2019年度云南省科学技术奖自然科学奖一等奖成果印太暖池海气相互作用及其在低纬高原区的灾害效应

云南大学 中国科学院大气物理研究所 云南省气象科学研究所

印度洋-太平洋的海气相互作用通过影响印度季风和东亚季风进而调控着位于其北侧的中国低纬高原区的天气气候。印太暖池区海气相互作用的异常往往造成低纬高原区天气气候的异常，进而产生显著的灾害效应，引起巨大的生态灾难、经济损失和人员伤亡。因此，开展印度洋-太平洋地区海气相互作用变异及其在低纬高原区灾害效应研究一方面可以深化对我国和东亚地区的气候变异规律的理解，具有重要的科学研究意义；另一方面可通过提高我国低纬高原地区的气候预测水平、增强防灾减灾救灾能力，为云南加快建成面向南亚东南亚的辐射中心提供科学支撑，具有显著的应用价值。在国家自然科学基金委员会-云南省政府联合基金重点（U0933603）等项目的支持下，项目组通过资料诊断、理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法，系统开展了相关研究，取得了如下一系列重要科学发现：

1）针对东亚季风系统提出以来，长期存在争议的印度夏季风和东亚夏季风分界的重大科学问题，引入具有守恒属性的物理量：假相当位温，在定义印度夏季风和东亚夏季风交界面处于假相当位温纬向一阶导数为零处的基础上（图1），率先定量化地确定了印度夏季风和东亚夏季风交界面（图2）；建立了印度夏季风和东亚夏季风交界面指数；揭示了①印度夏季风与东亚夏季风的分界不能逾越高黎贡山，哀牢山系对两支季风交互影响的阻隔作用明显但并不是它们的地理分界线，②印太海气相互作用是决定两季风交界面位置变化的关键外部热力强迫因素，③印度夏季风和东亚夏季风交界异常与东亚夏季降水关系密切（图3）；回答了印度、东亚两季风交界面形成和变异的重大科学问题[1-4]。

图1 20°-30°N，90°-110°E多年平均夏季的三维空间分布

图2 近地等压面层多年平均印度夏季风和东亚夏季风交界的位置

图3 平均印度夏季风和东亚夏季风交界指数与亚洲夏季降水的关系

2）综合考虑东西向和南北向热力差异，构建了新的东亚冬季风强度指数（图4），揭示出印太海气相互作用影响东亚冬季风异常的关键物理过程。发现南北向热力梯度与东西向热力梯度对东亚冬季风形成和变异的作用同等重要，印度洋和海洋大陆地区的海温对南北向热力梯度的形成起着关键作用；印度洋海温通过改变辐散环流后激发出中纬度遥相关波列，进而影响东亚冬季风，最终使得包括中国低纬高原区的整个东亚冬季气温出现异常（图5）[5-7]。

图4 新的东亚冬季风强度指数构建概念图

图5 新的东亚冬季风强度指数与东亚温度的关系

3）率先判识出春季南印度洋副热带偶极子是年际尺度上预测低纬高原区汛期降水的强信号之一，突破了全球最强的ENSO 信号在预测低纬高原区汛期降水失效的瓶颈。发现春季南印度洋副热带偶极子通过影响印度洋海区跨赤道辐散环流最终导致了低纬高原区汛期降水的异常，易引发旱涝及次生灾害（图6-图9）[8]。提出了春季印度洋-太平洋海表温度梯度影响东亚夏季降水的物理过程。发现相比冬季的ENSO 信号而言，印度洋-太平洋海表温度梯度与长江流域、韩国和日本中南部夏季降水关系呈现更加密切的正相关关系，与低纬高原地区夏季降水呈现东西反向的跷跷板关系。这种海温梯度异常信号一直可以从前一年的秋季持续到当年的夏季，无春季预报障碍，可以用来作为预测东亚地区夏季降水异常的新因子（图10）[9]。

图6 奇异值分解的低纬高原夏季降水第一模态空间分布

图7 奇异值分解的海表温度第一模态空间分布

图8 奇异值分解的925hPa风场第一模态空间分布

图9 奇异值分解第一模态的时间序列

图10 印度洋-太平洋海表温度梯度与东亚夏季降水的关系

四、建立了低纬高原斜坡地质灾害气象预报预警空间数据库，并率先引入非线性理论研究了低纬高原区滑坡泥石流的中长期演变（图11），厘清了人类活动和气候变率在低纬高原区滑坡泥石流中长期演变中的相对贡献，揭示了不同排放情景下低纬高原区滑坡泥石流的未来演变趋势（图12）。发现：低纬高原区滑坡泥石流中长期演变中存在的突变和渐变两种形式主要受人类活动影响，降水异常对低纬高原区的滑坡泥石流灾害发生有40%左右的贡献[10-12]。

图11 低纬高原区滑坡中长期演变的月尖突变模型

图12 低纬高原区滑坡中长期演变投影到控制参数平面

研究成果发表在Journal of Climate，Journal of Geophysical Research-Atmospheres，Climate Dynamics 等国内外顶级期刊上。发表的30 余篇论文中，13 篇SCI 论文累计因子达到43.7；20 篇核心论文被Web of Science 引用282 次，其中他引220 次；获得国家发明专利1 项；研究成果还在国家气候中心，云南省气候中心、重庆市气候中心等气象局业务单位内得到示范应用，延长了预报时效，提高预报准确率。例如，2019 年春季南印度洋副热带偶极子是正位相年（图13），同年云南6-8 月降水出现了偏少的情况，进一步验证了南印度洋副热带偶极子在预报云南夏季降水中的可靠性。随着项目的实施完成，项目组1 人入选云南省“高层次人才培养支持计划”(“云岭学者”专项)，2 人晋升高级职称，培养了博士生7 名，其中获得博士学位3 名；培养了硕士生21 名，其中获得硕士学位12 名。

图13 2019年春季海温距平分布

图14 2019年6-8月降水距平百分率