题目：Significant increase of global anomalous moisture uptake feeding landfalling Atmospheric Rivers
期刊：Nature Communications
01 研究背景
随着全球变暖的加剧，大气持水能力不断增强。大气越湿润，其水汽输送作用越强,从而导致与大气河（AR，Atmospheric River）相关的极端降水事件和洪水发生频次增加。因此，在未来气候继续变暖的情况下，极端事件的加速发生严重威胁着生态系统和人类生活区。然而，目前尚不清楚哪些区域为AR提供了异常水汽，以及这些区域是否表现出与全球变暖有关的趋势。
基于此，Algarra（2020）等人利用ERA-Interim再分析数据和FLEXPART模型，探究1980-2017年期间全球异常水汽吸收（AMU，anomalous moisture uptake）和登陆大气河（LAR，landfalling Atmospheric River）事件的关系。本研究首先确定了登陆大气河（LAR）事件的高频区域，然后使用拉格朗日模型追踪水汽路径，识别了在登陆大气河事件期间水汽吸收增加的区域，并用Mann-Kendall趋势检验方法进行显著性检验。这项研究强调了未来气候预测中大气河加强的趋势，并指出了进一步研究的必要性，以便更好地理解和预测大气河及其对人类社会和生态系统的影响。
02 研究数据与方法
2.1 研究数据
使用来自欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）的ERA-Interim再分析数据（http://apps.ecmwf.int/datasets），该数据集提供从1980-2017年的6小时时间步长（00:00，06:00，12:00，18:00 UTC）的全球气象数据，水平分辨率为1°，垂直高度从1000hPa至0.1hPa共61层。变量包括比湿（q，单位：g/kg）、全球海平面气压（MSLP，Mean Sea Level Pressure，单位：hPa）、全球海表面温度（SST，Sea Surface Temperature，单位：℃）。
2.2 大气河登陆区域的全球识别
使用Guan（2015）等人开发的AR数据库，该数据库以1.5°的空间分辨率和6小时的时间间隔（00:00，06:00，12:00，18:00 UTC），使用ERA-Interim再分析数据，提供全球范围内AR的登陆位置信息。在大气河的识别过程中，不仅要看整层水汽通量（IVT，vertically-integrated horizontal moisture transport）是否达到了一定的阈值，还要确保大气河在空间上呈现出一种连贯的条带状结构。
沿着每段海岸线以12°的空间分辨率来统计登陆大气河（LAR）事件。在1980-2017年间，登陆大气河事件发生的总天数为1388天。基于此，本研究定义了登陆大气河事件发生频率超过10%的区域为这些事件最频繁发生的地区（图1）。由于AR是存在于温带气旋暖区的天气系统，温带气旋通常与冬季平均海平面气压场（MSLP）负异常有关系，因此，在进行水汽逆向分析时，仅考虑那些显示出与冬季平均海平面气压场（MSLP）有负异常的区域。据此排除4个区域后（图1红色部分），将20个研究区域划分成8个大区域（a.美国西海岸，b.美国东海岸，c.格陵兰岛、冰岛，d.欧洲西海岸，e.亚洲海岸，f.澳大利亚西海岸，g.非洲海岸，h.南极海岸）。
图1 全球登陆大气河事件的多发区。（a-h）1980-2017年期间全球沿海地区的大气河（AR）频率：美国西海岸（a）、美国东海岸（b）、格陵兰岛和冰岛（c）、欧洲西海岸（d）、亚洲海岸（e）、澳大利亚海岸和新西兰（f）、非洲海岸（g）和南极海岸（h）。黑色线条显示了大气河频率的纬向分布，红线表示基于所有地区计算得出的登陆大气河（LAR）事件频率总天数10%的阈值。（i）显示利用AR数据库识别到的24个LAR区域，其中红色区域未用于研究异常水汽吸收。
2.3 FLEXPART模型：异常水汽吸收
为了确定AR事件的水汽来源，本研究使用ERA-Interim再分析数据驱动拉格朗日粒子扩散模型（FLEXPART v9.0）对气团进行10天逆向追踪，以确定每个气团沿轨迹的比湿变化，时间步长为6h（式（1））：
其中（e−p）是蒸发减降水差额，即气团的淡水通量，m代表气团质量（单位：kg），q代表比湿（单位：g/kg），t是时间。
对（e−p）进行整层积分得到地表淡水通量（式（2））：
其中（E−P）代表地表淡水通量，k是区域面积A上的气团数量。采用时间逆向分析识别LAR事件期间气团的水汽来源，将水汽源地定义为蒸发量超过降水量（即（E−P）>0）的区域。
异常水汽吸收（AMU）是指在1980-2017年整个时期内，与登陆大气河（LAR）事件相关的平均蒸发异常量。它是通过计算每个LAR事件期间的水汽吸收量与该LAR事件发生当天的气候平均水汽吸收量之间的差异得到。
水汽吸收异常是根据1980–2017年期间个别LAR事件的水汽吸收量与LAR发生当天的气候态水汽吸收量之差得到。如果某个LAR事件的水汽吸收量超过了长期平均值，超出部分就被视为正的水汽吸收异常。将所有LAR事件的正水汽吸收异常值累加起来，从而得到整个研究时段内大气河流登陆事件的正水汽吸收异常量。根据该方法可以识别出LAR沿其路径的异常水汽源地。
03 主要发现
3.1 LAR事件的全球空间分布
对1980-2017年期间登陆大气河多发区的水汽异常吸收量（图2）进行分析，结果显示大多数地区的AMU在1980-2017年间显著增加。值得注意的是，由于美国西部地区在1980-2017年没有出现整层水汽通量（IVT）或降水趋势增加，所以美国西部地区没有表现出AMU的明显增加（图S6b-c）。
