工業(yè)革命以來隨著人為溫室氣體排放的增加, 北半球夏季熱浪愈加頻發(fā)[1,2], 同時土壤也出現(xiàn)明顯的變干趨勢[3], 熱浪頻發(fā)和土壤變干并發(fā)這一特征在北半球中緯度的北美西部、東歐和東北亞尤為顯著[4~9], 給當?shù)鼐用窈蜕鷳B(tài)系統(tǒng)的敏感性和適應性帶來了巨大風險[10~12]. 過去研究主要強調了區(qū)域尺度上土壤濕度虧缺對熱浪強度的局地放大作用[7,13,14], 而很少從全球視野來深入探討土壤變干與熱浪之間的物理聯(lián)系.

日前, Zhang等人[15]在 Nature Climate Change 上的一項研究, 利用伯克利地球地表氣溫觀測數(shù)據(jù)(BEST)和歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析資料(ERA5)對20世紀80年代以來北半球熱浪頻發(fā)中心(熱點區(qū))的空間變化特征進行了分析. 該研究表明, 北半球中緯度的夏季熱浪熱點區(qū)在20世紀90年代末期發(fā)生了一次系統(tǒng)性西移, 從北美東部、中亞和東西伯利亞整體往西移動到北美西部、東歐和東北亞. 熱浪中心空間格局的這種變化可以被中緯度強振幅行星5波的系統(tǒng)性西移所解釋: 在20世紀90年代末期, 強振幅行星5波的“鎖相”(即至少有50%的行星波發(fā)生在其四分之一波長的區(qū)間內)位置向西偏移了約7°, 這導致原位于北美東部、中亞和東西伯利亞的陸地高壓西移到了北美西部、東歐和東北亞上空, 使得上述三地成為新的熱浪熱點區(qū).

該項研究進一步著重探討了土壤濕度-大氣耦合對中緯度熱浪熱點區(qū)空間分布變化的影響. 在全球變暖的作用下, 北美西部、東歐和東北亞的土壤變干趨勢顯著, 同時對應著20世紀90年代末上述三地的土壤濕度-大氣耦合強度明顯增強. 統(tǒng)計結果表明, 當北美西部、東歐和東北亞三地前期陸-氣耦合強度偏強時, 20世紀90年代末期之后強振幅行星5波的陸地高壓在上述三地發(fā)生的概率是前期陸-氣耦合強度偏弱時的39倍, 這一倍數(shù)遠遠大于20世紀90年代末期之前的4倍. 因此, 土壤濕度-大氣耦合在20世紀90年代末期之后對大氣環(huán)流的影響能力顯著增強了. Zhang等人[15]進一步利用數(shù)值模擬比較了土壤濕度-大氣耦合和解耦狀態(tài)下強振幅行星5波的空間分布情況. 結果表明, 在土壤濕度-大氣耦合的情況下, 強振幅行星5波的“鎖相”位置相比解耦情況下更易偏西, 其在西位相“鎖相”的概率為85.4%, 而在解耦情況下, 這一概率僅為4.7%. 因此, 土壤濕度-大氣耦合是驅動強振幅行星5波“鎖相”位置西移的必要條件, 其將幾乎不可能發(fā)生( P =4.7%)的事件轉變?yōu)榱吮厝话l(fā)生( P =85.4%).

該項研究表明, 增暖引起的土壤濕度與大氣之間的“干-熱”正反饋是強振幅行星5波“鎖相”位置西移的主要驅動機制( 圖1 ). 當高壓擾動位于北美西部、東歐和東北亞上空時, 虧缺的土壤濕度會導致地表感熱通量增強, 并且引起地表氣溫升高, 形成“干-熱”正反饋. 這一過程一方面直接通過加劇高壓系統(tǒng)下的熱量累計和質量堆積加強局地高壓系統(tǒng); 另一方面, 加熱的近地表空氣會嘗試上升, 但會被高層高壓系統(tǒng)阻擋回地面, 從而通過絕熱加熱進一步加強局地高壓系統(tǒng). 因此, 在增強的土壤濕度-大氣耦合作用下, 擾動更易發(fā)展為強振幅行星5波, 導致“鎖相”位置西移. 最終, 陸地高壓下的高溫異常也西移到北美西部、東歐和東北亞, 引起三地極端高溫頻發(fā).

