兰州大学：胡淑娟—三维大气环流分型的极端气候事件动力学研究新进展

近年来, 极端气候事件频繁发生, 对生态系统、人类健康及全球经济造成了深远的影响。除了全球变暖引发的整体升温之外, 局地三维大气环流异常的动力调控机制也在极端事件的发生发展与强度变化中扮演了至关重要的角色。然而, 当前研究在局地三维大气环流的空间结构及其异常动力机制方面仍显不足。为此, 本文系统梳理了基于全球大气环流三型分解理论的极端气候事件三维环流动力学研究进展，从极端高温、极端降水及寒潮等事件入手, 揭示了局地水平型、经圈型和纬圈型环流对极端事件发生发展的关键调控作用。

本文指出, 从与极端事件密切相关的主导大气环流型出发, 来开展相应的环流动力学研究, 能够有效识别并提取对极端气候事件具有物理意义和预报意义的外强迫因子。现有研究已建立了一套较为成熟的基于全球大气环流三型分解理论的极端事件三维动力学研究理论框架。该理论框架不仅将极端事件特征与主导大气环流型相结合, 还能通过环流分解的动力学与热力学方程组识别与极端事件相关的关键气候变量及三维大气环流非线性相互作用过程, 这既有助于理解极端事件形成机制和发展过程, 也为气候模式的改进和预测提供了重要理论基础, 对未来极端事件的大气环流动力学研究具有深远影响。

结论及展望

通过对全球大气环流三型分解模型和动力学方程组理论的介绍, 及该理论在极端降水、极端高温和寒潮等极端天气气候事件中的应用, 我们更加深刻地认识到深入剖析三维大气环流异常空间模态是开展极端气候事件动力学研究的前提。值得一提的是, 由于全球大气环流三型分解方法是针对实际大气环流的三维环流分解方法, 其分解得到的水平型、经圈型和纬圈型环流分别是中高纬度具有代表性的Rossby波和热带低纬度Hadley环流和Walker环流在全球范围内的推广。因此，该理论模型及其与动力学、热力学方程组的结合能够有效地定量化表达中高纬度和低纬度外强迫信号对极端气候事件的协同作用。与传统的多元线性回归等统计学方法不同, 这种定量化是基于动力学角度开展的, 包含了实际的物理机制过程。因此, 该理论为极端气候事件的动力学研究提供了新的探索思路和理论方法。

需要指出的是, 尽管本文介绍的理论研究方法已经在诸多极端气候事件个例中得到了较好应用, 例如, 2018年夏季东北亚高温, 2020和2021年夏季东亚极端降水, 2022年东亚夏季高温等, 并初步建立了一套相对成熟的理论研究框架, 但由于研究方法和研究思路等因素的限制, 在三维环流相互作用、不同时空尺度环流型与极端事件特征的关系, 以及极端天气气候事件的预测研究方面仍然存在很多亟需开展和解决的科学问题。主要包括以下几个方面。

(1)针对现有的观测资料, 如何更加全面有效地依据主导大气环流型开展极端气候事件的分类研究。尽管目前我们已经对一些具体的事件通过分析其主导环流模态, 将其归纳为“水平-经圈型”或“水平-纬圈型”, 但是这种归纳仍不够系统. 倘若能够从历史观测中全面地识别极端气候事件, 并依据主导环流型将其分类开展动力学研究, 这将更加有利于我们理解极端气候事件特征与其主导环流型之间的联系, 将极端气候事件特征转化为三维环流特征, 最终将难以预报预测的极端气候问题转变为对三维大气环流场的预测。这对于提高极端气候事件预报预测能力是十分必要的。

(2)目前基于全球大气环流三型分解模型开展极端气候事件动力学研究, 主要是从三维环流特征以及相关的动力诊断分析的视角进行的。在寻找导致主导环流型异常的外强迫因子方面, 怎样更加系统地揭示海温、积雪等外强迫因子调控主导环流的物理过程, 是现有研究十分缺乏且又亟待解决的问题。只有弄清楚相应的海-气相互作用、陆-气相互作用以及波-流相互作用过程, 才能进一步加深我们对整个极端气候事件发生发物理机制的深刻认识。

