Nature新視角！氣溶膠減排如何影響喜馬拉雅降水

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受到大氣污染治理的影響？中國科學院大氣物理研究所研究員周天軍的團隊，聯合美國太平洋西北國家實驗室、德國馬普氣象研究所和中國海洋大學的相關學者，揭示了引起1950年代以來以青藏高原為主體的亞洲高山區夏季降水“雙核型”變化以及未來喜馬拉雅降水變化拐點的驅動因子和動力機制，為應對氣候變化提供了新的科學視角。

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

近20年來，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（High Mountain Asia；HMA）既是氣候變化敏感區，又是生態環境脆弱區。伴隨著全球增暖，這一地區水循環也發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題。HMA地區陸地水儲量的變化具有明顯的空間異質性。這種陸地水資源在空間上的不均勻變化，與這一地區過去幾十年夏季降水北部增多、南部減少的“雙核型”變化有關。氣候預估是應對氣候變化相關決策的基礎，此前的研究表明高原整體的暖濕化特征將持續整個21世紀，但是位于高原東南部的喜馬拉雅當前呈現“變干”特征的區域何時轉為“變濕”則并不清楚。

預估未來首先需要理解歷史變化機理。為了揭示引起HMA地區降水在歷史時期“南變干—北變濕”的關鍵驅動因子，研究團隊首先尋找到主導HMA地區夏季降水十年及以上時間尺度變化的兩個模態（圖1）。在第一模態中，高原北部和南部降水呈現相反的變化：當高原北部降水增多時，南部降水減少。這一模態與歐亞大陸上空西風急流強度的變化密切相關，故被稱為“西風相關模態”。該模態從20世紀50年代以來一直呈增強態勢。在第二模態中，高原東南部和南亞降水呈現反相變化：當南亞季風降水增多時，高原東南部降水減少，這一模態被稱為“季風相關模態”，它存在十幾至幾十年的年代際波動。

“亞洲高山區夏季降水‘雙核型’變化主要是由西風相關模態決定的。疊加了季風相關模態后，高原東南部降水呈現出顯著的年代際振蕩特征。”論文的第一作者、中國科學院大氣物理研究所博士后江潔指出。南亞季風降水在上世紀后半葉持續下降，而在21世紀初開始恢復增加。南亞季風降水增加引起的潛熱通量釋放，作為熱源激發出其東側高原南部的東風異常，導致輸送至高原東南部的水汽減少，使得過去二十余年來高原東南部降水減少趨勢增強。

圖1. 亞洲高山區夏季降水年代際尺度主導模態。（a）高原北部和（b）高原東南部9年滑動平均降水相對當前氣候態異常。（c）西風相關模態及（e）其對應的時間序列（灰色陰影），線條為不同資料得到的歐亞大陸西風急流強度。（d）季風相關模態及（f）其對應的時間序列（灰色陰影），紅色線條為南亞季風降水異常，藍色線條為IPO指數。（d-f）中線條為標準化后結果

人類活動和氣候系統內部變率如何影響降水？

在揭示出降水變化的主要模態后，下一個問題是如何從中識別不同影響因子的“信號”。降水的長期變化受到人為外強迫（包括人為溫室氣體和氣溶膠排放等）和氣候系統內部變率（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。

研究團隊借助多氣候模式的不同強迫因子的分離強迫試驗和大樣本超級集合模擬試驗，應用“最優指紋法”等氣候變化研究方法，針對兩個模態分別進行了檢測歸因分析。

研究發現，過去半個多世紀“西風相關模態”的增強，主要與人為氣溶膠的不均勻排放有關。它通過影響對流層經向溫度梯度，進一步調控歐亞大陸上空西風急流的強度，最終導致HMA區域降水呈現“雙核型”變化。與之相反，溫室氣體持續排放引起的增溫增濕，有利于整個高原地區降水的增多。“季風相關模態”的周期性波動則主要與IPO有關。當熱帶中東太平洋海溫降低，而副熱帶西太平洋海溫升高時，季風相關模態增強，令南亞季風核心區降水增加，其加熱作用通過進一步引發環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位相轉換分別通過影響“西風相關模態”和“季風相關模態”，共同塑造了以青藏高原為主體的亞洲高山區夏季降水長期變化的“雙核型”格局。

高原降水變化“拐點”在哪里？

氣候預估研究表明未來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換的“拐點”又何時發生？

江潔介紹說：“氣候預估不是氣候預測，氣候預估是基于不同人為輻射強迫排放情景給出的，以展現不同政策選擇所帶來的氣候影響及社會風險。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、經濟和技術最貼近其歷史趨勢的情景，后者則是高輻射強迫和高社會脆弱性的組合。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。”

研究團隊發現，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高原夏季降水均將增多。溫室氣體排放在歷史時期和未來均有利于高原降水整體增多，不是導致高原東南部喜馬拉雅降水變化拐點的主要原因。有別于溫室氣體的作用，人為氣溶膠在歷史變化和未來變化中扮演的角色不同。在歷史時期，人為氣溶膠濃度的不均勻增加有利于喜馬拉雅地區降水減少，但在未來情景中，受全球范圍內包括亞洲地區的清潔空氣行動影響，人為氣溶膠的排放量將減少，這有利于喜馬拉雅降水從過去的“變干”轉為未來的“變濕”，從而主導了從“雙核”向“單核”降水型變化的拐點。

研究團隊進一步計算了人為活動引起的高原增濕何時會超過氣候系統內部變率的影響。“基于對歷史時期高原降水變化機理的研究，我們知道IPO等內部變率對高原降水的影響很大，尤其是在高原東南部。因此，需要預測人為影響引起的降水變化何時能超過內部變率造成的降水異常范圍，氣候變化研究領域將此稱作‘人為影響萌現期’（Time of Emergence；ToE）”，論文的通訊作者周天軍解釋說。

研究發現，在SSP2—4.5和SSP5—8.5排放情景下，當全球平均溫度較之工業化前的升溫達到約1.9℃時，人類活動引起的增濕將超越氣候系統內部變率的影響，從而主導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降水的變化關乎冰川水儲量和生態環境變化，未來高原東南部喜馬拉雅山一帶從‘變干’轉為‘變濕’的拐點是一個眾所關注的問題，希望團隊研究成果能夠為有效應對區域氣候變化提供科學參考。”周天軍最后強調。

圖2. 亞洲高山區降水未來變化預估。SSP2-4.5（藍色）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年滑動平均相對當前氣候態異常。線條為外強迫引起的降水變化，陰影為內部變率引起的降水變化范圍，三角為外強迫信號超過內部變率范圍時間。（c-d）與（a-b）類似，但橫坐標為全球平均溫度相對工業化前的升溫水平

這一研究受國家自然科學基金“青藏高原地球系統基礎科學中心項目”（41988101）、第二次青藏高原綜合科學考察研究項目（2019QZKK0102）和中國科學院“絲路環境”戰略先導項目（XDA20060102）共同資助。