圖 1 土壤濕度-大氣耦合通過“干-熱”反饋影響強振幅行星5波機制示意圖 [15]

傳統(tǒng)理論認為, 土壤濕度改變只是對于大氣環(huán)流變化的一種被動反饋. 該研究指出, 在全球變暖作用下, 中緯度多區(qū)域增強的土壤濕度-大氣耦合作用可以主動改變環(huán)中緯度大氣環(huán)流, 引起北半球中緯度的極端高溫熱浪空間格局的改變. 這一結論改變了學界對土壤濕度在氣候系統(tǒng)中扮演角色的傳統(tǒng)認知. 在近期未來, 全球增暖持續(xù)加劇的情況下, 陸-氣耦合作用將足以將熱浪熱點區(qū)維持在北美西部、東歐和東北亞. 該研究結果推動相關學者重新認識陸-氣相互作用在氣候系統(tǒng)中的重要性, 同時對于當?shù)卣贫ㄕ咭詰獙O端熱浪帶來的農作物和人體健康風險具有重要意義. 值得注意的是, 該研究強調了土壤濕度-大氣耦合對中緯度大尺度環(huán)流及熱浪不可忽視的影響. 而為了更全面地認識陸面系統(tǒng)在其中的作用機制, 后續(xù)工作需要進一步探究土地利用和土地覆蓋、植被變化等其他陸面因子的影響.

參考文獻

[1] Christidis N, Jones G S, Stott P A. Dramatically increasing chance of extremely hot summers since the 2003 European heatwave . Nat Clim Change , 2015 , 5: 46 -50

[2] Coumou D, Rahmstorf S. A decade of weather extremes . Nat Clim Change , 2012 , 2: 491 -496

[3] Dai A. Increasing drought under global warming in observations and models . Nat Clim Change , 2013 , 3: 52 -58

[4] Smoyer K E. A comparative analysis of heat waves and associated mortality in St. Louis, Missouri?1980 and 1995 . Int J BioMeteor , 1998 , 42: 44 -50

[5] Li X, Mann M E, Wehner M F, et al. Role of atmospheric resonance and land–atmosphere feedbacks as a precursor to the June 2021 Pacific Northwest Heat Dome event . Proc Natl Acad Sci USA , 2024 , 121: e2315330121

[6] Philip S Y, Kew S F, van Oldenborgh G J, et al. Rapid attribution analysis of the extraordinary heat wave on the Pacific coast of the US and Canada in June 2021 . Earth Syst Dynam , 2022 , 13: 1689 -1713

[7]Zhang X, Zhou T, Zhang W, et al. Increased impact of heat domes on 2021-like heat extremes in North America under global warming . Nat Commun , 2023 , 14: 1690

[8] Barriopedro D, Fischer E M, Luterbacher J, et al. The hot summer of 2010: redrawing the temperature record map of Europe . Science , 2011 , 332: 220 -224

[9] Ren L, Zhou T, Zhang W. Attribution of the record-breaking heat event over Northeast Asia in summer 2018: the role of circulation . Environ Res Lett , 2020 , 15: 054018

[10] Tuholske C, Caylor K, Funk C, et al. Global urban population exposure to extreme heat . Proc Natl Acad Sci USA , 2021 , 118: e2024792118

[11] Chen X, Cui X, Gao J. Differentiated agricultural sensitivity and adaptability to rising temperatures across regions and sectors in China . J Environ Economics Manage , 2023 , 119: 102801

[12] Chen M, Chen L, Zhou Y, et al. Rising vulnerability of compound risk inequality to ageing and extreme heatwave exposure in global cities . npj Urban Sustain , 2023 , 3: 38

[13] Zhang P, Jeong J H, Yoon J H, et al. Abrupt shift to hotter and drier climate over inner East Asia beyond the tipping point . Science , 2020 , 370: 1095 -1099

[14] Fischer E M, Seneviratne S I, Lüthi D, et al. Contribution of land-atmosphere coupling to recent European summer heat waves . Geophys Res Lett , 2007 , 34: 2006GL029068

[15] Zhang K, Zuo Z, Mei W, et al. A westward shift of heatwave hotspots caused by warming-enhanced land–air coupling . Nat Clim Change , 2025 , 15: 546 -553

轉載、投稿請留言

| 關注科學通報 | 了解科學前沿