The Innovation | ​理解区域气候变化中更复杂的多维相互作用

导

读

在刚过去的2022年，全球经历了一系列极端气候事件，包括我国长江流域的酷暑干旱，巴基斯坦、南非和澳大利亚等地的洪水等。这些极端气候事件可能和过去几十年持续的全球气候变暖有关。理解区域气候在增暖环境下的变化机制，是预估此类气候事件在未来变化的关键。在此方面的研究近年有何新动向呢？

图1 2022年长江流域持续高温少雨，重庆嘉陵江出现“汛期反枯”现象

2022年我国长江流域和日本遭遇罕见的高温和干旱，欧洲和美国西部野火频发，巴基斯坦破纪录的洪水影响了三千万人口，北极和南极海冰消退明显。同时2022年全球地表温度也是自1880年以来第六高（NOAA），并且最暖的十年全部发生在2010至2022年间。这些迹象表明，气候系统还在不断变化中，并在不同区域表现出不同的特征。2021年开始，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）各工作组陆续发布了第六次评估报告，总结了此前气候变化的研究进展。此后科学界对不同区域气候变化间的相互作用做出了新的进展。近日，中国科学院大气物理研究所黄平研究员与国内多位青年气候研究人员对最近研究的若干焦点问题进行了解读。他们认为相较于过去的研究多关注局部气候对增暖环境的直接响应，最新的研究进一步深入到更复杂的过程，如更大范围跨地区的相互作用、不同时间尺度过程的相互作用等。

极地

极地的气候变化对极地生态系统、全球海平面高度、中纬度极端气候灾害有显著影响。近期越来越多的研究开始关注极地和其他区域相互作用以及极地气候动力和化学过程相互作用对极地气候变化的影响。比如：热带太平洋和大西洋的年代际变率对南极海冰逆势扩张的贡献、极地臭氧对南大洋海温的影响、未来厄尔尼诺变化对南大洋增温的影响等。

中纬度

全球变暖背景下，中纬度高温、干旱和洪涝等气候灾害愈发频繁。最新研究注意到极地和热带气候变化会对中纬度风暴轴、中纬度西风急流以及哈德莱环流边界有显著影响。对流层中高层热带–中高纬间的温度梯度随着全球变暖而增强，使风暴轴向极地移动，热带–中高纬相互作用的机制也导致西风急流的变化随着背景态的季节和区域变化而不同。

热带气候年际变化

热带海洋大气相互作用是厄尔尼诺等热带气候年际异常事件的核心过程。最新的研究针对厄尔尼诺、印度洋偶极子等模态的空间多样性进行更细致合理的分型，深入探究其中差异化的海气相互作用过程。在之前强调局地海洋影响的基础上，最新的研究逐渐扩展到多个海区之间的相互作用，这对研究热带气候年际变化的多样性及其气候影响具有重要意义。

大尺度海洋动力过程

近年连续的拉尼娜事件促进了海洋的热吸收，这让全球海洋热容量再创新高。最新研究揭示，大气对海洋的动力热力作用能解释近一半的全球海洋热吸收的变化；海洋热吸收的热量堆积在海洋表层，影响海洋温度层结的变化，这对全球变暖下海洋大尺度动力过程的变化有重要的影响。

CO₂去除情景下的多时间尺度过程

随着对碳中和等相关议题的关注，CO₂浓度逐渐恢复到工业化前水平下全球区域气候变化是否可逆的相关研究逐步展开。最新进展表明，由于气候系统对CO₂的响应存在快速和相对缓慢的两个过程，慢过程在CO₂下降期具有更大的贡献。因此，即使在相同CO₂浓度下，气候对CO₂的响应在CO₂上升和下降期具有显著差异。这种不对称性在CO₂下降期最显著的特征包括：更强的类厄尔尼诺海温增暖型、更显著的热带降水不均匀变化、东亚夏季风降水的滞后变化等。在未来碳中和情景下，区域气候变化的预估需考虑快慢过程的复杂叠加甚至相互作用。

