热带扩张之谜：十七年的探索与争论
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热带扩张的发现及其影响
大气环流塑造了地球多样化的区域气候。受Hadley环流上升气流控制，热带地区雨量充沛，形成热带雨林型气候；而在副热带地区，受Hadley环流下沉分支影响，气候常干旱少雨，形成广袤的干旱带及沙漠，如撒哈拉（图1）。
图1 大气环流与区域气候的关系 (Heffernan, 2016, Nature)
2004年，美国华盛顿大学付强教授根据卫星数据首次发现，热带南北两侧的对流层温度异常快速升高。两年后，付强等正式在 Science 杂志上报告该项发现，指出它可能是Hadley环流向高纬度地区扩张的结果，简称热带扩张（Fu et al., 2006）。 热带扩张对副热带干旱带、中纬度降雨带、台风路径、西风急流以及海洋环流等都有广泛影响。其发展趋势将重塑全球水资源、气候带乃至未来人口分布。因此，自热带扩张被提出以来，科学家一直在探索其成因。据北京大学胡永云教授介绍，关于热带扩张机制的研究共发表不少于一千篇专业学术论文，但至今仍未达成共识。
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复杂的热带扩张
基于数值模拟的早期研究表明，大气二氧化碳浓度上升会导致热带扩张。但模拟得到的热带扩张速率仅约0.2度/十年，远小于观测值（约1度/十年）。为此，科学家进行了广泛地研究，试图确定模拟与观测差异的来源。进一步的数值实验表明，南极臭氧空洞可以增加南半球的热带扩张幅度；而北半球副热带空气污染（黑碳型大气气溶胶和臭氧）可以扩大北半球热带扩张范围。因此，科学家提出，热带扩张主要由人类活动引起的二氧化碳、气溶胶和臭氧浓度变化所共同驱动。
但问题并非如此简单，其他学者很快指出了矛盾的事实。为了评估热带扩张幅度，科学家提出十多种不同的指标（详见Staten et al., 2018; Waugh et al., 2018）。有研究人员发现，热带扩张速度受评估指标影响很大，使用高层大气指标（如地球长波辐射、对流层顶最大梯度位置）容易高估热带扩张速度；此外，观测数据的质量也会影响热带扩张速率的评估。剔除这些因素后，观测数据所反映的热带扩张速率大幅下降，但仍比数值模拟得到的速率快。
进一步的研究表明，热带扩张存在着强烈的年际和年代际变化。这种变化与二氧化碳、臭氧以及大气污染并无关联，而是受海洋温度调控：在厄尔尼诺年或太平洋年代际震荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）正相位时期热带收缩；反之，在拉尼娜年或PDO负相位时期热带扩张。过去几十年，快速热带扩张与PDO的正负相位转化相重叠，因此可能是自然变率范围内的巧合。不需要任何外部强迫，数值模拟里也存在偶发性、几十年尺度的快速热带扩张。因此，所谓的观测-模拟差异最直接的原因可能是把多模式的外部强迫趋势与观测中的自然变率进行了不合适地比较。
倘若观测显示的快速热带扩张是气候系统的自然变率，那么，前人所提出的南极臭氧空洞、或者北半球大气污染（气溶胶）导致Hadley环流快速扩张，其结论自然而然也是值得怀疑的。尤其是气溶胶对热带扩张的作用。气溶胶常被认为是制冷型空气污染，Allen et al. (2012) 的研究中选定了一种黑碳型气溶胶，人为地制造了气溶胶的加热作用，推动了数值模拟里的北半球热带扩张，这与真实世界相差甚远。付强教授在2016年接受 Nature 采访时也表达了对南极臭氧驱动热带扩张的质疑：“If ozone depletion was dominating the expansion in the Southern Hemisphere in the past 30 years, would you see such symmetry? I'm not convinced…” 。
真实世界里，热带扩张不仅发展迅速，它还有很大的区域差异：每个区域的热带扩张不仅幅度不同，而且相位也各有差异。此外，Hadley环流的宽度并不是每年都在增长，其年际变化与海洋温度波动紧密相关。由于卫星观测以来的海洋升温趋势与PDO负相位形态极为相似，有一大批学者相信，过去四十年所记录到的热带扩张并非人类活动引起，而是由PDO正负相位转化驱动的内部震荡。
以上仅就热带扩张的外部强迫、内部震荡关系进行讨论。关于热带扩张的动力学机制，更是众说纷纭。2018年，Nature Climate Change 发表了由美国印第安纳大学Paul W. Staten博士、美国太平洋西北国家实验室吕健研究员领衔的综述文章（Staten and Lu et al., 2018）。文章认为，Hadley环流边缘的下降运动主要由涡流通过“涡流泵”效应驱动。因此，任何热带扩张机制都必须包括涡流的影响。该文凝练了五种与涡流相关的热带扩张机制，详见Staten and Lu et al. (2018)。而据美国芝加哥大学Tiffany Shaw研究员统计，过去十多年来，科学家共提出八种不同热力学出发点的二十四种动力机制来解释热带扩张以及与其关联的中纬度大气环流位移现象。其中涉及复杂的大气动力过程，笔者不再详述（详见Shaw, 2019）。
至此，热带扩张成为一个由多种因素驱动、有多种动力学解释、越来越复杂的气候现象。2016年，Nature 发表了关于热带扩张之谜的专题新闻报道，记者采访了多位从事热带扩张研究的学者，他们各自表达了对热带扩张成因的困惑（Heffernan, 2016, Nature）。来自NOAA的Dian Seidel研究员讲道：“We're at a stage where we recognize the problem is more complex than we originally thought.” 美国约翰斯·霍普金斯大学Darryn Waugh教授也指出：“It's a chaotic system, so some of the variability is just noise in the system.” 澳大利亚气象局Chris Lucas研究员认为：“We don't have a full explanation yet and I don't think there's going to be one single explanation. It's going to be a little bit of this and a little bit of that.”
