黄刚等-EF: 外强迫与内部变率对中亚冬季降水百年变化的相对贡献

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        中亚地区水资源极度匮乏，冬季降水成为保障农业灌溉与民生发展的关键水源。在全球变暖背景下，原本以高山积雪与春季融雪为主的水源补给方式正逐渐被液态降水取代，这一转变对区域水资源调配、农业种植制度以及基础设施建设提出了新的挑战。与此同时，历史时期中亚冬季降水的变化趋势复杂多变，尤其是1891至1946年间的持续干涸趋势与此后逐步恢复的湿润趋势，不仅影响了区域的农业生产格局和生态系统稳定，也对早期水利工程规划和区域经济发展带来深远影响。迄今为止，这一百年尺度上的转变仍缺乏对其驱动机制的系统理解，制约了气候模型在区域尺度上的预测能力，也为当前制定应对未来水资源风险的政策带来不确定性。

        为深入理解中亚冬季降水长期演变的成因，基于观测数据与第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）提供的多模式集合模拟，中国科学院大气物理研究所研究人员从外强迫与内部变率两个维度分解中亚冬季降水的长期变化趋势，揭示了中亚百年降水变化背后的主导机制。

        研究发现，温室气体的累积排放持续增强了中亚地区的水汽输送，整体上推动了中亚冬季降水的增加；与此同时，人为气溶胶排放则在一定程度上抵消了这种增湿趋势。尽管外强迫呈现出一致的上升趋势，主导中亚冬季降水百年变化的却是内部气候变率，尤其是大西洋年代际变率（Atlantic Multidecadal Variability, AMV）的位相转变。具体而言，1891至1946年间，AMV由冷位相转为暖位相，在欧亚大陆激发出罗斯贝波列结构，引发了中亚地区上空的反气旋性环流异常，从而压制了本应由温室气体驱动的降水增加趋势，使区域降水呈现下降。而1947至1997年间，AMV转为冷位相，激发的气旋性环流异常增强了区域水汽输送与上升运动，降水增长趋势被显著放大。

        进一步的动力机制分析显示，AMV所激发的波列结构通过汲取背景大气中的斜压能维持其传播与稳定，进而改变中亚地区的环流格局。AMV暖位相引发的高压系统对区域降水形成显著抑制作用，成为中亚冬季降水长期变化的主控因子。面向未来，研究团队进一步评估了不同排放路径下外强迫对中亚冬季降水的影响。结果表明，在高排放情景下，外强迫主导的增湿趋势将在2030至2060年间超越内部变率的范围（即“变化显现时间”提前出现），而在中等排放情景下，该时间则推迟至2060年之后。这意味着，若不限制未来碳排放，中亚地区极端水文变化将在更早时期出现，对区域适应能力构成严峻挑战。

        “我们的研究表明，中亚百年降水演变背后隐藏着强烈的内部气候信号，而非简单的外强迫响应。理解这一机制有助于更准确地预测未来区域水资源变化趋势，也为中亚地区制定适应和缓解气候变化政策提供了科学依据。”研究通讯作者、中科院大气所黄刚研究员指出。

        该研究成果近期发表于《Earth’s Future》期刊，论文第一作者为大气所博士研究生姚梦媛，合作者包括英国谢菲尔德大学唐颢苏博士与大气所黄刚研究员。本研究受到国家自然科学基金项目（42141019与42261144687）的联合资助。

        参考文献：
        Yao, M., Tang, H., & Huang, G. (2025). Roles of external forcing and internal variability in winter precipitation changes over Central Asia. Earth's Future, 13, e2025EF006064.

        文章链接：
        https://doi.org/10.1029/2025EF006064

图一 中亚冬季降水的长期变化趋势与成因分析。(a) 1891至2014年中亚冬季降水的长期趋势分布图，打点表示趋势在统计上显著。(b) 不同时期（1891至1931年、1932至1972年、1973至2014年）降水异常的分布差异。(c) 各气候模式对1891至1946年与1947至2014年观测降水趋势的模拟结果。不同符号区分早期与后期，展示内部变率对趋势的影响。(d) 观测到的降水变化及其内部变率与外强迫成分的分解。

图二 未来不同排放情景下中亚冬季降水外强迫信号的演变与显现时间（ToE）分析。(a) 21年滑动窗口下，各气候模型、多模式集合平均（MME）和观测值在历史（1891–2014年）、中等排放（SSP2–4.5）和高排放（SSP5–8.5）情景（2015–2099年）中的外强迫趋势。(b, c) 同(a)，但分别表示趋势的标准差和信噪比（趋势与标准差之比），衡量外部信号是否显著强于内部变率。(d) 外强迫降水异常的11年滑动平均时间序列，分别对应历史（黑色）、SSP2–4.5（黄色）和SSP5–8.5（紫色）情景。阴影表示模式间的不确定性范围。插图显示不同情景下外部信号超过内部噪声（ToE）的时间点，黄色和紫色垂直线分别表示SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下的ToE时间。(e) SSP2–4.5情景下中亚地区ToE空间分布。(f) 同(e)，但为SSP5–8.5情景结果。

图三 中亚冬季降水在1946年前后变干与变湿的动力机制示意图。(a) 1946年之前，(b) 1946年之后。图中展示了大西洋多年代际变率（AMV）位相转换、西风急流（SWJ）位置变化、AMV诱发的200 hPa罗斯贝波列，以及中亚降水趋势的变化。红色（蓝色）阴影表示AMV由冷向暖（由暖向冷）转变，蓝色曲线表示罗斯贝波传播路径。字母A与C分别代表反气旋与气旋异常。绿色、蓝色虚线和黄色虚线椭圆分别表示SWJ对全强迫、温室气体（GHG）和气溶胶（AER）强迫的响应。图中黄色太阳符号和向下箭头表示中亚地区变干和异常下沉运动，蓝色雨滴符号和向上箭头表示变湿和异常上升运动。

来源：https://iap.cas.cn/gb/xwdt/kyjz/202507/t20250730_7899281.html