全球變暖的大背景下，亞洲水塔——青藏高原的夏季降水居然會(huì)受到大氣污染治理的影響？中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所研究員周天軍的團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)馬普氣象研究所和中國(guó)海洋大學(xué)的相關(guān)學(xué)者，揭示了引起1950年代以來(lái)以青藏高原為主體的亞洲高山區(qū)夏季降水“雙核型”變化以及未來(lái)喜馬拉雅降水變化拐點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)因子和動(dòng)力機(jī)制，為應(yīng)對(duì)氣候變化提供了新的科學(xué)視角。

這一研究顯示，未來(lái)，受全球范圍內(nèi)包括亞洲地區(qū)的清潔空氣行動(dòng)影響，人為氣溶膠的排放量將減少，這有利于喜馬拉雅地區(qū)降水增加。相關(guān)研究成果以“Precipitation regime changes in High Mountain Asia driven by cleaner air”為題，于北京時(shí)間10月11日23時(shí)發(fā)表在《自然（Nature）》（IF=64.8）上。

近20年來(lái)，青藏高原東南部降雨為何減少?

以青藏高原為主體的亞洲高山區(qū)（High Mountain Asia；HMA）既是氣候變化敏感區(qū)，又是生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。伴隨著全球增暖，這一地區(qū)水循環(huán)也發(fā)生了前所未有的變化，面臨冰川退縮、積雪減少和凍土退化等問(wèn)題。HMA地區(qū)陸地水儲(chǔ)量的變化具有明顯的空間異質(zhì)性。這種陸地水資源在空間上的不均勻變化，與這一地區(qū)過(guò)去幾十年夏季降水北部增多、南部減少的“雙核型”變化有關(guān)。氣候預(yù)估是應(yīng)對(duì)氣候變化相關(guān)決策的基礎(chǔ)，此前的研究表明高原整體的暖濕化特征將持續(xù)整個(gè)21世紀(jì)，但是位于高原東南部的喜馬拉雅當(dāng)前呈現(xiàn)“變干”特征的區(qū)域何時(shí)轉(zhuǎn)為“變濕”則并不清楚。

預(yù)估未來(lái)首先需要理解歷史變化機(jī)理。為了揭示引起HMA地區(qū)降水在歷史時(shí)期“南變干—北變濕”的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，研究團(tuán)隊(duì)首先尋找到主導(dǎo)HMA地區(qū)夏季降水十年及以上時(shí)間尺度變化的兩個(gè)模態(tài)（圖1）。在第一模態(tài)中，高原北部和南部降水呈現(xiàn)相反的變化：當(dāng)高原北部降水增多時(shí)，南部降水減少。這一模態(tài)與歐亞大陸上空西風(fēng)急流強(qiáng)度的變化密切相關(guān)，故被稱(chēng)為“西風(fēng)相關(guān)模態(tài)”。該模態(tài)從20世紀(jì)50年代以來(lái)一直呈增強(qiáng)態(tài)勢(shì)。在第二模態(tài)中，高原東南部和南亞降水呈現(xiàn)反相變化：當(dāng)南亞季風(fēng)降水增多時(shí)，高原東南部降水減少，這一模態(tài)被稱(chēng)為“季風(fēng)相關(guān)模態(tài)”，它存在十幾至幾十年的年代際波動(dòng)。

“亞洲高山區(qū)夏季降水‘雙核型’變化主要是由西風(fēng)相關(guān)模態(tài)決定的。疊加了季風(fēng)相關(guān)模態(tài)后，高原東南部降水呈現(xiàn)出顯著的年代際振蕩特征?！闭撐牡牡谝蛔髡摺⒅袊?guó)科學(xué)院大氣物理研究所博士后江潔指出。南亞季風(fēng)降水在上世紀(jì)后半葉持續(xù)下降，而在21世紀(jì)初開(kāi)始恢復(fù)增加。南亞季風(fēng)降水增加引起的潛熱通量釋放，作為熱源激發(fā)出其東側(cè)高原南部的東風(fēng)異常，導(dǎo)致輸送至高原東南部的水汽減少，使得過(guò)去二十余年來(lái)高原東南部降水減少趨勢(shì)增強(qiáng)。

圖1. 亞洲高山區(qū)夏季降水年代際尺度主導(dǎo)模態(tài)。（a）高原北部和（b）高原東南部9年滑動(dòng)平均降水相對(duì)當(dāng)前氣候態(tài)異常。（c）西風(fēng)相關(guān)模態(tài)及（e）其對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列（灰色陰影），線(xiàn)條為不同資料得到的歐亞大陸西風(fēng)急流強(qiáng)度。（d）季風(fēng)相關(guān)模態(tài)及（f）其對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列（灰色陰影），紅色線(xiàn)條為南亞季風(fēng)降水異常，藍(lán)色線(xiàn)條為IPO指數(shù)。（d-f）中線(xiàn)條為標(biāo)準(zhǔn)化后結(jié)果

人類(lèi)活動(dòng)和氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率如何影響降水？

在揭示出降水變化的主要模態(tài)后，下一個(gè)問(wèn)題是如何從中識(shí)別不同影響因子的“信號(hào)”。降水的長(zhǎng)期變化受到人為外強(qiáng)迫（包括人為溫室氣體和氣溶膠排放等）和氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率（包括太平洋年代際振蕩IPO、北大西洋多年代際振蕩AMO等）的共同影響。

研究團(tuán)隊(duì)借助多氣候模式的不同強(qiáng)迫因子的分離強(qiáng)迫試驗(yàn)和大樣本超級(jí)集合模擬試驗(yàn)，應(yīng)用“最優(yōu)指紋法”等氣候變化研究方法，針對(duì)兩個(gè)模態(tài)分別進(jìn)行了檢測(cè)歸因分析。

