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王会军院士团队在《National Science Review》发文揭秘华北超级沙尘暴

2021-09-09来源:气象与环境联合研究中心作者:尹志聪 段明铿作者(文):作者(图): 发布: 责编:林雯访问量:1161

2021年春季,在华北地区已经消失了十几年的强沙尘暴再次出现。

3月14-17日,强沙尘暴天气影响范围超过380万平方公里,北京部分站点的PM10浓度超过7000微克/立方米,能见度仅有几百米,给人民生活、交通运输和生态环境带来了严重的威胁。

气候系统预测基础科学中心(CCSP/NSFC)王会军院士团队在《National Science Review》发表题为“Why super sandstorm 2021 in North China?”的研究论文,对此次华北超级沙尘暴的天气-气候成因进行揭秘。论文作者包括王会军院士(通讯作者),中心骨干成员、大气科学学院教授尹志聪(第一作者)以及两位研究生。

北极海冰的变化能够驱动大气环流异常来影响欧亚的冬春季气候。对观测资料和CMIP6数据进行SVD分析,发现11-12月偏少的巴伦支海和喀拉海海冰(BKSI)能够引起局地位势高度增加和乌拉尔阻高及东亚大槽的增强,伴随的异常北风将极地的冷空气向南输送从而导致蒙古国(沙源地)前冬温度降低;而1-2月的正海冰异常引起大尺度环流的纬向分布,冷空气被限制在西西伯利亚及东欧平原无法移动,蒙古国处于异常高压控制下,后冬温度升高。除了北极海冰异常外,9-11月的拉尼娜和11-1月的西北太平洋正海温异常也是相关的前期强迫因子。拉尼娜事件发生后,东亚冬季风显著增强,蒙古国周围水汽通量易辐散,会造成降水的减少。而西北太平洋海温升高,会通过激发罗斯贝波列来引起极涡减弱和乌拉尔阻高的增强,从而加强东亚冬季风导致蒙古国冬季降水的减少。

在前冬期间,沙源地的大气温度(SAT)和土壤温度持续偏低(1979年以来最低)。与此相反,在后冬期间,SAT和土壤温度都持续偏高(1979年以来最高)。在前、后冬,沙源地的SAT异常值(相对于近10年平均)分别为-3.9℃和4.1℃。前期低温会导致更深的冻土层,后期温度升高,土壤解冻后失墒较快,土质变得更加疏松。同时,整个冬季沙源地降水偏少,为10年内第二少。后冬融雪偏强,这不仅不能抵消降水不足和强烈地面蒸发导致的土壤干化,又使地表变得更为裸露。同时,地面植被覆盖情况也达到1979年来最差,一遇大风,浮尘就会随风而起,极易产生沙尘或沙尘暴。

3月14日,近10年来最强的蒙古气旋生成,并在随后几天继续发展加强。西风动量下传使地面风速急剧增大,沙源地风速达到25m/s,从而扰动了干燥松散的地表沙尘颗粒。随后,气旋前的上升气流将沙尘颗粒抬升至对流层。随着蒙古气旋的移动加强,冷平流携带了大量的沙土颗粒向华北地区移动。到了3月15日09时,对流层西风动量向下输送到地面,造成地面的强阵风,北京地区风速达到15m/s,在华北区发生超级沙尘暴天气。

王会军院士指出,不同圈层的(如大气/海洋/陆地/冰冻圈等)、不同时间尺度的(季节内/季节/年际/年代际时间尺度等)、不同种类的极端天气气候事件(如春季强沙尘暴与冬季寒潮、暖潮)之间存在紧密的联系;人类活动也对极端天气气候事件产生了显著影响。这都在很大程度上加大了气候预测的难度,使之成为地球科学领域一项真正的挑战。

为了深入理解气候的可预测性、改进气候预测,在国家自然科学基金基础科学中心项目的资助下,气候系统预测研究中心(CCSP)聚焦与气候预测紧密相联的三个重要科学难题:ENSO动力学及预测、延伸期天气预报、年际-年代际气候预测。对这些科学问题取得关键性突破有助于显著提高气候预测水平,从而为气象灾害防御、生态文明的可持续发展、气候变化应对提供重要科技支撑。

前期气候强迫因子影响2020/21年沙源地气候异常的示意图:北极海冰异常逆转导致沙源地前冷后暖,东太平洋冷海温和西北大西洋暖海温导致沙源地降水偏少

沙源地的气候条件:(a)2米气温和各层土壤温度;(b)降水异常;(c)累积融雪

CCSP研究工作框架(Wang et.al., 2021, https://doi.org/10.1016/j.aosl.2021.100115)

论文资讯及链接:

Yin, Z. C., Wan, Y., Zhang, Y. J., Wang, H. J.#, 2021. Why super sandstorm 2021 in North China, National Science Review, https://doi.org/10.1093/nsr/nwab165

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