中国综合暖湿条件的年代际变率及其对太平洋年代际振荡（PDO）的响应机制研究

《Frontiers in Environmental Science》：Decadal variability of the integrated warm-wet conditions over China and its modulation by the pacific decadal oscillation

　　

摘要专业翻译 以暖湿指数（Warm-Wet Index, WWI）为代表的中国综合暖湿条件在1960–2022年期间表现出显著的年代际变率。阐明这种变率的大尺度气候驱动因子，对于揭示中国长期气候变化的机理至关重要。本研究采用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD）方法提取WWI的年代际分量，并探讨其与太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）之间的关系。研究人员考察了全国平均WWI与PDO指数之间的关联，并结合相应的海表温度异常和大气环流异常型，探讨了PDO变率与区域暖湿条件之间的物理联系机制。全国平均WWI与PDO指数之间存在显著的相关关系，表明海洋变率与中国区域气候之间存在稳健的年代际关联。在PDO正位相期间，热带中东太平洋和印度洋的海表温度异常与东亚-太平洋（East Asia–Pacific, EAP）型遥相关型相联系，并伴随中国大部分地区出现异常气旋性环流。这种环流有利于中国东南部、东北地区和新疆北部出现增强的上升运动和湿度辐合，从而增加降水并增强暖湿条件。相反，华北地区和青藏高原以异常下沉运动为主，抑制了降水并削弱了WWI。这些区域差异响应产生了显著的经向三极型WWI空间分布型态，即东北地区、新疆北部和东南沿海地区的暖湿条件增强，而华北地区和青藏高原的暖湿条件减弱。在PDO负位相期间则出现相反的空间分布型态。结果表明，PDO主要通过影响降水的大气环流变化来调控中国年代际暖湿变率。这种海洋-大气-陆地的联动关系为理解中国长期气候变率的调控机制提供了新的认识，也为全球持续变暖背景下的气候风险评估和适应对策提供了科学依据。

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一、研究背景与科学问题

自20世纪中叶以来，全球经历了快速而广泛的增暖过程。全球变暖加速了水循环过程，改变了降水和大气湿度的分布格局，特别是在中纬度地区表现尤为突出，同时增加了包括洪涝和干旱在内的极端水文事件的频率与强度。中国作为对气候变化高度敏感的区域之一，1961–2023年观测显示全国平均地表温度以每十年0.30 °C的速率上升，年降水量以每十年5.2 mm的速率增加，极端高温、极端降水以及复合型干热和湿热事件日趋频繁和剧烈，对生态系统、人类健康和基础设施构成了日益增大的风险。

然而，气候变化是温度与降水协同作用的产物，传统的单一指标（如降水距平或温度距平）难以全面表征这种耦合效应。蒸散发作为地表-大气水循环的关键环节，是联系地表能量平衡与大气水分交换的纽带。在增暖背景下，蒸散发的增强会增加大气湿度，而降水的变异则受到区域地表能量供给的强烈调制。中国从东南湿润季风区到西北干旱区存在显著的气候梯度，水热资源空间异质性突出，不同区域的水-能平衡状态差异显著，因此需要构建能够同时反映水热协同效应和地表能量供给条件的区域性综合指标。

在年代际尺度上，太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）作为北太平洋年代际变率的主导模态，通过位相转换对中国气候系统产生深远影响。已有研究表明，PDO位相转换与东亚夏季风的年代际调整及相应的降水异常密切相关，表现为长江-淮河流域和长江中下游地区的“南涝北旱”或相反格局。PDO还可以与北大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO）相互作用，共同调制东亚大气环流，进而在年代际尺度上影响中国降水。

然而，以往研究多聚焦于PDO对单一气候变量（如降水或温度）的影响，或主要关注长期增暖和变湿趋势，缺乏从综合水热耦合角度系统考察PDO对中国暖湿条件年代际变率的调控作用及其空间异质性。因此，本研究构建了整合温度、降水、感热通量和潜热通量的综合暖湿指数（Warm-Wet Index, WWI），聚焦其年代际变率特征，并系统探讨PDO通过海洋-大气相互作用和大气环流异常调控中国暖湿条件时空格局的物理机制。

