這個(gè)夏天，極端降水現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)愈演愈烈。

作為“一帶一路”倡議的重要節(jié)點(diǎn)，中亞地區(qū)不僅地理位置重要，其氣象環(huán)境也與中國(guó)西北地區(qū)乃至全球氣候緊密相連，觸動(dòng)著國(guó)際社會(huì)對(duì)氣候變化的敏感神經(jīng)。

如何實(shí)現(xiàn)中亞地區(qū)極端降水的精確模擬？如何降低極端降水對(duì)當(dāng)?shù)貛?lái)的嚴(yán)重影響？揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授封國(guó)林團(tuán)隊(duì)針對(duì)中亞地區(qū)夏季極端降水進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的多尺度相互作用研究。

他們首次系統(tǒng)剖析了該地區(qū)極端降水事件的多尺度作用機(jī)制，通過(guò)能量跨尺度傳輸與轉(zhuǎn)化分析，揭示了不同類(lèi)型極端降水的內(nèi)在成因，不僅為“一帶一路”沿線國(guó)家的災(zāi)害防御提供了科學(xué)依據(jù)，也為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展筑起了堅(jiān)實(shí)的屏障。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《地球物理研究快報(bào)》。

極端降水：不容忽視的“灰犀牛”風(fēng)險(xiǎn)

近年來(lái)，中亞地區(qū)的極端降水事件頻發(fā)且強(qiáng)度驟增，洪水、泥石流等次生災(zāi)害如影隨形，經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡觸目驚心。

極端降水，這種超出歷史常態(tài)的降雨現(xiàn)象，以其突發(fā)性、高強(qiáng)度和短歷時(shí)等特點(diǎn)，被形象地比喻為潛在的“灰犀牛”風(fēng)險(xiǎn)。

已有研究表明，極端降水成為“新常態(tài)”不僅與當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病夂蛱卣饔嘘P(guān)，更與全球氣候變暖密切相關(guān)。

“天降大雨”看似簡(jiǎn)單，背后卻蘊(yùn)藏著十分復(fù)雜的原理。專(zhuān)家認(rèn)為，極端降水是一種非常復(fù)雜的非線性物理過(guò)程，受到不同尺度的環(huán)流系統(tǒng)影響。巨大的大氣環(huán)流系統(tǒng)會(huì)為區(qū)域天氣活動(dòng)提供能量，從而促進(jìn)了局地環(huán)流系統(tǒng)的形成和發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)降雨。

“氣候變暖了，大氣層中的水汽含量也顯著上升。當(dāng)降雨條件成熟時(shí)，由于大氣中更為充裕的水汽儲(chǔ)備，更多的水汽能夠凝結(jié)成雨滴，且這些雨滴可能會(huì)變得更大、更密集，導(dǎo)致極端的降雨事件的發(fā)生。”封國(guó)林進(jìn)一步解釋。

雖然已有不少學(xué)者針對(duì)中亞地區(qū)極端降水現(xiàn)象進(jìn)行研究，但是大部分只關(guān)注海溫異常等單個(gè)影響因子的作用或簡(jiǎn)單討論變量之間的相關(guān)性。為了實(shí)現(xiàn)及時(shí)、精準(zhǔn)模擬及預(yù)測(cè)，封國(guó)林帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深耕該領(lǐng)域多年，圍繞中亞地區(qū)的氣象變化不斷探索極端降水“背后的故事”。

另辟蹊徑：細(xì)致剖析降水過(guò)程的能量動(dòng)態(tài)

從源頭出發(fā)，問(wèn)題才能更好地迎刃而解。

極端降水成因復(fù)雜、預(yù)測(cè)難度大，如果能用普適的物理量，準(zhǔn)確定量不同尺度的環(huán)流系統(tǒng)之間的相互作用，就能改進(jìn)預(yù)測(cè)模式的模擬技巧，提高對(duì)極端降水事件預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

面對(duì)極端降水成因的復(fù)雜性與預(yù)測(cè)的高難度，封國(guó)林團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用“局地多尺度能量分析方法”對(duì)降水過(guò)程中的能量動(dòng)態(tài)進(jìn)行了細(xì)致入微的剖析。

