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养活数十亿人的大气记忆：新发现的季风降雨机制

波茨坦气候影响研究所网站

2025年5月7日

在全球范围内，季风降雨在春季开启，在秋季关闭。到目前为止，这种季节性模式主要被理解为对太阳辐射变化的直接反应。波茨坦气候影响研究所发表在科学杂志《美国国家科学院院刊》上的一项新研究成果首次表明，大气可以长时间储存水分，从而产生物理记忆效应。它允许季风系统在两个稳定状态之间翻转。打破这种微妙的平衡，将给印度、印度尼西亚、巴西和中国的数十亿人民带来严重后果。

大气以水蒸气的形式存储物理信息，从而控制季风的开始和结束。照片：AdobeStock

“大气可以通过以水蒸气的形式存储物理信息来‘记住’它以前的状态。”PIK研究员和该研究的作者安雅·卡岑伯格解释说。“实际上，这意味着即使太阳辐射随着季节的变化而增加或减少，大气并不总是立即做出反应。在春季，水蒸气会在数天和数周内积累。这个水库决定了初夏季风降雨的开始，即使在秋季太阳涌入开始减少时也能保持。

大气中的路径依赖性：季风如何“记忆”

结合来自印度、中国和其他季风区的观测数据与大气模拟，研究小组表明，大气状态取决于其季节性历史：如果已经下雨，雨就会持续。但如果天气干燥，就很难开始降雨。在春季，大气通常是干燥的，需要在季风开始之前用水蒸气“填满”。相比之下，秋季季风后的大气仍然潮湿，即使太阳辐射减弱，也继续支持降雨。“这种行为就是我们所说的双稳定性，”卡岑伯格说。在相同的太阳辐射水平下，大气可以是干燥的，也可以是下雨的，这取决于前面的状态。

“我们早就知道像海洋或巨大冰盖这样的系统有某种记忆。但是大气？这被认为是不可能的，”研究合著者安德斯·莱弗曼补充说，他是波茨坦气候影响研究所复杂性科学部门的负责人。“这种记忆效应导致季风降雨中的开关行为，从‘关闭'到‘打开'再回到‘关闭’”。关键的是，它不会逐渐发生——它很突然、很仓促。“这种突然的变化是气候系统中其他倾斜元素的特征，但季风是特殊的，”莱弗曼说。特别值得注意的是，季风每年都会越过它的临界点，然后返回。这可以使我们在未来能够通过观测数据实际确定临界点，并开发一个早期预警系统。

观测、理论和模拟的结合

为了解开这种双稳态行为背后的机制，该团队使用了真实世界的数据和普林斯顿大学开发的高分辨率大气环流模型的模拟。在一个理想化的“季风行星”设置中，他们将大气层与较慢的地球系统组件（如海洋）隔离开来。模拟显示，季风降雨可以在干湿状态之间翻转，而没有海洋的热惯性。这种行为的关键是形成了一个强大的大气湿气柱，可以稳定数周的降雨。卡岑伯格解释说：“当大气中的水蒸气超过每平方米约35公斤时，季风就会打开。如果它低于这个值，它就会关闭。这种突然的、基于阈值的响应定义了双稳性。"

如果这种动态被打乱，例如通过污染或全球变暖，我们可能会面临重大挑战，莱弗曼总结道：“这将对印度、印度尼西亚、巴西和中国等地区依赖季风降雨谋生的数十亿人产生严重后果——这不仅会扰乱我们的气候系统，而且会扰乱全球的社会秩序。”