热带环流变迁与区域气候响应：中上新世暖期与SSP2–4.5情景下未来变暖的对比研究

本研究通过对比中上新世暖期(MPWP)与SSP2–4.5情景下未来气候，揭示热带大气环流（Hadley/Walker环流）变化规律及其区域气候效应。发现两者均呈现Hadley环流向极扩张、北半球细胞减弱及Walker环流上升支东移等共性特征，但亚热带干旱响应存在显著差异，植被反馈与CO2施肥效应是关键影响因素，为理解暖期气候模式提供新视角。

　　

热带地区承载着全球近半数人口和80%陆地生物多样性，其气候系统核心——Hadley环流(HC)和Walker环流(WC)的微小变动，都可能引发全球气候连锁反应。随着温室气体浓度攀升，科学界亟需解答：未来热带环流将如何演变？区域气候会受到哪些冲击？令人困扰的是，当前观测与模型在环流强度变化上存在分歧，而亚热带干旱区扩张机制、中上新世暖期(MPWP)与现代变暖的类比价值等关键问题仍悬而未决。

兰州大学研究团队在《Global and Planetary Change》发表的研究，创新性地选取MPWP（3.025–3.264百万年前）与SSP2–4.5中等排放情景作为对比窗口，利用参与PlioMIP2和ScenarioMIP的3个地球系统模型(ESM)，首次系统解析了两种暖期下热带环流变迁的共性与个性。

关键技术方法
研究整合PlioMIP2重建的PRISM古地理边界条件与CMIP6的SSP2–4.5模拟数据，通过质量流函数(MSF)量化HC变化，采用垂直速度场诊断WC位移，结合干旱指数(AI)和总初级生产力(GPP)评估生态效应。模型验证采用多模式交叉比对，确保结果稳健性。

研究结果

Comparing Hadley circulation changes
HC在MPWP与SSP2–4.5中均呈现北半球细胞减弱、南半球细胞增强的"南北不对称"响应，边界向极扩张1.5°–3°。但北半球亚热带干旱区在MPWP反常收缩，而SSP2–4.5下显著扩张（尤其北非），揭示单纯HC扩张理论不足以解释干旱格局，植被覆盖差异是关键：MPWP草原-灌丛通过反照率反馈抑制干旱，而现代荒漠化则加剧水分亏缺。

Model representativeness
尽管仅用3个模型，但其HC响应与PlioMIP2十二模型集合特征一致，尤其在捕捉北半球环流减弱和边界位移方面表现稳健。但对WC空间重构的差异提示，太平洋海温梯度模拟仍是多模式共识的瓶颈。

Walker circulation shifts
两种暖期均出现WC上升支东移，导致西太平洋降水带东进。但MPWP的WC减弱更显著，可能与当时减弱的ENSO活动有关，而SSP2–4.5下WC强度变化存在模型间分歧，反映内部变率与强迫响应的复杂博弈。

生态生产力分化
GPP响应呈现"高低纬分异"：两极生产力在两种情景下均提升，但MPWP亚热带GPP因干旱化下降，而SSP2–4.5下CO₂施肥效应部分抵消了水分胁迫，凸显人为强迫的独特影响。

结论与意义
该研究证实MPWP可作为理解大尺度环流（如HC极向扩张、WC重组）的天然实验室，但警示其区域气候类比价值受限于古植被分布与现代人为因素的差异。发现亚热带干旱化并非单纯由HC扩张驱动，植被-气候耦合反馈起决定性作用，这对改进干旱区预测模型具有范式意义。研究还揭示CO₂施肥效应可能改变传统"暖期=低GPP"的认知，为评估碳中和目标下的生态系统响应提供新思路。这些发现推动了对暖期气候"相似表象下差异机制"的理解，为IPCC评估报告的古气候约束章节提供了关键案例。