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Nature Climate Change：不平衡的变暖—追踪温室气体的气候响应“记忆”

来源：花匠小妙招时间：2024-11-06 19:47

来源：南方海洋实验室

2022.03.26

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全球气候变暖及其带来的一系列环境问题日益深刻地影响着人类的生存和发展空间。自上世纪90年代以来，世界各国一直为应对气候变化作出努力。2021年第26次联合国气候变化峰会（简称COP26）在英国格拉斯哥举行，该峰会被视为能否将全球气温上升控制在1.5℃的最后机会。各个国家为争取本国（地区）相关温室气体排放权利和未来发展空间做出了很多努力，关于全球气候变化问题的深入研究也为国家可持续发展战略及防灾减灾等提供了许多重要的决策支撑。

近日，我实验室地球系统模式创新团队首席科学家董文杰教授、核心成员李庆祥教授等专家在著名学术期刊Nature Climate Change（中科院SCI一区TOP，影响因子为25.290）上发表学术论文“Different climate response persistence causes warming trend unevenness at continental scales”。

文章回答了当前许多热点气候变化问题，指出气候响应的持续性差异导致了区域性变暖不均衡。文章第一和通信作者为李庆祥教授，第二、三作者分别为李庆祥教授的博士生盛博思和硕士生黄佳颖；华东师大地理学院李超研究员、美国国家环境数据中心（NCEI）的Boyin Huang博士和英国东安吉利尔大学气候研究中心（CRU）Phil Jones教授及我院宋朝阳副教授、多名研究生为共同作者。文章的并列第一单位为中山大学大气科学学院、热带大气海洋系统科学重点实验室和南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）。

论文首先基于研究团队近年来研发、并于2021年被政府间气候变化委员会（IPCC）第六次科学评估报告（AR6）使用并收录的全球陆地气温数据集（China global Land Surface Air Temperature version 2.0，C-LSAT 2.0）分析得出：自20世纪初、中期以来，中国区域平均升温速度均稳定地分别比纬度、范围类似的美国同期升温速度约快1/3~1/2。这个结果和区域性气候变化的影响、归因和应对等问题密切相关，因而长期以来得到了广泛的关注。

近年来，一些研究人员倾向于将这种显著性差异归因于中国区域更高的温室气体排放或者是快速的城市化进程，但显然这种解释还缺乏非常有力的观测和模拟证据。根据IPCC最新的耦合模式历史集合模拟输出（CMIP6），美国区域的平均气温对于外部强迫（主要是温室气体和气溶胶）响应，要明显强于中国区域平均气温的响应，而这和观测结论正好相反。

我们知道，当前国际主流的归因研究往往严重依赖于模式模拟的表现，由此推断，采用没有正确模拟区域性差异的CMIP6模式对这种区域性气候变化进行归因研究，极大可能会导致相当的偏差和不确定性。

图1 由CMIP6历史模拟输出及团队自己发展的基准观测数据和分解建模分别得到的中、美两国区域气温变化的外强迫信号

为了深入理解大陆尺度区域性的增暖不平衡性的物理本质，文章结合团队近年发展的新的建模方法（多元线性回归和差分自回归移动平均组合数学模型），系统分析了中、美两国平均气温多时间尺度变化的外强迫（“信号”）和内部变率（“噪声”）分量。结果表明：采用该组合统计模型，较好地直接分解出了与大陆尺度气温历史观测事实相符的外强迫信号的线性与非线性响应分量（图1）。

文章进一步分析表明，这种区域性增暖的不均衡性可以用区域平均气温对外强迫响应的长程持续性（Persistence）（或“记忆”（Memory））来较好地解释。气候变化的长程持续性（Long-term Persistence）（或“记忆”）包含了海气耦合作用的影响，并在年代际和世纪尺度上得以强化，成为了当前气候变化研究的一个关键问题。作者们通过对比2000年以来（这一段时期的气候变化特征较为平稳）古气候代用重建资料和100多年来的现代气候基准观测数据，发现无论在千年尺度上，还是在百年尺度上，中国区域平均温度的“记忆”都显著强于美国（图2），即它贡献了更多的外强迫导致的增暖趋势（而CMIP6模式则再次低估了这种持续性差异）。

图2 百年尺度、千年尺度上中、美两国平均气温对外强迫响应的持续性对比

最后，考虑到人为气溶胶对气候变暖的影响问题也是近年来区域气温变化研究的重要关注焦点之一，很多研究者强调认为中国区域气温变化更多地受到气溶胶的影响。为了澄清这一事实，论文进一步对比分析了模式长期再分析数据，以及对气溶胶的贡献进行了经典的指纹分析，两个途径一致证明：人为气溶胶强迫对中国、美国两个区域的气温变化趋势的贡献是基本类似的（图3）。在排除了人为气溶胶的可能影响后，文章最终指出：上述大陆尺度增暖趋势的不均衡性主要是由于区域性温度变化对于温室气体排放的响应的持续性（“记忆”）差异所导致。

图3 采用经典方法得到的气溶胶强迫因子对中美两国气温变化的贡献

本文用充分的证据证明：即使假设人为排放的温室气体是全球充分混合的，大陆尺度上的平均气温对其响应也存在显著的区域性差异，即温室气体强迫对于中国区域的增暖速度比对美国区域有更强的贡献，而气候系统内部变率对美国区域的平均温度变化具有更强的调制作用。这同时也进一步说明，要顺利完成《巴黎协定》所规定的全球减排任务，实现碳达峰、碳中和目标，从而使得本世纪末全球温度增暖控制在一定范围内，仅仅依靠单个或部分国家（地区）的努力是不全面的，而是更急切需要开展更广泛的全球性合作，同心缪力、节能减排，共建人类美好生活家园。

值得一提的是，本文：

1)主要基于团队自己研发的数据集；

2)主要采用团队自己发展的数学方法；

3)至少涉及了若干个科学问题，有些还是当前极富争议的前沿问题，如城市化对气候变化的影响、大西洋多年代际振荡（AMO）周期的形成、大气气溶胶对区域性增暖的贡献，等等。

文章针对这些问题，用较为扎实的分析和正反面论证，一一给出了作者们的明确观点。

另外，非常巧合的是，这篇文章最初灵感是来自德国气象学家Klaus Hasselmann教授的1976年的一篇经典文献，而恰好在本文的审稿期间，Klaus Hasselmann教授和Syukuro Manabe教授共同获得了2021年度的诺贝尔物理学奖。

文章在线的链接为：

https://www.nature.com/articles/s41558-022-01313-9