气候模拟重新定义了北美季风的原因

平均而言，墨西哥西部和西南部在 7 月至 9 月期间的降雨量是全年的一半。洪水是由于被称为季风的天气模式造成的——但根据加州大学伯克利分校大气科学家威廉布斯和他的团队的一篇新论文，新的分析和高分辨率模型表明，这种季风与地球上的其他季风不同.

大多数季风——以风和大雨为特征的大小的模式，在温暖的月份在世界各地都很常见——是由加热速率的差异引起的。夏季炎热的太阳使陆地上的大气变得比海洋上的大气更温暖。当较暖的空气上升时，它会从海洋上空吸入较冷、较湿的空气，并引起强烈的暴雨。这些季风是“热强迫”季风。

然而，新的研究表明，北至科罗拉多州和北加利福尼亚州的北美季风主要是通过机械方式形成的，而不是热力方式。Boos 和他的团队利用劳伦斯伯克利国家实验室 (Berkeley Lab) 的国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的资源模拟北美季风，发现当来自急流的空气被迫流向赤道时，就会形成这种季风，然后在马德雷山脉更远的地方进入大气层，在那里它冷却直到水蒸气凝结并以雨水的形式落到地球上。这是地球上唯一以这种方式形成的季风。

这种区别在能源部对北美山脉及其对天气模式的影响进行的一项研究中显现出来——新的高分辨率模型捕捉到了山脉的影响，这些山脉太小而无法在以前的分辨率较低的模型中很好地捕捉到，揭示了以前看不见的动力学。

“北美的山脉实际上非常小，我并不是说它们很矮，”布斯说。“当你看墨西哥西部的山脉时，它们与青藏高原或落基山脉相比非常狭窄。如果你使用全球计算机模型，你可以得到一个分辨率很低的模型，但仍然有一个不错的青藏高原。但是要获得这些北美山脉，其中很多都是非常精细的，所以你需要一个非常高分辨率的模型来很好地代表这些山脉。”

这种详细程度是高性能计算的用武之地。利用 NERSC 的资源，Boos 和他的团队运行了多个高分辨率模拟，每个模拟都在十年的模拟时间内探索了一组不同的变量——远远超过了可能的时间别处。该计算花费了近 500 万计算小时才能完成。

“对于这个特定的项目， NERSC的高性能计算使我们能够使用高分辨率模型运行多个模拟足够多年，”Boos 说。“你可以在许多计算机上以非常高的分辨率模拟地球大气，例如两个月，但我们需要在十年内进行多次模拟。我们需要做一个有山的控制模拟，另一个没有山，我们做了一个第三次模拟测试地表的热强迫是否重要，我们基本上通过太阳来提高和降低北美的加热。我们需要分别进行这三个不同的模拟——一个控制和两个实验，如果你愿意的话——或者十年的模拟时间。”

除了 NERSC 的计算能力之外，Boos 和他的团队还使用 NERSC 托管的 Jupyter 界面进行协作：“共享的 Jupyter 界面极大地推动了我们团队的数据分析，允许通过网络浏览器，”他说。“它确实有助于向学生教授大数据分析以及在合作者之间转移工作流程。”

在这些计算模型的支持下，除了更简单、更理想化的理论模型外，这种对北美季风如何形成的新理解对该地区的短期天气和长期气候预测具有重要意义——尤其是随着地球气候变暖。北美季风是墨西哥西部和西南部的重要水源。然而，它的北部也可能在加利福尼亚等地造成雷击，增加那里发生野火的可能性。预测表明，随着地球变暖，急流可能会发生变化。显示地理障碍如何使空气重新定向的新模型可以更好地了解水的分布方式以及未来可能发生的极端天气。

“有一种普遍的观点认为北美季风可能会发生变化，由于陆地和海洋之间的热对比正在发生变化，事情可能会变得更干燥或更潮湿，”布斯说。“但我们说不，重要的是急流被山脉偏转。而且有一些证据表明，随着全球变暖，急流总体上实际上会改变其纬度，所以它真的改变了我们应该看到的样子如果我们试图评估该地区的水在未来将如何变化。”

其中一些工作将来自 Boos 和他的团队，因为他们运行更高分辨率的模型，同时考虑到未来的变量，例如空气中更多的二氧化碳和不断变化的急流，以及专注于北美的可变分辨率模型天气模式，同时广泛考虑来自全球的模式。随着这些模型的形成，它们可以提供对该地区当地和区域天气的更多见解。

“我认为我们可以提供帮助，因为我们正在说，‘如果你想预测北美季风区的天气和极端降雨，与闪电有关，你不应该太担心你的数值天气预测模型使地表条件完全正确，”布斯说。“你应该更关心代表急流以及急流如何正确地被山脉偏转。”

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