区域气候变化显现时间的预估

气候变化预估中一个重要问题是区域气候的变化何时能超过气候的自然振荡而显现出来，亦即“气候变化信号的显现时间”。最新的研究初步揭示了热带的气候平均海温、降水变化和厄尔尼诺等极端事件变化的显现时间。不同气候变化信号显现的先后在不同模式间一致性较高，但定量的预估结果非常依赖于所采用的模式。这其中既有不同模式对气候变化预估的差异，也包含模式对气候系统自然振荡尤其是近期的年代际变化预估的差异，使气候变化显现时间的精确预估充满不确定性。

图2 区域气候变化受多重因子影响，涉及各纬度带之间、各海盆之间、大气海洋等各圈层之间、不同时间尺度过程之间的相互作用，理解全球变暖下多维度的相互作用是目前预估区域气候变化的核心

总结与展望

以上提到的前沿探索很多才刚刚开始。如：中高纬地区生物化学过程和动力过程的相互作用，跨洋盆的海气相互作用，碳中和情景下气候变化的多时间尺度相互作用等。在这些更复杂、更大范围的全球气候系统各分量的相互作用过程下，区域气候预估越来越需要全球视角，从地球多圈层对CO₂变化的整体响应的角度去展开研究（图2）。

现阶段，受限于观测资料长度，理解区域气候变化依赖于数值模式模拟。由于计算资源的局限，目前大多数模式比较计划只要求参与模式提供少量的模拟样本和有限的时间长度，难以厘清不同时间尺度上的相互作用。对于不同洋盆间等大跨度相互作用过程，由于过程复杂模拟误差逐步累积，目前最先进的数值模式也很难模拟个中的细节，模式间的差异较大，给预估带来较大的模式不确定性。有限的观测和不完善的模拟常存在一些相互矛盾的结论，例如热带太平洋海表增暖的空间分布型，目前的数值模式多预测为东太平洋增暖较多的“类厄尔尼诺”型，但最近几十年的观测却呈现出东太增暖较少的“类拉尼娜”型。提高数据和模拟精度，是进一步理解区域气候变化中更复杂相互作用的关键。

责任编辑

成泽怡    中山大学

高   阳    中国海洋大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00026-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第二期以Commentary发表的“More complex interactions: Continuing progress in understanding the dynamics of regional climate change under a warming climate” (投稿: 2023-01-27；接收: 2023-02-15；在线刊出: 2023-02-18)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100398

引用格式：Huang P., Zheng X., Li X., et al. (2023). More complex interactions: Continuing progress in understanding the dynamics of regional climate change under a warming climate. The Innovation. 4(2),100398.

作者简介

黄 平，中国科学院大气物理所研究员，博士生导师。主要从事热带及东亚夏季气候变化研究，近10年来在热带降水变化机制、热带海温变化分布型、ENSO降水变化、热带年际海气耦合过程变化等方面取得重要进展。在Nature Geoscience, Nature Communications, Journal of Climate等国际一流期刊上发表通讯作者论文近50篇。获国家自然科学基金优秀青年基金项目、面上项目、青年项目，国家重点研发计划课题等资助。入选中国科学院青年创新促进会优秀会员。

胡开明，大气物理研究所研究员，研究方向为ENSO、季风及气候变化。主要揭示了全球变暖下ENSO自身及对东亚气候影响变化的新机制；发现下垫面大地形能将ENSO导致的气候异常锚定于一些固定地理位置的新现象；提出了ENSO影响东亚夏季气候的西北太平洋放大器和印度洋电容器过程；并将这些机制应用于中国夏季极端高温、降水、极端台风等预测研究。成果发表于Nature Geosciences、Journal of Climate 等多个地学期刊。获中科院优秀博士论文、广东省科学技术奖励一等奖等奖励，入选中国科学院青年创新促进会。

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