季風(fēng)區：全球2/3的人都生活在這兒

季風(fēng)（monsoon）是由太陽(yáng)輻射的年循環(huán)、海陸分布、大陸地形等因素造成的，以一年為周期的大范圍對流現象。

全球陸地季風(fēng)區降水充沛，全球約三分之二的人口生活在該區域，是全球人口最密集的地區之一。根據濕季降水與干季降水之差、濕季降水占全年比例，全球季風(fēng)區通常被劃分為六個(gè)子季風(fēng)區，包括北半球的北美季風(fēng)區、北非季風(fēng)區和亞洲季風(fēng)區，以及南半球的南美季風(fēng)區、南非季風(fēng)區和澳洲季風(fēng)區。

季風(fēng)降水異常伴隨出現的旱澇災害對社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展有重大影響，季風(fēng)降水的未來(lái)預估對水資源規劃、旱澇風(fēng)險規避和政策制定有重要意義。

圖1  陸地季風(fēng)區降水和環(huán)流。紅線(xiàn)包圍區域：陸地季風(fēng)區；填色：北半球夏季和冬季降水之差超過(guò)2mm/day，綠色為正值，黃色為負值；風(fēng)矢量：北半球夏季和冬季850hPa風(fēng)場(chǎng)之差。

溫室氣體、氣溶膠、海洋溫度等，都會(huì )影響季風(fēng)區的降水和環(huán)流

科學(xué)家發(fā)現，全球季風(fēng)區的降水變化在不同時(shí)間尺度上受到多個(gè)因素的調控。包括溫室氣體、氣溶膠排放、下墊面變化等在內的外強迫作用，以及海氣耦合系統的內部變率等等，都會(huì )影響季風(fēng)降水和環(huán)流的變化。

例如，人為氣溶膠排放的不均勻，會(huì )引起南北半球能量不平衡，從而引起熱帶經(jīng)圈翻轉環(huán)流的減弱，進(jìn)一步導致北半球季風(fēng)區降水的減少。這就是20世紀后半葉南亞季風(fēng)區降水減少，以及東亞夏季風(fēng)環(huán)流減弱的原因。

相反，溫室氣體的增多會(huì )引起飽和水汽壓升高、地表蒸發(fā)增強，這有利于大氣中的水汽含量增多、季風(fēng)降水增強。此外，科學(xué)家也指出了北大西洋、熱帶太平洋和印度洋海溫變化對子季風(fēng)區降水的影響。

想要預估季風(fēng)區降水的未來(lái)變化，需要理解影響季風(fēng)區降水歷史變化的關(guān)鍵影響因子，以及它們的相對貢獻。其中對短期預估而言，內部變率對季風(fēng)降水的影響尤為重要。

海洋溫度如何調控季風(fēng)降水？

20世紀以來(lái)，觀(guān)測證據表明全球陸地季風(fēng)區降水有顯著(zhù)的年代際變化，1901-1955年季風(fēng)降水顯著(zhù)增加，隨后至1990年季風(fēng)降水顯著(zhù)減少，這主要由北半球季風(fēng)區降水變化主導。

近日，中國科學(xué)院大氣物理研究所揭示了熱帶太平洋和北大西洋海溫變化對20世紀全球季風(fēng)降水年代際變化的調控作用。

　　圖2 北半球陸地季風(fēng)區在兩個(gè)時(shí)段降水變化情況。綠色為增多，黃色為減少。

研究團隊利用歷史觀(guān)測海溫驅動(dòng)的大氣環(huán)流模式結果和理想海溫試驗，指出了海溫對季風(fēng)降水年代際變化的調控作用。研究表明，歷史海溫驅動(dòng)的大氣環(huán)流模式可以再現觀(guān)測20世紀季風(fēng)區降水的年代際變化。

季風(fēng)降水的年代際變化，主要由與大氣環(huán)流變化有關(guān)的水汽垂直輸送項的動(dòng)力項所主導，與水汽含量變化有關(guān)的水汽垂直輸送項的熱力項在兩個(gè)時(shí)段均有利于季風(fēng)區降水增多。換句話(huà)說(shuō)，季風(fēng)降水呈現出“先增加后減少”的年代際變化，主要是由環(huán)流場(chǎng)的變化引起的。其中，北半球季風(fēng)環(huán)流的增強及Walker環(huán)流的增強與季風(fēng)降水增加直接相關(guān)，反之亦然。

而大氣環(huán)流場(chǎng)的年代際變化，則主要受熱帶太平洋和北大西洋海溫的調控作用。結合理想海溫試驗的結果，研究表明，當北大西洋呈暖海溫異常時(shí)，或赤道東太平洋呈冷海溫異常、副熱帶西太平洋呈暖海溫異常時(shí)，海洋能夠通過(guò)加熱上空大氣，引起熱帶地區和季風(fēng)區對流層的溫度差。這就有利于對流層厚度的經(jīng)向梯度增大、季風(fēng)環(huán)流增強，有利于更多水汽輸送至季風(fēng)區，最終引起了季風(fēng)降水的增多。

這一工作的價(jià)值之一在于，對內部變率如何影響季風(fēng)降水的年代際變化有了更清晰的認識，為季風(fēng)降水的短期預估提供了寶貴的信息。

圖3  北大西洋和熱帶太平洋海溫異常對全球季風(fēng)降水年代際變化的調控作用。下圖中綠色填充區域為北半球季風(fēng)區。

相關(guān)研究近期發(fā)布于Journal of Climate。