Tiffany Shaw研究员也在其2019年发表的综述文章中表达了类似的困惑。她呼吁大家提出新的、简单的、透明的、可证伪的、能够在不运行数值模式的情况下预测热带扩张响应的机制：“I would also recommend any new mechanism proposed in the future should (1) be simple, (2) be able to predict the circulation response without running a model, (3) involve an equation (to ensure transparency), and (4) be falsifiable.” 考虑到已有机制大多可以解释热带扩张的部分特征，或解释部分数值实验里的热带扩张，笔者认为，一个有突破性的新机制还需要能统一地解释热带扩张的诸多特征，包括区域差异、年际变化以及气候变暖背景下的趋势。同时，新机制还应该能统一地解释观测以及为数众多的数值模拟里的热带扩张。
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来自哲学的启示
当大家绞尽脑汁都找不到问题的答案时，来自哲学的启示可能为我们开辟新的道路指明方向。中世纪哲学家William of Occam提出的著名剃刀定律指出：“The simplest solution is always the best”。许多著名科学家都有不同表述的类似体会。笔者在德国留学期间，多次听到有关著名气候学家Mojib Latif教授的故事：一个学生很卖力地花半个小时时间试图解释某一科学问题。Latif听后不假思索地回答：“你的解释是错的，因为它太复杂了。” 著名物理海洋学家黄瑞新教授也经常讲，要尝试用一张邮票大小的纸把问题解释清楚。那么，热带扩张机制有没有可能并不复杂？
图2 欧洲中世纪哲学家、逻辑学家William of Occam肖像（图片引自Wikipedia）
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“简单”的热带扩张
大气环流最根本的动力源自于赤道和两极之间的温差，也即温度梯度。回过头来重新审视热带扩张：其首条证据是副热带对流层的快速升温；其最主要的特征是热带南北两侧的西风急流向更高纬度移动（Fu et al., 2006）。根据热成风关系，西风急流主要由中纬度强烈的水平温度梯度维持（图3）。因此，可以推断，西风急流向更高纬度移动（也即热带扩张）应该由中纬度水平温度梯度位移所驱动。而热带扩张的首条证据——副热带对流层的快速升温，恰恰是温度梯度位移的主要原因。因此，热带扩张被发现之初，其动力机制可能已经隐藏在其表象之下。
图3 气候态纬向风（背景颜色）与经向水平温度梯度（黑色等值线）分布。根据热成风关系，中纬度西风急流主要由强烈的经向温度梯度维持。因此，西风急流的迁移也必然由温度梯度的迁移驱动。
结合观测及数值模拟，Yang et al. (2020) 首次报告，热带扩张时期，中纬度地区的水平温度梯度向高纬度方向移动。受副热带海洋快速升温影响，过去四十年间，中纬度经向温度梯度向两极方向推进，驱动了西风急流的移动，也即热带扩张。Yang et al. (2020) 指出，副热带海洋的快速升温，不完全是PDO相位转换的体现，其很大程度上是副热带海洋环流辐聚表层热量的结果（图4）。Yang et al. (2020) 的工作实际上解释了Fu et al. (2006) 提出的首条热带扩张证据——副热带大气对流层快速升温，阐释了副热带大气升温是源于其下垫面海洋的快速升温。
图4 热带扩张机制示意图。受辐聚型副热带海洋环流约束，气候变暖背景下，副热带海洋快速升温，推动中纬度经向温度梯度向更高纬度移动。温度梯度的位移驱动了中纬度大气斜压、西风急流、降雨带向更高纬度位移，也称热带扩张 (Yang et al., 2023) 。
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有关争议
温度梯度位移理论虽然简单，但其发表过程历经曲折（三篇文章累计被拒稿6次）。有审稿人指出，虽然水平温度梯度位移与热带扩张有相关性，但并没有足够的证据表明是温度梯度变化驱动了热带扩张，也可能是热带扩张导致了温度梯度的移动。此外，也没有充足的证据证明副热带海洋的快速升温（图4）不是PDO。
由于PDO的主要特征是太平洋东西向的温度差。为了回避PDO的影响，Yang et al. (2022) 开发了一款简化的水球模型（除去南北极，地球被海洋覆盖，无东西向差异，可以有效去除PDO的影响）。水球模型的温室气体实验表明，受辐聚型表层海洋环流约束，副热带海洋会更快地热起来。这与观测数据显示的副热带快速升温相似。此外，通过在水球模型中技术性地阻断热带扩张对海洋温度和海洋环流的影响，Yang et al. (2022) 证明：原始的海洋温度梯度位移（或副热带海洋快速升温）独立于热带扩张；温度梯度移动可以驱动热带扩张；没有热带扩张就不会有海洋环流的迁移；海洋环流的迁移会对温度梯度位置以及热带扩张产生正反馈作用。但争议并未就此结束。
