热带太平洋增暖模态对美洲未来水文气候变迁及极端事件的影响机制

本综述通过创新性大气模型实验，系统阐释了东部热带太平洋（ETP）增暖模式对美洲地区水文气候的调控作用。研究发现ETP增强增暖会加剧墨西哥南部、中美洲和亚马逊地区的长期干旱趋势与极端干旱事件，但缓解南美洲中南部干旱；同时ETP增暖会强化厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）相关的美国西海岸极端降水异常。该研究揭示了传统多模型分析中未能体现的热带太平洋增暖模式不确定性对气候风险评估的关键影响。

　　

引言背景

降水变率作为当代气候系统中对社会影响最为深远的要素之一，其预测始终面临重大挑战。持续性干旱可改变区域生物群落结构，而短期极端干旱或洪水事件则对农业生产、水资源管理、公共健康、自然灾害安全及经济生产构成严重威胁。尽管理解降水变化对适应气候变化至关重要，但预估降水对人为辐射强迫的响应仍属重大科学难题。

全球变暖背景下水文响应存在一定稳健性特征，如遵循Clausius-Clapeyron关系的水汽增加导致平均每度升温带来2%的降水与蒸发速率提升。然而这种尺度估计具有全球平均性，并未指明降水增加的具体区域。"湿更湿"框架假设静态背景下的水分输送与辐合状态，认为热带等水分辐合区降水增加，而水分辐散区干旱加剧。但观测表明降水趋势与该框架不一致，特别是陆地区域。

地表温度变化的地理异质性至关重要——陆地增暖快于海表，极区快于副热带，工业时代北半球增暖强于南半球。海洋增暖同样存在空间异质性，北大西洋副极区、东/中赤道太平洋和南大洋近几十年呈现平缓或冷却趋势，而印度洋自1950年来加速增暖。这种不均一的增温速率通过改变地表温度梯度，进而调控大尺度大气环流和水分输送辐合过程。

热带太平洋增暖的关键不确定性

热带太平洋海表温度（SST）变化模式尤其值得关注，该区域包含全球最大对流区，早在1920年代就被认为是全球天气与气候变率的关键驱动因子。西部热带太平洋的辐射响应更是全球气候敏感性的核心驱动因素。然而热带太平洋对人为辐射强迫的响应存在显著不确定性。

卫星时代（1980年代以来）观测显示东部热带太平洋增暖停滞，而相邻海区持续增温，导致赤道太平洋信风加速。这种年代际趋势是自然变率、温室强迫瞬态响应（"海洋动力恒温器"机制）、人为气溶胶和南大洋冷却共同作用的结果。但全球耦合气候模式的历史模拟极少捕捉到该趋势模式，反而预测21世纪将出现东部太平洋增强增暖。这种模型-观测差异严重制约了我们对热带太平洋增暖趋势驱动的全球动力变化的可靠预估。

研究方法创新

本研究设计了新颖的大气环流模型实验，使用CESM-CAM6模型模拟SSP5-85排放情景下2015-2100年的气候响应。实验设置包含：（1）具有增强东太平洋增暖的未来情景（EP）；（2）全球增暖但无太平洋增强增暖的情景（noEP）；（3）无时间演变全球增暖的对照模拟（Control）。所有实验均叠加了理想化的ENSO循环以研究背景态变化下的ENSO影响。

EP实验保留了原始模拟中的东部赤道增暖模式，noEP实验则通过空间平滑技术将东部赤道太平洋增暖信号替换为均匀热带增暖模式。理想化ENSO循环采用振幅对称设计，每十年包含一次强和弱厄尔尼诺/拉尼娜事件，峰值位于12月，空间模式来自1950-2020年ERSSTv5仪器重建的去趋势SST领先EOF模态。

美洲降水趋势响应

两个变暖实验显示出大体相似的降水和大尺度环流变化模式，包括加拿大西海岸、阿拉斯加和阿根廷中部的湿润化趋势，以及墨西哥南部、中美洲和亚马逊中部地区的干旱化趋势。但关键差异体现在：EP实验中东太平洋增强增暖加剧了墨西哥太平洋沿岸、中美洲和亚马逊地区的干旱化趋势；同时使深热带干旱趋势向赤道方向收缩，导致美国大陆和副热带南美洲相比noEP实验更为湿润。

阿留申低压在两个变暖实验中均增强，但在EP实验中强度更大且东移。南半球中纬度地区均出现正SLP异常，但EP实验中南美南端反气旋趋势增强东移。尽管存在这些温带SLP模式变化，两个实验在30°N和30°S以外的陆地降水趋势无统计差异。

