2019年度云南省科學技術獎自然科學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)的災害效應

云南大學 中國科學院大氣物理研究所 云南省氣象科學研究所

印度洋-太平洋的海氣相互作用通過影響印度季風和東亞季風進而調控著位于其北側的中國低緯高原區(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，進而產生顯著的災害效應，引起巨大的生態(tài)災難、經濟損失和人員傷亡。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)災害效應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)的氣候預測水平、增強防災減災救災能力，為云南加快建成面向南亞東南亞的輻射中心提供科學支撐，具有顯著的應用價值。在國家自然科學基金委員會-云南省政府聯合基金重點（U0933603）等項目的支持下，項目組通過資料診斷、理論分析和數值模擬相結合的綜合研究方法，系統開展了相關研究，取得了如下一系列重要科學發(fā)現：

1）針對東亞季風系統提出以來，長期存在爭議的印度夏季風和東亞夏季風分界的重大科學問題，引入具有守恒屬性的物理量：假相當位溫，在定義印度夏季風和東亞夏季風交界面處于假相當位溫緯向一階導數為零處的基礎上（圖1），率先定量化地確定了印度夏季風和東亞夏季風交界面（圖2）；建立了印度夏季風和東亞夏季風交界面指數；揭示了①印度夏季風與東亞夏季風的分界不能逾越高黎貢山，哀牢山系對兩支季風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交界面位置變化的關鍵外部熱力強迫因素，③印度夏季風和東亞夏季風交界異常與東亞夏季降水關系密切（圖3）；回答了印度、東亞兩季風交界面形成和變異的重大科學問題[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和東亞夏季風交界的位置

圖3 平均印度夏季風和東亞夏季風交界指數與亞洲夏季降水的關系

2）綜合考慮東西向和南北向熱力差異，構建了新的東亞冬季風強度指數（圖4），揭示出印太海氣相互作用影響東亞冬季風異常的關鍵物理過程。發(fā)現南北向熱力梯度與東西向熱力梯度對東亞冬季風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)出中緯度遙相關波列，進而影響東亞冬季風，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異常（圖5）[5-7]。

圖4 新的東亞冬季風強度指數構建概念圖

圖5 新的東亞冬季風強度指數與東亞溫度的關系

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測低緯高原區(qū)汛期降水的強信號之一，突破了全球最強的ENSO 信號在預測低緯高原區(qū)汛期降水失效的瓶頸。發(fā)現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系呈現更加密切的正相關關系，與低緯高原地區(qū)夏季降水呈現東西反向的蹺蹺板關系。這種海溫梯度異常信號一直可以從前一年的秋季持續(xù)到當年的夏季，無春季預報障礙，可以用來作為預測東亞地區(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系

四、建立了低緯高原斜坡地質災害氣象預報預警空間數據庫，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，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：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)的滑坡泥石流災害發(fā)生有40%左右的貢獻[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平面

研究成果發(fā)表在Journal of Climate，Journal of Geophysical Research-Atmospheres，Climate Dynamics 等國內外頂級期刊上。發(fā)表的30 余篇論文中，13 篇SCI 論文累計因子達到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；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)務單位內得到示范應用，延長了預報時效，提高預報準確率。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 月降水出現了偏少的情況，進一步驗證了南印度洋副熱帶偶極子在預報云南夏季降水中的可靠性。隨著項目的實施完成，項目組1 人入選云南省“高層次人才培養(yǎng)支持計劃”(“云嶺學者”專項)，2 人晉升高級職稱，培養(yǎng)了博士生7 名，其中獲得博士學位3 名；培養(yǎng)了碩士生21 名，其中獲得碩士學位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