在探求热带扩张机制的过程中，科学家们从多种不同角度分析了大量的数值实验。Yang et al. (2020; 2022) 的发表过程中，均有审稿人指出：在abrupt4xCO2实验里，当大气二氧化碳浓度突变到四倍量级时，南半球热带扩张的发展速度非常快（图5c，红线），2-3年内即可达到其最终幅度的90%（Grise and L. M. Polvani, 2017; Chemke and Polvani, 2019）。因此，热带扩张不大可能由相对较慢的海洋温度变化所驱动。此外，还有研究表明，在amip4K实验中，不需要引入任何水平温度梯度异常，全球均一的海表面升温也会导致热带扩张。基于abrupt4xCO2、amip4K的实验结果表明，温度梯度位移理论是错的。
图5 Abrupt4xCO2实验中各区域热带扩张轨迹对比。红线为热带扩张轨迹；蓝线为中纬度温度梯度位移轨迹；绿线为海洋温度变化；黑线为副热带大气静态稳定性变化；灰线为经向温度梯度强度变化 (Yang et al., 2023) 。
为了验证热带扩张机制，Yang et al. 于2023年 在 Ocean-Land-Atmosphere Research 发表文章，重新分析了包括abrupt4xCO2、amip4K在内的多组数值实验。
结果表明，在abrupt4xCO2实验中，虽然海洋温度的升高过程相对缓慢，但受副热带海洋相对较快地升温（图6），水平温度梯度的位移非常迅速，与热带扩张在全球不同海区的发展轨迹高度一致（图5，红线与蓝线）。因此，Abrupt4xCO2实验不仅没有否定温度梯度位移理论，相反，其恰恰很好地证明：在大气二氧化碳浓度快速上升的背景下，副热带海洋会相对较快地热起来（图6），这与卫星观测到的海洋升温趋势（图4）极为相似；副热带海洋相对快速地升温导致水平温度梯度快速位移；温度梯度位移与热带扩张的发展轨迹在每个海区都高度一致，是驱动热带扩张的最初热力学原因。
图6 Abrupt4xCO2实验中第1-2年海表面温度异常 (Yang et al., 2023)
Yang et al. (2023) 的研究还表明：在amip4K实验中，虽然全球海洋升温均一，但由于温度与蒸发、长波辐射的非线性关系（Clausius-Clapeyron relation, Stefan-Boltzmann law），全球均一海洋升温更容易在副热带海区对大气产生强的加热效应，从而引起对流层内水平温度梯度与西风急流的位移（图7）。Yang et al. (2023) 还使用数值实验进一步证明，即便在气候变冷的条件下，只要水平温度梯度向两极方向移动，Hadley环流也会扩张。该系列实验表明，水平温度梯度位移对中纬度大气环流的位移具有根本性的主导作用。
图7 amip4K实验中（a）气温（b）水平温度梯度与（c）西风急流异常。背景色代表异常值，等值线代表气候平均态分布 (Yang et al., 2023) 。
还有审稿人指出，温度梯度位移理论虽然可以解释热带扩张，但其只是热带扩张备受争议机制中的另一种可能，它增加了热带扩张机制的复杂性。为此，Yang et al. (2023) 系统地讨论了温度梯度位移理论与已存机制的关联。具体而言，温度梯度位移理论可以统一地解释为什么在不改变海洋温度的条件下，大气二氧化碳、臭氧以及气溶胶浓度变化都会引起热带扩张：（1）受气候态长波辐射分布影响，大气二氧化碳浓度升高会导致副热带干旱带吸收更多的长波辐射。从而对副热带大气产生相对强的加热效应，驱动水平温度梯度向两极方向移动；（2）南极臭氧空洞减少了南极大气对紫外线的吸收，对南半球高纬度地区产生冷却效应，推动温度梯度以及西风急流向南位移（南半球热带扩张）；（3）北半球副热带黑碳型气溶胶及臭氧升高会对北半球副热带地区产生加热效应，推动北半球温度梯度向北移动以及北半球热带扩张。Yang et al. (2020; 2023) 的结果还证明，热带扩张的区域差异以及年际变化也都与温度梯度的区域位移以及年际变化一致（图5）。
不仅如此，温度梯度位移理论也能一致地解释Staten and Lu et al. (2018) 提到的大气涡流理论。大气涡流主要由大气斜压不稳定性引起。大气斜压不稳定性主要由强的水平温度梯度维持。温度梯度位移导致大气斜压位置发生变化，进而驱动了热带南北两侧的涡流向更高纬度推进。
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时间是最好的“试金石”
历经十七年的探索，科学家对热带扩张的认识从“简单”走向复杂，又从复杂走向“简单”。热带扩张机制在不断地批判与否定中完善。没有批判与否定，就不可能有新理论出现，也就不可能有科学的进步。虽然有关争论仍未结束，但笔者相信，随着时间的推移，热带扩张机制必然会在不断地争论过程中越辩越明，我们也会离最终达成共识越来越近。
申 明
在探索热带扩张之谜的道路上，研究人员发表了大量文献。受篇幅及笔者写作水平所限，本文无法全面概括，请大家见谅。本文仅根据笔者粗浅的认知撰写，如有疏漏之处，请读者朋友们提出宝贵的批评与意见。最后，笔者感谢美国太平洋西北国家实验室（PNNL）吕健研究员分享有关热带扩张的故事！
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原文链接：
https://spj.science.org/
doi/10.34133/olar.0004
文章标题：
Evaluating the Mechanism of Tropical Expansion Using Idealized Numerical Experiments
文章作者：
Hu Yang, Gerrit Lohmann, Xiaoxu Shi and Juliane Müller
