《Advances in Climate Change Research》：Unveiling remote and local drivers for the interdecadal increase in summer extreme high temperature days over southern China
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为探究华南夏季极端高温日数在21世纪初的显著增多现象，研究人员开展了针对大西洋多年代际振荡（AMO）和太平洋年代际振荡（PDO）相位转变与区域土壤湿度变化的协同影响研究。结果表明，AMO转正与PDO转负共同激发罗斯贝波列，诱发华南上空高压异常，导致向下短波辐射增加；同时本地土壤湿度下降，通过增强陆-气耦合强度与感热通量，进一步加剧高温。该研究量化了海洋振荡对土壤湿度变化的贡献，为理解区域极端高温的物理机制提供了新视角。
在气候变化日益凸显的当下，极端高温事件正以前所未有的频率和强度侵扰全球。相较于平均温度的缓慢爬升，极端高温能更直接、更猛烈地冲击生态系统、农业生产、能源供应乃至人体健康。例如，2022年夏季一场席卷我国中东部地区的史无前例热浪，让超过十亿人暴露在酷热之下，并引发了能源危机。值得注意的是，我国是全球范围内极端高温增加趋势远超平均温度增幅的典型区域之一。已有的观测研究已经捕捉到，华南地区的夏季极端高温日数在21世纪初经历了一次显著的年代际跃增。然而，究竟是什么力量驱动了这一关键转折，其背后的物理机制如同笼罩在气候迷宫中的一团迷雾，亟待科学家们去拨开。
面对这一谜题，科学家们将目光投向了浩瀚的海洋与脚下的土地。海洋，作为地球气候系统的巨大“调节器”，其缓慢的脉动——年代际振荡，被认为是驱动长期气候变异的关键遥控器。其中，大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO）和太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）恰好都在21世纪初完成了重要的相位转变：AMO由负位相转为正位相，而PDO则由正位相转为负位相。与此同时，陆地表面的状况也在悄然改变。土壤湿度，作为连接陆地与大气能量和水汽交换的关键纽带，其变化能显著影响地表温度。在全球变暖背景下，即便是华南这样的湿润区，土壤湿度也呈现出明显的年代际下降趋势。那么，远程的海洋信号与本地土壤湿度变化，究竟是各自为战，还是协同作用，共同导演了华南夏季极端高温日数的这场“年代际大戏”？两者之间又存在着怎样的内在联系？中山大学大气科学学院的研究团队在《Advances in Climate Change Research》上发表的最新研究，为我们揭开了这幅复杂图景的一角。
为了回答上述问题，研究人员综合运用了多种关键技术方法。在数据方面，研究主要使用了1979-2020年夏季的多种观测与再分析资料，包括基于中国2400多个气象站观测数据插值得到的CN05.1逐日最高气温数据集、美国气候预测中心的全球统一温度数据以及欧洲中期天气预报中心的第五代大气再分析数据，用于计算极端高温日数和分析大气环流、辐射通量等变量。在分析方法上，研究采用曼-肯德尔检验来识别气候序列的年代际突变点；利用波活动通量诊断罗斯贝波的传播；并通过计算蒸发分数和陆-气耦合强度来量化土壤湿度对地表能量分配的影响。在机制验证方面，研究设计了专门的数值模拟实验，利用社区大气模式第五版，通过对比控制实验与在AMO和PDO关键区叠加了观测海温异常信号的敏感性实验，来验证海洋强迫对大气环流的影响。最后，为了量化大气环流变化对土壤湿度的贡献，研究采用了动力调整方法中的构建环流类比技术，将AMO和PDO指数作为调整因子，分离出由这两个海洋振荡相关的环流变化所导致的土壤湿度变化部分。
3.1 华南夏季极端高温日数及相关大气环流
