中国科学院大气物理研究所周天军研究员团队，联合美国太平洋西北国家实验室、德国马普气象研究所和中国海洋大学的相关学者，揭示了引起1950年代以来以青藏高原为主体的亚洲高山区夏季降水“双核型”变化以及未来喜马拉雅降水变化拐点的驱动因子和动力机制，为应对气候变化提供了新的科学视角。相关研究成果以“Precipitation regime changes in High Mountain Asia driven by cleaner air”为题，于北京时间10月11日23时发表在《自然（Nature）》（IF=64.8）上。
揭示主导亚洲高山区降水型式变化的主要模态
以青藏高原为主体的亚洲高山区陆地水储量的变化具有明显的空间异质性，受到降水变化的显著影响。观测资料显示，亚洲高山区夏季降水呈现出“双核型”的长期变化态势——即北部增多、南部减少。为了明晰上述降水型式变化的驱动因子，研究团队首先揭示出主导该地区夏季降水年代际以上时间尺度变化的两个模态——“西风相关模态”和“季风相关模态”。在第一模态中，高原北部和南部降水呈现相反的变化：当高原北部降水增多时，南部降水减少。这一模态与欧亚大陆上空西风急流强度的变化密切相关，故被称为“西风相关模态”，该模态从20世纪50年代以来一直呈增强态势。在第二模态中，高原东南部和南亚降水呈现反相变化：当南亚季风降水增多时，高原东南部降水减少，这一模态被称为“季风相关模态”，它存在十几至几十年的年代际波动。
亚洲高山区夏季降水“双核型”变化主要由西风相关模态决定。叠加了季风相关模态后，高原东南部降水呈现出显著的年代际振荡特征。南亚季风降水在上世纪后半叶持续减少，而在本世纪初开始恢复增加。南亚季风降水增加引起的潜热通量释放，作为热源激发出其东侧高原南部的东风异常，导致输送至高原东南部的水汽减少，使得最近20余年来高原东南部降水呈现减少趋势。
图1. 亚洲高山区夏季降水年代际尺度主导模态。（a）高原北部和（b）高原东南部9年滑动平均降水相对当前气候态异常。（c）西风相关模态及（e）其对应的时间序列（灰色阴影），线条为不同资料得到的欧亚大陆西风急流强度。（d）季风相关模态及（f）其对应的时间序列（灰色阴影），红色线条为南亚季风降水异常，蓝色线条为IPO指数。（d-f）中线条为标准化后结果
识别不同影响因子的“信号”
降水的长期变化受到人为外强迫（包括人为温室气体和气溶胶排放等）和气候系统内部变率（包括太平洋年代际振荡IPO等）的共同影响。为了识别不同影响因子的信号，研究团队借助多气候模式的不同强迫因子的分离强迫试验和单一气候模式的大样本超级集合模拟试验，应用“最优指纹法”等气候变化研究方法，针对两个模态分别进行了检测归因分析。研究发现，过去半个多世纪“西风相关模态”的增强，主要与人为气溶胶的不均匀排放有关。它通过影响对流层温度经向梯度，进一步调控欧亚大陆上空西风急流的强度，最终导致亚洲高山区降水呈现“双核型”变化。与气溶胶的作用相反，温室气体持续排放引起的增温增湿效应，有利于整个高原地区降水的增多。“季风相关模态”的周期性波动则主要与IPO有关。当热带中东太平洋海温降低，而副热带西太平洋海温升高时，季风相关模态增强，令南亚季风核心区降水增加，其加热作用通过进一步引发环流异常而使得高原东南部降水减少。
综合上述结果，研究表明是人为气溶胶的不均匀排放和IPO位相转换分别通过影响“西风相关模态”和“季风相关模态”，共同塑造了以青藏高原为主体的亚洲高山区夏季降水长期变化的“双核型”格局。
预估降水格局转换的“拐点”
包括IPCC第六次科学评估报告在内的诸多研究都表明，从长期来看，高原整体的暖湿化变化未来将加强。那么，能否预估从“双核型”变化向整体增多转换的“拐点”？研究团队针对SSP2-4.5和SSP5-8.5排放情景下进行了分析。这两种情景展现的是不同政策选择所带来的气候影响，其中前者是社会、经济和技术最贴近其历史趋势的情景，后者则是高辐射强迫和高社会脆弱性的组合，两种情景的人为气溶胶排放路径相似，但温室气体分别为中等和高排放情景。研究表明，受温室气体增加和人为气溶胶排放减少的共同影响，在这两种情景下未来高原夏季降水均将增多。温室气体排放在历史时期和未来均有利于高原降水整体增多。但有别于温室气体的作用，人为气溶胶在历史变化和未来变化中扮演的角色不同：在历史时期，人为气溶胶浓度的不均匀增加有利于喜马拉雅地区降水减少；在未来情景中，受全球范围内包括亚洲地区的“清洁空气”行动影响，人为气溶胶的排放量将减少，这有利于喜马拉雅降水从过去的“变干”转为未来的“变湿”，从而主导了从“双核”向“单核”降水型变化的拐点。
图2. 人类活动影响下高原东南部降水变化。黑色为历史时期变化（1951-2020年），蓝色和红色分别为SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下未来预估结果（2021-2100年）。上图为降水随时间变化结果，下图为降水随全球平均温度变化结果。阴影表示内部变率引起的降水变化范围。
研究团队进一步计算了人为活动引起的高原增湿在何种情形下会超过气候系统内部变率的影响。研究发现，在SSP2-4.5和SSP5-8.5排放情景下，当全球平均温度较之工业化前的升温达到约1.9 时，人类活动的影响将超越气候系统内部变率的影响，从而主导高原东南部夏季降水变化。
该研究受国家自然科学基金“青藏高原地球系统基础科学中心项目”（41988101）、第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0102）和中国科学院“丝路环境”战略先导项目（XDA20060102）等共同资助。论文的第一作者为中国科学院大气物理研究所博士后江洁，通讯作者为中国科学院大气物理研究所周天军研究员。
参考文献：
Jiang, J., Zhou, T.*, Qian, Y., Li, C., Song, F., Li, H., Chen, X., Zhang, W., Chen, Z. Precipitation regime changes in High Mountain Asia driven by cleaner air. Nature (2023). Doi: 10.1038/s41586-023-06619-y
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