研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)“西風(fēng)相關(guān)模態(tài)”的增強(qiáng)，主要與人為氣溶膠的不均勻排放有關(guān)。它通過(guò)影響對(duì)流層經(jīng)向溫度梯度，進(jìn)一步調(diào)控歐亞大陸上空西風(fēng)急流的強(qiáng)度，最終導(dǎo)致HMA區(qū)域降水呈現(xiàn)“雙核型”變化。與之相反，溫室氣體持續(xù)排放引起的增溫增濕，有利于整個(gè)高原地區(qū)降水的增多?！凹撅L(fēng)相關(guān)模態(tài)”的周期性波動(dòng)則主要與IPO有關(guān)。當(dāng)熱帶中東太平洋海溫降低，而副熱帶西太平洋海溫升高時(shí)，季風(fēng)相關(guān)模態(tài)增強(qiáng)，令南亞季風(fēng)核心區(qū)降水增加，其加熱作用通過(guò)進(jìn)一步引發(fā)環(huán)流異常而使得高原東南部降水減少。因此，是人為氣溶膠的不均勻排放和IPO位相轉(zhuǎn)換分別通過(guò)影響“西風(fēng)相關(guān)模態(tài)”和“季風(fēng)相關(guān)模態(tài)”，共同塑造了以青藏高原為主體的亞洲高山區(qū)夏季降水長(zhǎng)期變化的“雙核型”格局。

高原降水變化“拐點(diǎn)”在哪里？

氣候預(yù)估研究表明未來(lái)高原降水將整體增多，那么從“雙核型”歷史變化向整體增多轉(zhuǎn)換的“拐點(diǎn)”又何時(shí)發(fā)生？

江潔介紹說(shuō)：“氣候預(yù)估不是氣候預(yù)測(cè)，氣候預(yù)估是基于不同人為輻射強(qiáng)迫排放情景給出的，以展現(xiàn)不同政策選擇所帶來(lái)的氣候影響及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。其中，SSP2—4.5和SSP5—8.5是我們常用的兩種最新排放情景。前者是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)最貼近其歷史趨勢(shì)的情景，后者則是高輻射強(qiáng)迫和高社會(huì)脆弱性的組合。兩種情景的人為氣溶膠排放路徑相似，但溫室氣體分別為中等和高排放情景。”

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，受溫室氣體增加和人為氣溶膠排放減少的共同影響，在這兩種情景下未來(lái)高原夏季降水均將增多。溫室氣體排放在歷史時(shí)期和未來(lái)均有利于高原降水整體增多，不是導(dǎo)致高原東南部喜馬拉雅降水變化拐點(diǎn)的主要原因。有別于溫室氣體的作用，人為氣溶膠在歷史變化和未來(lái)變化中扮演的角色不同。在歷史時(shí)期，人為氣溶膠濃度的不均勻增加有利于喜馬拉雅地區(qū)降水減少，但在未來(lái)情景中，受全球范圍內(nèi)包括亞洲地區(qū)的清潔空氣行動(dòng)影響，人為氣溶膠的排放量將減少，這有利于喜馬拉雅降水從過(guò)去的“變干”轉(zhuǎn)為未來(lái)的“變濕”，從而主導(dǎo)了從“雙核”向“單核”降水型變化的拐點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步計(jì)算了人為活動(dòng)引起的高原增濕何時(shí)會(huì)超過(guò)氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的影響?！盎趯?duì)歷史時(shí)期高原降水變化機(jī)理的研究，我們知道IPO等內(nèi)部變率對(duì)高原降水的影響很大，尤其是在高原東南部。因此，需要預(yù)測(cè)人為影響引起的降水變化何時(shí)能超過(guò)內(nèi)部變率造成的降水異常范圍，氣候變化研究領(lǐng)域?qū)⒋朔Q(chēng)作‘人為影響萌現(xiàn)期’（Time of Emergence；ToE）”，論文的通訊作者周天軍解釋說(shuō)。

研究發(fā)現(xiàn)，在SSP2—4.5和SSP5—8.5排放情景下，當(dāng)全球平均溫度較之工業(yè)化前的升溫達(dá)到約1.9℃時(shí)，人類(lèi)活動(dòng)引起的增濕將超越氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的影響，從而主導(dǎo)高原東南部夏季降水變化（圖2）。

“以青藏高原為主體的亞洲高山區(qū)降水的變化關(guān)乎冰川水儲(chǔ)量和生態(tài)環(huán)境變化，未來(lái)高原東南部喜馬拉雅山一帶從‘變干’轉(zhuǎn)為‘變濕’的拐點(diǎn)是一個(gè)眾所關(guān)注的問(wèn)題，希望團(tuán)隊(duì)研究成果能夠?yàn)橛行?yīng)對(duì)區(qū)域氣候變化提供科學(xué)參考?！敝芴燔娮詈髲?qiáng)調(diào)。

圖2. 亞洲高山區(qū)降水未來(lái)變化預(yù)估。SSP2-4.5（藍(lán)色）和SSP5-8.5（紅色）排放情景下，（a）高原北部和（c）高原東南部降水9年滑動(dòng)平均相對(duì)當(dāng)前氣候態(tài)異常。線(xiàn)條為外強(qiáng)迫引起的降水變化，陰影為內(nèi)部變率引起的降水變化范圍，三角為外強(qiáng)迫信號(hào)超過(guò)內(nèi)部變率范圍時(shí)間。（c-d）與（a-b）類(lèi)似，但橫坐標(biāo)為全球平均溫度相對(duì)工業(yè)化前的升溫水平

這一研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金“青藏高原地球系統(tǒng)基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目”（41988101）、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0102）和中國(guó)科學(xué)院“絲路環(huán)境”戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目（XDA20060102）共同資助。