《Atmospheric and Oceanic Science Letters》：Increased interannual variability of temperature over China during the Last Interglacial and Last Glacial Maximum: Magnitudes and asymmetric seasonal patterns
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本研究聚焦于理解不同古气候背景下极端气候事件的驱动机制。研究人员利用CMIP6多模式模拟，分析了末次间冰期（LIG）和末次冰盛期（LGM）中国地区近地表气温年际变率的变化及驱动因素。结果表明，相比于工业化前，两个时期中国气温年际变率均增强，但呈现出非对称的季节模式，其增强主要由轨道强迫和温室气体浓度变化所驱动。该研究为理解极端气候事件在不同气候背景下的机制提供了重要的古气候参考。
气候变化是当今人类社会面临的重大挑战之一，而极端气候事件因其巨大的破坏力，正引发越来越多的关注。科学研究表明，极端事件的发生与气候的“平均状态”关系并不那么直接，反而与气候的“变率”——即气候要素围绕其平均值波动的幅度和频率——有着更为密切的联系。想象一下，平均气温相同的两个年份，一个温度稳定，另一个则在酷热与严寒间剧烈摆动，后者带来的高温热浪、寒潮等极端事件无疑更多，对农业、交通和经济的影响也更大。因此，要更好地理解并预测未来极端气候，深入研究气温变率的规律至关重要。
然而，当前对气温变率的研究存在一个瓶颈：观测记录的时间长度有限，难以涵盖完整的自然气候周期。这就像我们想了解一个城市的交通全貌，却只观察了早晚高峰的几个小时。为了突破这一限制，气候学家们将目光投向了地球的过去。其中，末次间冰期（LIG，约12.9-11.6万年前）和末次冰盛期（LGM，约2.3-1.9万年前）是两个极具代表性的“古气候实验室”。LIG是过去的典型暖期，其夏季北半球陆地温度与未来几个世纪的预测值相当；而LGM则是典型的冷期，全球平均温度比工业化前低约3-8°C，这与未来几个世纪的预期增暖幅度相当。研究这两个“天然实验”背景下的气候，能为理解当前和未来的气候变化，特别是极端气候变化，提供关键的“历史参照系”。
尽管已有研究从全球尺度探讨过古气候的温度变率，但针对中国地区气温年际变率的系统性分析却较为缺乏。为了填补这一空白，由施佳文和田志平完成、发表于《Atmospheric and Oceanic Science Letters》的这项研究，基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的多模式模拟，深入剖析了中国地区在LIG和LGM两个时期的气温年际变率如何变化，并揭示了其背后的物理驱动机制。
研究者们采用了几项关键技术方法。他们从12个CMIP6模型中，筛选出7个在模拟现代（历史时期）中国气温变率方面表现可靠的模型，利用其lig127k、lgm和piControl（工业化前控制试验）试验的月数据进行分析。为了聚焦年际变率，他们使用了一个9年高通Lanczos滤波器来分离出年际尺度（周期短于9年）的温度信号。气温变率的变化被量化为LIG或LGM时期温度标准差与工业化前水平的log2转换比。为了定量评估不同物理过程对温度变率的贡献，研究采用了R?is?nen (2017)提出的能量平衡方程分解法，将温度异常（ΔT）分解为大气顶部辐射、地表辐射通量、感热和潜热通量等多个能量平衡分量的贡献，并通过计算各分量标准差与温度异常的相关性来量化其贡献度。
研究结果揭示了清晰的时空格局和驱动机制。在整体变化幅度上，与工业化前时期相比，中国年平均气温的年际变率在LIG和LGM均有所增强，多模式平均分别增加了8%和15%。在空间上，LIG期间变率增强最显著的地区位于中国东部、云贵高原和内蒙古中部；而LGM期间，除青藏高原外，中国大部分地区的变率都增强了。
更为有趣的是季节性的非对称模式。在温暖的LIG时期，夏季气温变率的增强幅度是冬季的两倍以上。具体来看，夏季变率在中国大部分地区增强，其中华东、华南和新疆增强强烈；冬季变率则在东北和新疆有所减弱，其他地区小幅增强。而在寒冷的LGM时期，情况正好相反：冬季变率的增强远强于夏季。冬季变率在中国大部分地区显著增强，尤其在东部地区，而在青藏高原则略有减弱；夏季变率则在华北、华东部分地区减弱，在四川盆地和东北地区增强。
是什么驱动了这些复杂的变化？研究通过能量平衡分解给出了答案。对于LIG，年平均气温变率的增强主要归因于大气顶部射出短波辐射、地表向上长波辐射和地表感热通量变率的增加，它们的贡献分别增加了25%、20%和33%。在LIG夏季，变率增强更为显著，这主要由大气顶部射出短波辐射、地表向上短波辐射和感热通量的变率增加所驱动。这种模式可归因于轨道参数变化导致北半球夏季太阳辐射增强，从而加强了东亚夏季风，使得中国地区水汽输送和降水变率模式发生转变，水文循环加速，导致了更频繁的晴雨转换，进而放大了温度的不稳定性。
对于LGM，年平均变率的增强则主要由大气顶部射出长波和短波辐射、地表向上长波辐射的变率增加，以及地表向下短波辐射变率的减少所主导。在LGM冬季，变率显著增强主要受大气顶部射出短波辐射、地表向上长波辐射、感热和潜热通量贡献增加的影响。全球变冷导致中国雪盖范围显著扩大，这提高了地表反照率，通过增强的雪-反照率反馈效应，放大了近地表温度变率。同时，寒冷冬季地表液态水减少削弱了蒸发冷却的调节作用，进一步加剧了温度的不稳定性。
论文在结论与讨论部分总结道，这项研究揭示了在不同古气候背景下，中国气温年际变率均整体增强，但其季节模式存在非对称性。LIG的变率增强主要由轨道强迫驱动，而LGM的增强则主要归因于温室气体浓度降低引起的全球变冷。这种非对称的季节模式在中国东部这一对年际温度波动敏感的地区尤为明显，这与现代观测到的夏季热浪增多、冬季严寒减少的模式相一致。在未来温室气体排放进一步增加的背景下，中国夏季极端高温事件预计将变得更频繁、更强烈。因此，本研究所揭示的古气候机制，为理解不同气候条件下极端高温事件的风险提供了重要的历史参考。研究也指出，需要进一步分析以确定这些当代及未来变化背后的能量学原因是否与本研究识别的古气候机制相对应，并评估历法差异对温度变率机制的影响。
