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養活數十億人的大氣記憶：新發現的季風降雨機制

波茨坦氣候影響研究所網站

2025年5月7日

在全球范圍內，季風降雨在春季開啟，在秋季關閉。到目前為止，這種季節性模式主要被理解為對太陽輻射變化的直接反應。波茨坦氣候影響研究所發表在科學雜志《美國國家科學院院刊》上的一項新研究成果首次表明，大氣可以長時間儲存水分，從而產生物理記憶效應。它允許季風系統在兩個穩定狀態之間翻轉。打破這種微妙的平衡，將給印度、印度尼西亞、巴西和中國的數十億人民帶來嚴重后果。

大氣以水蒸氣的形式存儲物理信息，從而控制季風的開始和結束。照片：AdobeStock

“大氣可以通過以水蒸氣的形式存儲物理信息來‘記住’它以前的狀態。”PIK研究員和該研究的作者安雅·卡岑伯格解釋說。“實際上，這意味著即使太陽輻射隨著季節的變化而增加或減少，大氣并不總是立即做出反應。在春季，水蒸氣會在數天和數周內積累。這個水庫決定了初夏季風降雨的開始，即使在秋季太陽涌入開始減少時也能保持。

大氣中的路徑依賴性：季風如何“記憶”

結合來自印度、中國和其他季風區的觀測數據與大氣模擬，研究小組表明，大氣狀態取決于其季節性歷史：如果已經下雨，雨就會持續。但如果天氣干燥，就很難開始降雨。在春季，大氣通常是干燥的，需要在季風開始之前用水蒸氣“填滿”。相比之下，秋季季風后的大氣仍然潮濕，即使太陽輻射減弱，也繼續支持降雨。“這種行為就是我們所說的雙穩定性，”卡岑伯格說。在相同的太陽輻射水平下，大氣可以是干燥的，也可以是下雨的，這取決于前面的狀態。

“我們早就知道像海洋或巨大冰蓋這樣的系統有某種記憶。但是大氣？這被認為是不可能的，”研究合著者安德斯·萊弗曼補充說，他是波茨坦氣候影響研究所復雜性科學部門的負責人。“這種記憶效應導致季風降雨中的開關行為，從‘關閉'到‘打開'再回到‘關閉’”。關鍵的是，它不會逐漸發生——它很突然、很倉促。“這種突然的變化是氣候系統中其他傾斜元素的特征，但季風是特殊的，”萊弗曼說。特別值得注意的是，季風每年都會越過它的臨界點，然后返回。這可以使我們在未來能夠通過觀測數據實際確定臨界點，并開發一個早期預警系統。

觀測、理論和模擬的結合

為了解開這種雙穩態行為背后的機制，該團隊使用了真實世界的數據和普林斯頓大學開發的高分辨率大氣環流模型的模擬。在一個理想化的“季風行星”設置中，他們將大氣層與較慢的地球系統組件（如海洋）隔離開來。模擬顯示，季風降雨可以在干濕狀態之間翻轉，而沒有海洋的熱慣性。這種行為的關鍵是形成了一個強大的大氣濕氣柱，可以穩定數周的降雨。卡岑伯格解釋說：“當大氣中的水蒸氣超過每平方米約35公斤時，季風就會打開。如果它低于這個值，它就會關閉。這種突然的、基于閾值的響應定義了雙穩性。"

如果這種動態被打亂，例如通過污染或全球變暖，我們可能會面臨重大挑戰，萊弗曼總結道：“這將對印度、印度尼西亞、巴西和中國等地區依賴季風降雨謀生的數十億人產生嚴重后果——這不僅會擾亂我們的氣候系統，而且會擾亂全球的社會秩序。”