分析表明，华南地区（100°–122°E, 21°–35°N）的夏季极端高温日数在2001年前后发生了显著的年代际增多，2002-2020年相较于1983-2001年平均增加了6.1天。这种增多与大气环流的深刻变化紧密相连。整个对流层中，贝加尔湖至华南地区上空出现了一个相当正压结构的高压异常和反气旋。与此高压异常相伴，华南上空盛行深厚的下沉运动。下沉运动抑制了云层的生成，导致总云量减少，进而使到达地表的太阳短波辐射增加。更多的太阳辐射加热了地表及其上覆空气，为极端高温日的增多创造了有利条件。
3.2 远程海洋信号的作用
那么，导致华南上空高压异常和下沉运动的“遥控器”在哪里？研究将线索指向了大洋。观测显示，2002-2020年与1983-2001年相比，北大西洋海温整体偏暖（正AMO位相），而北太平洋呈现东冷西暖的模态（负PDO位相）。与这种海温异常场相伴，在中纬度北半球出现了一个清晰的、环绕全球的遥相关波列。这个罗斯贝波列从西北大西洋起源，向东传播，经北大西洋中部、欧亚大陆西部和中部，最终影响东亚地区。波列在东亚地区诱发了正位势高度异常。同时，与负PDO相关的西北太平洋暖海温异常，也通过中纬度海气相互作用在当地激发了高压异常，并导致西太平洋副热带高压西伸，进一步维持和增强了华南上空的高压异常。数值模拟实验成功再现了由AMO和PDO相关海温异常所激发的东传波列及华南上空的高压异常，证实了这两个海洋振荡的年代际相位转变是驱动华南极端高温日数增多的关键远程物理因子。
3.3 本地土壤湿度的影响及其与远程信号的关联
除了远程遥控，本地的“放大器”作用也不容忽视。研究发现，华南所在的温带气候区夏季土壤湿度同样在2002年前后发生了显著的年代际下降，且与极端高温日数存在极强的负相关关系。土壤湿度的下降，增强了该地区的陆-气耦合强度。同时，蒸发分数降低，这意味着地表净辐射更多地分配给了感热通量，而非用于蒸散发的潜热通量。感热通量的增加直接加热了近地面空气，从而进一步助推了极端高温事件的发生。换言之，土壤湿度下降通过增强陆-气耦合和改变地表能量分配，放大了高温风险。
关键问题在于，土壤湿度的下降本身是否也受到远程海洋信号的调控？研究表明，由AMO和PDO相位转变所导致的华南上空高压异常和下沉运动，会抑制降水形成。同时，增加的太阳短波辐射又增强了地表蒸散发。这一减一增，共同导致了降水量减蒸发量（P?E，在年代际尺度上近似等于土壤湿度）的减少。通过动力调整方法的定量估算，AMO和PDO的相位转变分别可以解释华南地区土壤湿度缺失量的约25.2%和22.2%，两者合计贡献了约47.4%。这说明，远程海洋驱动与本地土壤湿度反馈并非独立，而是构成了一个串联的影响链条。
结论与讨论
该研究最终勾勒出了一幅华南夏季极端高温日数年代际增多的物理机制全景图。AMO转正和PDO转负共同作用，通过激发东传罗斯贝波列和调制副热带高压，在华南上空建立起一个相当正压结构的高压异常。这个高压异常导致下沉运动、云量减少、太阳辐射增加，直接加热地表和大气，构成了极端高温增多的基础背景场。与此同时，与上述环流变化相伴的降水减少和蒸散发增加，导致了华南地区土壤湿度的年代际下降。土壤变干反过来增强了陆-气耦合强度，使更多的地表能量以感热形式释放，从而进一步放大和加剧了高温事件。因此，远程海洋振荡的相位转变是根本诱因，而本地土壤湿度反馈则扮演了关键的“放大器”角色。
这项研究的重要意义在于，它不仅明确了AMO和PDO协同影响华南极端高温的年代际机制，更重要的是，首次量化了这两种海洋振荡通过改变大气环流而对区域土壤湿度短缺的贡献比例，从而将“远程海洋驱动-大气环流响应-本地陆面反馈-极端高温事件”这一完整链条清晰地串联起来，极大地丰富了对全球极端高温物理机制的理解和对本地土壤湿度反馈理论的认识。当然，研究也指出了一些有待深入的方向，例如AMO与PDO其他相位组合的影响、印度洋海温变化的相对重要性，以及青藏高原春季感热通量的可能作用等，这些都将为未来更全面的气候预测和风险评估提供新的科学线索。