图2 1980-2017年期间登陆大气河多发区的水汽异常吸收量：（a）北太平洋和北大西洋，（b）西欧以及（c）南半球。填充区域表示实际的蒸发异常累加值超过第90百分位数值的区域，且蒸发异常在95%水平上显著增加（Mann-Kendall检验）。填充区域序号与图1含义相同。
图S6 1980-2017年各登陆大气河区域的异常水汽吸收量年际变化。红线表示线性回归趋势。方框（左上）显示了图1中每个登陆大气河（LAR）区域的编号（从1到11）。星号（*）表示根据Mann-Kendall检验得到的AMU趋势在95%水平上是显著的。
3.2 LAR的水汽吸收全球分布特征
分析1980-2017年间全球LAR事件水汽异常吸收量可得，在南北半球的25°~40°之间亚热带海洋区域的AMU值较高，来自北大西洋的AMU几乎占全球AMU的一半（图S8a-c）。AMU的最大值出现在西半球暖池，包括墨西哥湾和加勒比海的大型蒸发区域。西半球暖池SST比较高，有利于提高蒸发速率，可以为大气提供充足水汽，从而有利于LAR向中纬度地区输送水汽（图3a）。当单独分析西半球暖池的年际变化，或者从全球分析中排除北大西洋区域时，AMU的趋势仍然显著增加（图S8 b-d）。
分析AMU的纬向平均值可得，在北半球中高纬度AMU强度明显高于南半球中高纬度AMU强度（图3b）。AMU随纬度的变化呈双峰型分布，40°N附近AMU的值最高而且LAR事件发生最多，但纬向平均AMU的年际变化非常小（图3b）。对全球AMU的年际变化进行分析可知，在1980-2017年间全球AMU增加，平均每10年增加0.9%（图3c）。
AR源区的AMU在1980-2016年间显著增加了约3%，鉴于在此期间全球地表温度平均上升接近0.5℃，这一增加率（即每升温1℃，AMU增加约6%）与根据克劳修斯-克拉伯龙（C-C）方程预期的水汽增加速率接近。C-C方程指出，随着温度的升高，大气的水汽含量将以大约7%/℃的速率增加。这种增温效应在AR源区的水汽吸收上十分显著，这与C-C方程的预测一致。
图3 1980-2017年登陆大气河（LAR）事件水汽异常吸收量。（a）主要登陆区域大气河（AR）的年水汽吸收量正异常总和；（b）异常水汽吸收（AMU）的纬向平均值（黑线）及其年际变化（灰色阴影区域）。图a、b中红线表示北回归线（23.43°N）和南回归线（23.43°S）。（c）全球AMU的年际变化（黑线）及其线性回归趋势（红线）。
图S8 1980-2017年全球水汽异常水汽吸收量（AMU）的纬向平均值及其年际变化（灰色阴影部分）和AMU的全球年际变化。（a）和（b）不包括北大西洋盆地的AMU；（c）和（d）仅包括北大西洋盆地的AMU。（a）和（c）中的红线表示北回归线（23.43°N）和南回归线（23.43°S）。（b）和（d）中的红线表示相应的线性回归趋势，根据Mann-Kendall检验可得这些趋势在95%水平上是显著的。
04 主要结论
1980-2016年间，大多数地区的AMU显著增加。这一现象在南北半球的亚热带海洋区域尤为明显，尤其是位于25°-40°纬度范围内地区的AMU值较高。特别地，西半球暖池地区的AMU值达到最大。这一区域包括墨西哥湾和加勒比海，其海表面温度较高，有利于更高效的蒸发作用，为AR提供了丰富的水汽，促进了AR向其他远距离地区传输水汽。
AMU随纬度的变化呈现出双峰型分布，在南北半球40°达到峰值。其中北半球中高纬度地区AMU的强度比南半球更强，而且北半球40°N是LAR事件发生最频繁的区域。在整个研究期间，全球AMU的增长速率为每十年增加0.9%。
此外，1980-2016年间，随着全球地表温度每上升1℃，AMU增加约6%，与C-C方程预测的水汽增加速率接近。
05 引发思考
该研究首次在全球尺度上对大气河的AMU进行了量化和分析，为理解大气河活动在全球气候变化中的加强作用提供了新的视角。
在实际应用中，C-C方程通常用来估计大气的持水能力，即大气在不同温度下能够保持的最大水汽量。AMU的增加趋势与C-C方程相吻合，意味着随着全球温度的升高，大气河活动增强，其运输的水汽增多，这与理论预期一致。
编者注
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原文出处
Algarra, I., Nieto, R., Ramos, A. M., Eiras-Barca, J., Trigo, R. M., & Gimeno, L. (2020). Significant increase of global anomalous moisture uptake feeding landfalling Atmospheric Rivers. Nature Communications, 11(5082), 1-14. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18876-w
参考文献
Guan, B., & Waliser, D. E. (2015). Detection of atmospheric rivers: Evaluation and application of an algorithm for global studies. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 120, 12514-12535. https://doi.org/10.1029/2015JD023600
文字来源：王天航
图片来源：https://www.nature.com/
编辑：王天航
审核：罗楚玉 柳睿涵