(3)目前的动力学研究缺乏对与极端气候事件相联系的三维涡度异常的诊断分析。依据三型环流分解的动力学理论框架, 三维涡度方程能够反映温度梯度以及三维环流非线性作用对实际大气运动的调控, 这对于大气动力学以及极端事件的研究具有重要的科学意义。因此, 在今后的研究中, 我们不仅要从垂直相对涡度、经向相对涡度和纬向相对涡度演变的视角出发去揭示与极端气候事件相关的三维大尺度大气环流演变机制, 而且要进一步对三维相对涡度方程组进行环流分解, 给出大尺度环流异常的非线性源项过程, 并定量化表达全球变暖导致的非均匀增温所引起的温度梯度对大气环流异常的影响。以上研究的开展将有利于对极端气候事件发生发展的物理机制研究。

(4)目前的研究仅有基于全球大气环流三型分解理论的极端气候事件动力学研究结论, 缺乏对实际极端天气气候事件预测方面的应用, 未来需要加快理论成果向业务预测的转化。首先, 利用三型环流分解理论揭示的外强迫信号具有明确的环流动力学意义, 能够应用于相应的极端气候事件预报预测当中; 其次, 基于三型环流分解得到的环流模态, 方便开展基于主导环流型的极端事件划分, 可以更准确地捕捉到三维大气环流的关键动力学特征, 对于提升极端事件的预报预测效果至关重要; 最后, 依据主导环流型的极端事件动力学分析, 可以为发展更先进的天气气候预报模式提供重要的动力学信息。以上研究的开展可能会为提高模式对极端事件的预报预测能力提供重要支撑。

(5) 在未来气候变化情境下, 全球气候系统将经历一系列变化或转折, 这将导致局地和全球尺度上的大气环流会发生相应的调整响应。利用全球大气环流三型分解模型, 从局地及全球整体的视角揭示环流系统的相关变化, 评估各类大气环流模态在未来气候中的变化趋势, 不仅能够揭示大气环流在未来几十年或更长时间尺度上的演变特征, 还能为精确预测区域气候变化提供理论依据。总之, 新理论方法的应用, 有助于我们了解全球气候变暖或气候变化背景下, 极端天气气候事件、降水及温度变化等趋势, 为防灾减灾政策、气候适应及减缓策略制定提供科学支撑。

综上所述, 本文首先介绍了全球大气环流三型分解模型及其相关的动力学和热力学方程组理论, 并简要介绍了其物理意义及相关动力诊断方法; 其次, 针对近年来发生在我国东部乃至东亚的极端天气气候事件个例, 分析了不同事件所对应的三维大气环流空间结构差异, 揭示了相关的主导大气环流模态; 进而, 通过对不同极端天气气候事件的动力诊断分析, 揭示了导致极端天气气候事件的外强迫因子及其物理机制过程; 最后, 提出了全球大气环流三型分解理论在极端天气气候事件动力学研究中存在的不足和挑战, 如三维大气环流的非线性作用以及如何将理论成果应用于实际极端事件的预报预测等. 本文倡导加强对全球大气环流三型分解理论模型的应用, 并结合新技术和新方法, 以提高气候预报的准确性和可靠性. 同时, 强调理论成果向实际业务应用转化, 以综合应对气候变化带来的多重影响, 推动可持续发展与气候适应策略的实施。

引用本文

胡淑娟, 彭建军, 周冰倩, 等. 三维大气环流分型的极端气候事件动力学研究新进展. 科学通报, 2025, 70: 6110–6122

Citation

Hu S, Peng J, Zhou B, et al. Recent advances in the dynamics of extreme climate events driven by three-dimensional atmospheric circulation patterns (in Chinese). Chin Sci Bull, 2025, 70: 6110–6122, doi: 10.1360/TB-2024-1153

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