综述：南部非洲气候变化：过程、模型与预测

本综述系统评述了南部非洲气候系统关键特征，指出该区域与地中海和南美东部同属未来干旱化热点。基于对区域气候过程的深入理解和多代气候模型评估，文章特别强调了早夏（10-12月）干旱化 projection 的高可信度，该变化与季节循环延迟、刚果空气边界（CAB）和热低压频率增加直接相关。同时，综述揭示了核心雨季（12-2月）气候变化的不确定性，并指出模型系统性偏差和关键区域气候特征观测数据的缺乏是主要挑战。文章最后提出应重点关注环流特征和降雨系统变化的量化研究。

　　

南部非洲气候系统

南部非洲指赤道以南的非洲大陆区域，其中超过70%的年降雨集中在10月至次年3月。该地区的季节性降雨对数百万人的生活至关重要，不仅支撑着小农农业，还通过维持河流流量来保障水力发电。干旱会导致主要作物减产、电力供应中断，并引发主要城市的用水限制，如开普敦和马普托。与此同时，包括热带气旋（TCs）在内的洪水可能导致持久的经济和社会动荡。

降雨气候学

南部非洲的年降雨量变化巨大，从马达加斯加部分地区的超过2000 mm/年到纳米布沙漠的不足100 mm/年。在主大陆，降雨量最高的是刚果盆地南部0°至10°S之间（1550 mm/年），这里的降雨年循环是双峰的。刚果盆地以南，年循环是单峰的，大部分降雨发生在10月至3月的 austral summer。例外是最西南部，其主要降雨季节在 austral winter。

区域环流特征

在 austral winter（6月至9月），南部非洲受哈德ley环流的下沉支影响。地表反气旋延伸至大部分内陆地区，降雨仅限于最西南部，主要由冷锋产生。在 extended austral（暖季），地表反气旋被加热破坏，在大西洋和印度洋上形成单独的反气旋。

早夏

10月和11月，刚果盆地南部和南部非洲亚热带地区之间尖锐的降雨梯度由刚果空气边界（CAB）维持。CAB是一条干线，由较干的大陆东风和来自刚果盆地的近饱和西北风之间的低层风辐合组成。CAB的崩溃通常发生在11月，标志着雨季的开始。

晚夏

随着夏季的推进，CAB解体，来自北方的潮湿空气流入南部非洲。曾经以热低压为主的热带边缘区域现在为湿润对流和深厚的湿润热带低压的通过提供了肥沃的土壤。这些热带低压在10°至20°S之间自东向西移动。

降雨产生系统

南部非洲夏季雨季由多样的降雨产生系统维持。热带-温带云带，当地称为TTTs，是其中的典型例子。这些大陆尺度的、对角线取向的云带从东北向西南延伸，由斜压西风波产生。

切断低压

切断低压（CoLs）是冷核、斜压系统，形成于副热带急流以南。它们在南非上空的上层西风槽中 initiation，然后从上层气流中分离出来。在南非，大多数CoLs（约90%）与罗斯贝波破碎有关。

中尺度对流系统

中尺度对流系统（MCSs）是有组织的对流风暴系统，冷云顶覆盖超过100,000 km²，能够产生持续和高强度的降雨。在南部非洲，MCSs的形成热点包括安哥拉西部、莫桑比克和南非东部以及马达加斯加西部。

热带气旋和热带低压

从弱涡旋到热带气旋（TCs）的热带低压是中部至东部南部非洲气候的重要特征。热带气旋可以起源于西南印度洋或穿越其暖海表温度（SSTs），偶尔（5%的时间）在莫桑比克东海岸登陆。

模拟南部非洲气候

上述地理、区域环流和天气系统的复杂性为气候模型提出了一个具有挑战性的环境。几篇论文记录了CMIP和AMIP模型对南部非洲降雨的系统性高估，高达300%。虽然具有更高分辨率的区域模型往往表现更好，但降雨高估仍然是一个问题。

平均状态偏差

南部非洲系统性的模型偏差与区域环流特征的模拟不佳有关。在CMIP5模型中，注意到南部非洲内陆过度的水分辐合，与主要雨带的西移有关。

对流尺度模拟

一个有前景的改进模拟的途径是使用高分辨率模型，能够在公里尺度上显式表示对流。这些模型改进了强降水事件的表示和降雨日循环的模拟。当对流允许模型在 large domain 上运行时，它们也可能通过对流和大气动力学的紧密耦合来改善平均环流的模拟。

观测到的趋势

几项研究报告了南部非洲地表温度的明显增加，近几十年来速率增加。基于CRU数据集，Engelbrecht等人估计在1960年至2010年的50年间，南部非洲部分地区的温度上升超过0.3°C/十年。

温度趋势

基于再分析数据（MERRA2和ERA5），1980年至2022年南部非洲地表（2米）温度趋势在整个年份普遍为正。最强的趋势发生在 austral初夏，10月区域温度中值增加>0.4 K/十年。

降雨趋势

关于南部非洲观测到的降雨趋势存在更多模糊性。几篇论文报告了年降雨量的减少，而其他论文则指出增加或没有显著趋势。

天气系统趋势

记录单个天气系统的观测趋势可以指示降雨变化的关键贡献者，并为建立对未来预测的信心提供途径。

未来预测

南部非洲是全球三个主要陆地区域之一，模型一致预测未来年降雨量减少。模型降雨减少集中在早夏（10月至12月）。这一预测在从CMIP3到CMIP6的三代模型中是稳健的，并且在10月到12月的每个月都如此。

平均降雨和温度预测

早夏降雨：南部非洲是全球模型一致预测未来年降雨量减少的三个主要陆地区域之一。模型降雨减少集中在早夏（10月至12月）。这一预测在从CMIP3到CMIP6的三代模型中是稳健的，并且在10月到12月的每个月都如此。

极端事件预测

温度：预计南部非洲的极端温度将增加。三代耦合气候模型预测，在世纪末，在极端（中等）排放情景下，DJF最高温度将增加4°C–6°C（2°C–4°C）。

挑战与前进之路

热带边缘区域（10°–20°S）成为一个关键区域。当前趋势和未来预测的降雨减少和温度增加都集中在早夏的热带边缘。

观测约束

理解热带边缘进展缓慢的一个主要原因是缺乏观测。这在南部非洲更广泛地区也是一个问题（除南非外）。地面气象站分布广泛，但南非赤道以南的站点空间覆盖减少，并且近年来观测数据在减少。

模型误差

第3节记录了耦合气候模型在表示南部非洲平均状态方面性能的恶化，从CMIP3（及更早）到CMIP6。尽管分辨率提高和物理过程更新，但降雨的系统性高估和温度的低估持续存在并恶化。

对未来预测的信心

重要的气候变化适应决策不能推迟到模型改进之时。与此同时，建立对未来预测的信心是优先事项。这里，我们认为有充分理由相信早夏干旱化是一个合理的未来结果。

有信心地适应

在提高对南部非洲未来气候预测的信心方面仍有许多工作要做。对气候变化信心不足可能导致在做出重要适应决策时犹豫不决，并可能推迟释放该适应有效所需资金流的解锁。