論文第一作者、該院碩士研究生雷弘佳表示，這個(gè)方法可以對(duì)降水過(guò)程中能量的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行詳盡分析，不僅能識(shí)別并量化降水系統(tǒng)中不同尺度（如天氣尺度、中尺度、小尺度等）的能量分量，還能優(yōu)化高分辨率的數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)降水過(guò)程中能量動(dòng)態(tài)變化的精細(xì)模擬。

為了提升模型構(gòu)建的準(zhǔn)確度，團(tuán)隊(duì)還選取了中亞地區(qū)四個(gè)具有典型代表性地區(qū)的極端降水事件情況作為研究對(duì)象，深入揭示了降水機(jī)制的地域差異與共性特征，為極端降水事件的預(yù)測(cè)與防范提供了科學(xué)依據(jù)。

結(jié)合不同地區(qū)的能量分析結(jié)果，團(tuán)隊(duì)深入挖掘了這些地區(qū)“背后的故事”。

“根據(jù)數(shù)據(jù)可以推測(cè)，哈薩克斯坦北部發(fā)生極端降水事件可能是動(dòng)能在不同緯度間傳輸導(dǎo)致的，而其南疆地區(qū)則可能是不同尺度上的位能傳輸模式相互作用以及對(duì)流層上層的正壓不穩(wěn)定性等綜合因素產(chǎn)生……這些結(jié)果都印證一個(gè)事實(shí)，即中亞地區(qū)不同地方的極端降水事件是由不同氣象要素之間的相互作用引起的。”雷弘佳表示。

精準(zhǔn)預(yù)測(cè)：助力災(zāi)情防范“向前一步”

極端天氣頻發(fā)，災(zāi)情防范的緊迫性尤為凸顯，亟需“未雨綢繆”，將防線前移。

團(tuán)隊(duì)主要成員、該院副教授馬茜蓉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，傳統(tǒng)災(zāi)害預(yù)測(cè)手段在捕捉極端天氣微妙變化上常顯力有不逮，而現(xiàn)代科技的飛躍，特別是云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)的深度融合，正為極端降水預(yù)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的變革。

“利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)過(guò)程中，提供更為詳細(xì)的物理數(shù)據(jù)和信息，即物理約束條件，可以進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)精度。”馬茜蓉表示，未來(lái)團(tuán)隊(duì)將通過(guò)精心挑選多尺度關(guān)鍵能量項(xiàng)作為核心驅(qū)動(dòng)力，構(gòu)建一套針對(duì)中亞地區(qū)極端降水事件的預(yù)測(cè)模型，為極端降水預(yù)測(cè)提供更為堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基石，能極大地增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)工作的預(yù)見(jiàn)性和針對(duì)性。

“封國(guó)林團(tuán)隊(duì)的研究成果無(wú)疑為極端降水預(yù)測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破與啟示。”中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所副所長(zhǎng)姚俊強(qiáng)研究員評(píng)價(jià)道，“他們通過(guò)深入的多尺度分析，不僅揭示了極端降水的復(fù)雜成因，還為未來(lái)的防災(zāi)減災(zāi)工作提供了寶貴的科學(xué)依據(jù)。這一成果不僅有助于提升‘一帶一路’沿線國(guó)家的災(zāi)害防御能力，更為全球氣候變化研究貢獻(xiàn)了中國(guó)力量。”

面對(duì)人類(lèi)活動(dòng)日益深刻地影響氣候規(guī)律的現(xiàn)狀，封國(guó)林說(shuō)：“當(dāng)氣候變遷的步伐超越我們既有的認(rèn)知邊界時(shí)，預(yù)測(cè)的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性也隨之倍增。”

“未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深耕極端降水研究領(lǐng)域，充分利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，深入探究人類(lèi)活動(dòng)對(duì)中亞地區(qū)極端降水模式的影響機(jī)制，為全球碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的有效應(yīng)對(duì)，以及極端天氣事件的減緩策略貢獻(xiàn)更多智慧與力量。”封國(guó)林表示。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1029/2024GL108882