏高原這一氣候敏感區的未來近10年氣候進行較為可靠的預測。

“近期年代際氣候變化預測具有迫切的應用需求,世界氣象組織(WMO)已經開始籌劃準業務化試驗。揭示青藏高原夏季降水的年代際可預報性是該領域的一個可喜進展,但是針對年代際預報問題,我們在科學和技術上仍面臨著諸多亟待解決的難題。”該文通訊作者周天軍強調。

周天軍表示,在科學上,當前有效的海溫年代際預報技巧多限于大西洋,在太平洋的技巧較低,而其中的物理機理尚不清楚。在技術上,開展年代際氣候預測試驗需要大量的高性能計算資源和存儲資源,受資源所限,當前國際上的年代際預測試驗大多僅能提供未來10年的預測信息。提升年代際預報的能力,尚需要國際科學界的攜手努力。

該研究工作受中國科學院“絲路環境”戰略先導項目、國家自然科學基金共同資助。(來源:中國科學報 崔雪芹)

相關論文信息:http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abf9395

 
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