文章摘要：
A wide range of evidence reveals that the tropical belt is expanding. Several mechanisms have been proposed to contribute to this expansion, some of which even contradict each other. The study of Yang et al. suggests that the poleward advancing mid-latitude meridional temperature gradient (MTG), originating from enhanced subtropical ocean warming, plays a leading role in driving tropical expansion. However, the abrupt4xCO2 experiment indicates that tropical expansion occurs at a faster rate than is indicated by changes related to ocean temperature rise. The idealized amip4K experiment illustrates that without introducing any ocean warming pattern, uniform ocean surface warming also drives tropical expansion. The results based on these idealized experiments seem to contradict the hypothesis proposed by Yang et al. In this study, we revisit these 2 experiments and show that both experiments actually support the hypothesis that MTG migration is driving tropical expansion. More specifically, in the abrupt4xCO2 experiment, although the rate of ocean warming is relatively slow, the poleward shift of the MTG is as rapid as tropical expansion. In the amip4K experiment, although ocean surface warming is uniform, the heating effect of the ocean on the atmosphere is nonuniform because of the nonlinear relationship between temperature, evaporation, and thermal radiation. The nonuniform oceanic heating to the atmosphere introduces a poleward shift of the MTG within the upper troposphere and drives a shift in the jet streams. By conducting an additional idealized experiment in which tropical expansion occurs under both a migrating MTG and a cooling climate, we argue that the migration of the MTG, rather than global warming, is the key mechanism in driving tropical expansion.
文章引用：
Yang H, Lohmann G, Shi X, Müller J. Evaluating the Mechanism of Tropical Expansion Using Idealized Numerical Experiments. Ocean-Land-Atmos. Res. 2023;2:Article 0004.
本文作者
杨虎 首席研究员
南方海洋实验室
杨虎，本科、硕士毕业于中国海洋大学，博士毕业于德国AWI极地与海洋研究所、不来梅大学，现就职于南方海洋科学与工程广东省实验室 (珠海) 。主要从事气候动力、古气候模拟、海平面变化方向研究。其在大洋西边界流变化、大尺度海洋环流漂移、热带扩张机制、格陵兰冰盖演化等方向的研究成果受到学术界及大众的广泛关注。其系列成果被IPCC报告多个章节作为主要科学进展引用，同时也被包括加拿大广播、华盛顿邮报、明镜周刊、俄新社在内的国际媒体关注报道130余次。
联系邮箱：yanghu@sml-zhuhai.cn
参考文献
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