河南“21•7”极端降水的气候变化归因：对流组织的影响

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北京大学聂绩助理教授研究组利用高分辨率的云解析模式模拟，并采用基于准地转单柱模拟框架的故事线归因方法，探究了河南“21•7”极端降水事件的气候归因。结果显示，全球变暖可能显著加强了该事件中区域尺度和台站尺度的极端降水。同时，由垂直风切变组织起来的对流造成的极端降水，在区域和台站尺度上都比无组织的对流造成的极端降水强很多。

由于气候变化广受关注，人们想要了解气候变化会如何影响这一类的极端天气事件？在全球变暖背景下，与极端天气事件相关的大尺度环流存在较大不确定性，所以这里采用了故事线归因方法来避免这个问题。具体来说，也就是将极端天气事件相关的环流形势视作随气候变暖而不变，同时观察大气的热力学状态量（例如海温和水气含量）的变化如何影响该极端天气事件。研究者认为这是一种更为可取的办法。

为了交互模拟大尺度抬升运动，这里采用了准地转单柱的模拟方法(CQG方法)，该方法是基于准地转垂直速度方程的。用了这个方法，研究者就能够固定与天气形势相关的大尺度强迫，同时模拟对流和大尺度动力学的相互作用。

为了研究不同对流组织的影响，设计了三组实验，分别由均匀海温、非均匀海温和低层背景风切变驱动。这三组实验分别得到了无组织对流、团状对流组织和线状对流组织。对每一组实验，固定大尺度强迫(温度和涡度平流)然后升高海温来模拟气候变暖。

结果显示，气候变暖极大地增强了河南“21·7”极端降水事件。该文采用的云解析模式与CQG方法结合的模拟方案很好地抓住了该极端事件的特征。研究揭示了，大气的暖湿化导致了区域尺度和台站尺度极端降水的增强，分别为10~14% K-1(取决于对流组织，图1)和7~9% K-1(图2)。从区域降水的层面来说，切变组织的线状对流对大尺度强迫更为敏感，其产生的降水与其余两组的降水相比要高得多。由于存在更强的潜热加热反馈，切变组织的对流具有更强的气候敏感性。从台站尺度降水的层面来说，切变组织对流产生极端降水的概率也高得多。研究者在计算台站尺度极端降水的气候敏感性的时候没有发现对对流组织的系统性依赖。

图1 降水期间5天平均降水量(P)(a)和气候敏感性

与SST的关系(b)以及气候敏感性的动力学(实线)和热力学(虚线)分量(c)

图2 三组模拟中301K实验(实线)和303K实验(虚线)的各百分位小时降水(a)、各百分位的降水增加比例(b)以及各降水强度的概率增加比例(c)

文章中采用的创新性的CQG方法使得研究者可以灵活操纵大尺度强迫场和对流组织形式。此项研究清楚地展示了中尺度对流组织的重要地位，即耦合大尺度和对流尺度动力学过程。相比于前人的工作，该文更进一步地将台站尺度的极端降水放在一个真实的极端天气事件中进行了考察。