全球范围内，季风降雨在春季开启，秋季关闭。迄今为止，这种季节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（PIK）的一项新研究发表在科学期刊《PNAS》上，首次表明大气可以在较长时间内储存水分，产生物理记忆效应。这使得季风系统能够在两个稳定状态之间切换。破坏这种微妙的平衡将对印度、印度尼西亚、巴西和中国的数十亿人产生严重后果。
全球范围内，季风降雨在春季开启，秋季关闭。迄今为止，这种季节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（PIK）的一项新研究发表在科学期刊《PNAS》上，首次表明大气可以在较长时间内储存水分，产生物理记忆效应。这使得季风系统能够在两个稳定状态之间切换。破坏这种微妙的平衡将对印度、印度尼西亚、巴西和中国的数十亿人产生严重后果。
“大气可以通过以水蒸气的形式储存物理信息来‘记住’其先前状态，”PIK研究员、该研究的作者安佳·卡岑贝格解释道。“在实际意义上，这意味着即使太阳辐射随着季节的变化而增加或减少，大气并不总是立即作出反应。在春季，水蒸气会在几天和几周内积累。这个水库决定了初夏季风降雨的开始，并在秋季太阳辐射开始下降时仍能维持降雨。”
大气中的路径依赖：季风如何“记住”
通过结合来自印度、中国和其他季风地区的观测数据与大气模拟，研究小组表明大气的状态取决于其季节历史：如果已经在下雨，降雨就会持续。然而，如果干旱，就很难启动降雨。在春季，大气通常是干燥的，需要“充满”水蒸气才能开始季风。相比之下，秋季的后季风大气保持潮湿，即使太阳辐射减弱仍能继续支持降雨。“这种行为就是我们所称的双稳态，”卡岑贝格说。“在相同的太阳辐射水平下，大气可以是干燥的或多雨的，具体取决于先前的状态。”
“我们早就知道像海洋或大型冰盖这样的系统具有某种记忆。但大气？那被认为是不可能的，”研究的共同作者安德斯·列弗曼补充道，他负责PIK的复杂性科学部门。“这种记忆效应导致季风降雨的开关式行为，季节性的从‘关闭’到‘开启’再到关闭。关键是，这并不是逐渐发生的——它是突发的、突然的。”这种突然的变化特征在气候系统中的其他临界点元素中很常见，但季风是特别的，列弗曼表示：“特别值得注意的是季风每年都会跨越其临界点，然后返回。这可能使我们在未来能真正通过观测数据识别临界点并开发早期预警系统。”
观察、理论和模拟的结合
为了揭开这种双稳态行为背后的机制，研究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进行模拟。在理想化的“季风星球”设置中，他们将大气与海洋等较慢的地球系统组件隔离开。模拟显示，季风降雨可以在干燥和湿润状态之间切换，而不需要海洋的热惯性。支撑这种行为的关键是形成一个强健的大气水汽柱，这可以在数周内稳定降雨。卡岑贝格解释道，这个系统中的中央临界点可以清晰地识别为一个阈值：“当大气水蒸气超过每平方米约35千克时，季风开启。如果低于这个数量，它就关闭。这种基于阈值的突然响应定义了双稳态。”
如果这种动态受到干扰，例如通过污染或全球变暖，我们可能会面临重大挑战，列弗曼总结道：“这将对依赖季风降雨维持生计的印度、印度尼西亚、巴西和中国等地区的数十亿人产生戏剧性的影响——这不仅会扰乱我们的气候系统，还会扰乱我们全球的社会。”
