大气河流导致暖冬和极端高温事件
大气河流对暖冬和极端高温事件的影响
学术背景
大气河流（Atmospheric Rivers, ARs）是地球大气中水汽输送的狭窄区域，通常从亚热带向中高纬度和极地地区输送大量水汽。这些瞬态现象在全球水汽输送中占据主导地位，并对许多地区的降水和水资源产生重要影响。除了水汽输送，ARs还输送热量，但其对全球近地表气温的影响尚未得到充分研究。随着全球气候变化的加剧，极端天气事件的频率和强度不断增加，理解ARs对气温的影响对于预测和应对极端天气事件具有重要意义。
本文由Yale University地球与行星科学系的Serena R. Scholz和Juan M. Lora撰写，于2024年12月19日至26日发表在《Nature》期刊上。研究旨在揭示ARs对全球近地表气温的影响，特别是其对暖冬和极端高温事件的贡献。
研究流程
数据来源与ARs识别
研究使用了1980年至2022年的MERRA-2再分析数据，包括2米气温、地表短波辐射、净地表长波辐射、地表感热通量和潜热通量等变量。为了识别ARs，研究采用了七种全球算法，这些算法来自大气河流追踪方法比较项目（ARTMIP）。所有计算均独立进行，最终结果取各算法的平均值。
气温异常与ARs的关系
研究发现，ARs频率与许多中纬度地区的平均气温存在显著相关性，尤其是在冬季。在北半球冬季，ARs频率与气温的相关系数在北欧地区超过0.6，北美东海岸和北太平洋地区也显示出显著的正相关。南半球冬季，南大洋的大部分地区也表现出显著的正相关。
ARs期间的气温异常
在ARs事件期间，北美和欧亚大陆的平均气温异常约为+5°C，而格陵兰和南极洲的平均气温异常则超过+10°C。极地地区的气温异常在冬季尤为显著，平均可达+15°C。气温异常在白天和夜间均为正值，但夜间的暖异常幅度更大。
地表热通量的变化
ARs期间，地表热通量发生了显著变化。云量的增加减少了地表短波辐射，但长波辐射和感热通量的增加抵消了这一影响。特别是在沙漠地区，ARs事件带来了平均+50 W m⁻²的异常长波辐射。此外，ARs期间，中纬度和极地地区的感热通量从大气向地表输送，导致地表温度升高。
热量和水汽的水平输送
ARs与低层大气中的感热和水汽的异常水平输送和辐合有关。研究发现，ARs期间，感热的极向输送显著增加，特别是在北美和南极洲。水汽的辐合也显著增加，导致凝结和潜热释放，进一步加剧了地表温度的升高。
ARs与极端高温事件的关系
研究还发现，ARs与极端高温事件密切相关。在北太平洋和北大西洋风暴路径上，70-80%的极端小时气温异常发生在ARs事件期间。在极地地区，极端气温异常在ARs事件期间发生的概率是独立事件的十倍以上。此外，ARs还与湿润和复合热浪事件密切相关，特别是在北美东部和东北亚地区。
主要结果
- ARs频率与气温的相关性：ARs频率与中纬度地区的平均气温存在显著正相关，尤其是在冬季。
- ARs期间的气温异常：ARs事件期间，北美和欧亚大陆的平均气温异常约为+5°C，极地地区超过+10°C。
- 地表热通量的变化：ARs期间，地表长波辐射和感热通量显著增加，导致地表温度升高。
- 热量和水汽的水平输送：ARs期间，感热和水汽的极向输送和辐合显著增加，进一步加剧了地表温度的升高。
- ARs与极端高温事件的关系：ARs事件与极端小时气温异常和湿润、复合热浪事件密切相关。
结论
研究表明，ARs在多个时间尺度上对近地表气温产生显著影响，从季节平均到小时极端气温事件。ARs通过异常的热量和水汽输送，改变了地表热通量，导致中纬度和极地地区的气温升高。此外，ARs与极端高温事件的密切关系表明，ARs在全球能量输送中扮演着比以往认知更为重要的角色。
研究亮点
- 重要发现：ARs不仅影响水汽输送，还显著影响全球近地表气温，特别是在中纬度和极地地区。
- 方法创新：研究采用了多种ARs识别算法，确保了结果的鲁棒性。
- 应用价值：研究结果有助于提高对极端高温事件的预测能力，特别是在全球气候变化的背景下。
其他有价值的信息
研究还指出，ARs可能携带沙尘等颗粒物，进一步增强长波辐射的捕获，特别是在夏季可能造成危险的高温条件。随着全球变暖，ARs可能变得更加频繁和强烈，进一步影响全球气温和极端天气事件。
通过这项研究，我们不仅加深了对ARs的理解，还为未来的气候预测和极端天气应对提供了重要的科学依据。