动力机制解析

通过分析水分辐散和高层风场辐散趋势发现，热带太平洋信风在两个实验中均减弱，且在EP实验中减弱更显著，导致沃克环流东移加剧。中太平洋出现异常深层对流和水分辐合，而海洋大陆、中美洲和亚马逊地区则出现异常水分辐散，符合经典Bjerknes反馈机制。中太平洋高层风场辐散和亚马逊地区高层风场辐合进一步抑制了对流和降水。

区域季节性特征

不同区域降水变化的季节性表现各异：墨西哥南部的EP-noEP差异主要体现在10-11月；中美洲的变化贯穿全年；亚马逊中部地区既呈现向干旱条件的平均偏移，又显示极端干旱年份显著增加，差异在2-8月最明显；中南美洲的差异表现为noEP实验中出现长期干旱趋势而EP实验中未出现，反映了干旱趋势向赤道的收缩。

美国西部和智利南部在平均趋势上无显著差异，但美国西部在EP实验中出现更多极端多雨年份，而智利南部在EP实验中出现更多极端干旱年份。

ENSO极端事件调制

针对2050-2100年DJFM极端降水事件（定义为超过对照模拟95百分位）的分析表明：加拿大和阿拉斯加地区的极端多雨事件在所有ENSO相位均发生；美国大陆的极端多雨更多发生在厄尔尼诺年，拉尼娜年几乎不出现；中美洲和亚马逊地区的极端干旱几乎 exclusively 发生在厄尔尼诺年；亚马逊地区的极端多雨则发生在拉尼娜年。

EP与noEP实验的极端降水差异主要出现在厄尔尼诺年：EP实验中亚马逊和中美洲地区极端干旱增加，中南美洲减少；美国西海岸极端多雨增加，加拿大北极地区减少。拉尼娜年中，EP实验导致亚马逊中部极端多雨减少。

区域分布分析进一步揭示：美国西海岸最显著差异出现在厄尔尼诺年，EP实验相比noEP向更多极端多雨偏移；中美洲在EP实验中无论ENSO相位均更干旱，厄尔尼诺年极端干旱更突出；亚马逊地区在EP实验中的差异在厄尔尼诺年放大，导致最极端干旱年份；noEP实验在墨西哥南部使厄尔尼诺年向更湿极端偏移，在中南美洲使厄尔尼诺年向更干条件偏移；智利南部在两个实验中厄尔尼诺年均向更干条件偏移，但EP实验极端干旱更多。

这些结果表明太平洋增暖背景态可通过调制ENSO降水极端事件而影响水文气候，且不需要ENSO振幅本身发生变化。相对于对照，厄尔尼诺年太平洋纬向SST梯度在EP实验中最大，这可能是厄尔尼诺年极端降水变化更强的原因。

研究意义与展望

本研究通过理想化AGCM实验证明CMIP类模型预估的东部赤道太平洋SST增强增暖（尽管观测中尚未出现）显著调节美洲地区未来降水趋势和变率。与厄尔尼诺事件类似，东太平洋增暖增强导致的太平洋深层对流和水分辐合增加，驱动了热带美洲地区的水分辐散和大西洋30°N/S的水分辐合。

EP与noEP实验间降水趋势空间模式的差异表现为热带干旱趋势的收缩和强化：EP实验中墨西哥南部、中美洲和亚马逊中部更干旱，而美国大陆和南美洲中南部更湿润。降水差异表现出季节性和空间异质性，如中美洲表现为全年性分布偏移，墨西哥南部集中在10-11月，亚马逊中部则在2-8月最显著。

除驱动平均降水长期变化外，EP和noEP变暖实验还引发相对于对照的极端降水，尤其在厄尔尼诺年。EP实验中厄尔尼诺年的极端干旱在中美洲和亚马逊中部大幅加剧，但在中南美洲减轻。这表明即使ENSO振幅不变，ENSO循环与不同热带太平洋增暖背景态的叠加仍可调制陆地极端降水事件发生频率。

该发现对适应与减缓策略制定具有重要启示——21世纪东部太平洋增强增暖的出现与否将影响干旱严重程度和空间分布，并以复杂方式改变极端降水事件分布。本研究采用的"气候故事线"方法明确考虑了物理气候系统对温室气体强迫响应的潜在不确定性和系统模型偏差，建议将该方法推广至美洲以外区域，以更好表征未来热带太平洋驱动的水文气候变化的全部不确定性范围。该方法同样适用于理解其他海盆增暖模式的影响。

研究揭示的陆地水文气候对不同海洋增暖模式的敏感性，凸显了改进耦合海气系统对人为强迫响应模拟的紧迫性。鉴于IPCC类模型当前未能捕捉全球海洋增暖模式的观测趋势，因而可能无法准确预估未来海洋增暖模式，将气候影响研究拓展至IPCC模型预估以外的可能未来情景，可为气候适应提供重要新见解。