从1827年温室效应被法国科学家约瑟夫·傅里叶首次提出，到2021年诺贝尔物理学奖首次被授予气候学家真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼，气候变化科学经历了漫长的195年的发展历程。研究表明，人类进入工业化以来，全球变暖的物理本质是人为辐射强迫改变地球的能量收支平衡问题。但全球能量收支在全球的分布并不均匀，区域尺度上的气候变化是气候系统内部变率和人为辐射强迫两者博弈的最终结果。
一自然和人为强迫影响区域气候
区域气候变化既有来自人为强迫（人为温室气体和人为气溶胶排放增加、土地利用变化等）的影响，也有来自自然内部变率（例如ENSO、太平洋年代际振荡IPO、大西洋年代际振荡等）和自然外强迫（太阳辐射、火山活动气溶胶等）的影响。为提取区域尺度上人类活动影响的信号，德国气候学家克劳斯·哈塞尔曼发明的“指纹法”被广泛应用于气候变化检测归因领域。基于“指纹法”，结合观测、气候模式和统计技术，政府间气候变化专门委员会（IPCC）科学评估报告指出，毋庸置疑，人为活动影响正使得大气、海洋和陆地变暖。下面以南亚季风、太平洋沃克环流、降水变异性增强为例，介绍自然和人为强迫如何影响区域气候。
南亚季风
基于多套观测资料揭示的印度陆地季风降水的年代际变化发现，1950-1999年南亚夏季风降水呈下降趋势，1999年后有所回升。通过借助气候模拟技术定量估算自然变化和人类活动的影响，研究发现综合考虑太平洋年代际振荡（IPO）和外强迫（温室气体+气溶胶）对降水趋势的影响后，得到的结果（红线）与实际观测结果（黑线）更为接近（图1）。因此，南亚季风的降水变化是自然与人为强迫共同影响的结果。
图1. 1950-2013年南亚夏季风降水外强迫和IPO贡献的定量分析。上排是1950-1999年的变化，下排是1999-2013年的变化。（Huang & Zhou et al., 2020）
针对南亚夏季风未来几十年变化趋势的研究发现，内部变率对年代际区域气候变化的贡献远大于外部强迫。即使在RCP8.5高排放情景下，内部变率依然可以影响2016-2045年降水趋势，其中IPO发挥了关键作用。形象地说来，未来15-30年印度季风降水如何变化还需看太平洋的“脸色”，若IPO位相由负转正，则降水增加的概率将会降低，印度半岛出现极端变干（湿）的概率将会增大（减小）；若IPO位相由正转负，则情况相反。
太平洋沃克环流
太平洋沃克环流是最为重要的热带大气环流系统。观测数据显示，1979年以来太平洋沃克环流呈增强趋势，这与较长时间尺度上温室气体增加导致的人为辐射强迫将会使沃克环流减弱的理论研究结论相悖。是什么原因导致了现实与理论的矛盾？借助超级集合气候模拟技术，我们进一步分析内部变率和外部强迫对近期太平洋沃克环流增强的相对贡献，发现太平洋IPO位相的转变解释了观测中大概63%（~51-72%）的太平洋沃克环流增强现象，在考虑了内部变率的情况下，研究结果与实际观测更为接近（图2）。因此，IPO这一内部海洋变率信号影响掩盖了温室气体对太平洋沃克环流减弱的作用。
图2. 考虑太平洋IPO作用前后太平洋沃克环流变化趋势的概率密度函数分布。分别给出六个气候模式的超级集合结果，蓝线是外强迫作用，红线是考虑IPO影响作用后的结果。虚竖线表示不同资料揭示的观测到的增强变化（Wu & Zhou et al., 2021）
降水变异性增强现象
降水变异性用来描述降水的不稳定性。变异性越大，降水分布越不稳定，越容易出现旱涝急转等极端事件。自1900年以来，在全球观测资料时空覆盖度较为充足的地区，约75%的陆地面积降水变率已经增强。研究发现，代表水汽变化的热力项与代表大气环流变化的动力项，在共同影响着降水变异性的变化。其中1950-2010年欧洲、澳洲、北美降水变异性的不同贡献因子变化如图3所示，热力项变化相对均匀，而动力项则呈现年代际振荡特征。这种振荡会在区域尺度上掩盖人为引起的降水变异性增加趋势，影响到在区域尺度上检测到人类活动影响的信号。
图3. 1950-2010年欧洲、澳大利亚、北美降水变异性的不同因子贡献，重点是热力项和动力项的不同作用（Zhang, Zhou & Wu. 2024）
从以上三个实例可见，气候系统内部变率叠加人为外强迫（人为温室气体和人为气溶胶排放增加等）在共同影响着气候变化，但人为强迫的影响常常会被内部变率的信号所掩盖。利用最优指纹检测技术、超级集合模拟等研究手段，我们能够在区域尺度上定量分析人为强迫和内部变率所带来的气候影响，并比较二者的作用异同。
二区域气候变化预测面临的挑战
区域气候变化的本质，是自然的内部变率（海洋年代际变化）和人为辐射强迫共同作用的结果。从气候变化检测的角度，在区域尺度上，如果观测的资料时间段不够长，气候系统的自然内部变率可能会掩盖人为辐射强迫信号，这加大了气候变化影响的检测难度。面向未来十多年的年代际气候预测，具有迫切的应对气候变化应用需求。展望未来，我们需要探索如何有效利用观测数据来精确捕捉气候系统中的年代际振荡，提升基于气候模式的年代际气候预测的能力，深入理解和精准预测区域气候变化，为有效应对气候变化提供科学支持。
参考文献
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/ 专家简介 /周天军中国科学院大气物理研究所研究员、副所长
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