二、研究内容与主要结论

本研究利用ERA5再分析资料和CN05.1格点观测数据，基于Budyko框架构建了WWI，采用集合经验模态分解（EEMD）方法提取全国平均WWI和PDO指数的年代际分量，结合经验正交函数（EOF）分析、奇异值分解（SVD）分析和多元线性回归等方法，系统揭示了1960–2022年中国暖湿条件的年代际演变特征及其与PDO的关联和物理机制。

研究得出以下主要结论：中国WWI的空间分布呈现明显的西北-东南梯度，与气候态降水格局高度一致；时间上WWI以显著的年代际变率为主导而非单调趋势，经历了1960–1980年先降后升、1981–2000年先升后降、2000年后再波动回升的多个阶段性转换。全国平均WWI与PDO指数的年代际分量之间存在显著正相关（r = 0.58），PDO正位相期间中国暖湿条件呈现经向三极型空间分布，东北地区、新疆北部和东南沿海地区暖湿增强，而华北地区和青藏高原暖湿减弱。SVD分析进一步证实了太平洋海温场与中国WWI场之间的强耦合关系，第一模态解释了58%的总平方协方差，其海温空间型呈现典型的PDO“马蹄形”结构。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要技术方法包括：一是基于Budyko框架构建综合暖湿指数（WWI），将温度、降水、感热通量和潜热通量统一纳入水热耦合框架；二是采用集合经验模态分解（EEMD）方法提取年代际变率分量，通过加入白噪声辅助集合平均克服模态混叠问题；三是采用经验正交函数（EOF）分析提取WWI的主导时空变率模态；四是采用奇异值分解（SVD）方法诊断太平洋海温场与中国WWI场之间的耦合变率关系；五是采用多元线性回归定量评估各气候因子对WWI变率的相对贡献。数据来源包括ECMWF第五代再分析资料（ERA5，1960–2022年）和CN05.1格点观测数据集（用于降水数据验证），以及美国国家大气研究中心（NCAR）提供的PDO指数。

四、研究结果

4.1 中国温度、降水、感热通量和潜热通量的变化特征

1960–2022年期间，中国经历了显著且空间异质的增暖趋势，全国平均温度以约每十年0.30 °C的速率上升，其中青藏高原增暖最为迅速，局部趋势超过每十年0.4–0.5 °C，东北地区和新疆北部增暖速率约为每十年0.3 °C，东南沿海地区增暖信号相对较弱。全国平均年降水量以每十年2.64 mm的速率增加，西北地区降水增加显著，而华北地区自1960年代以来降水持续减少。感热通量（SH）在中国北方总体呈下降趋势，由于ERA5定义感热通量向下为正，这一负趋势实际表示向上感热通量的增强；潜热通量（LH）呈增加趋势，反映通过蒸散发从地表向大气传输能量的增强。

4.2 中国WWI的时空特征

WWI气候态均值呈现从西北内陆向东南沿海递增的空间格局，与降水场分布基本一致。新疆北部特别是天山山脉地区出现显著的局部高值中心，这与天山对水汽输送的阻挡和抬升作用密切相关。全国平均WWI距平序列呈现显著的年代际变率，其变率幅度远超微弱的长期线性趋势（每十年?0.01）。1960年代至1970年代后期WWI总体下降，1970年代末期部分回升，1980年代初期至1990年代后期转为正位相，2000年后进入变率增强阶段。EOF分析显示前两个模态分别解释20.2%和13.8%的总方差，EOF1在中国大部分地区呈正载荷，EOF2呈现经向三极型结构。

4.3 WWI的年代际变率及其与PDO的联系

EEMD分解后，全国平均WWI与PDO指数的年代际分量呈显著正相关（r = 0.58），且PDO在1970年代中期的位相转换略早于WWI的相应转换。空间相关分析显示，显著正相关主要位于东北地区、新疆北部和东南沿海部分地区，显著负相关主要位于青藏高原和华北部分地区。SVD分析的第一模态解释了58%的总平方协方差，海温空间型呈典型PDO“马蹄形”结构，即中北太平洋负海温异常、东边界和北美西海岸正海温异常；对应的WWI空间型呈经向三极型分布，正异常集中于东北地区、新疆北部和东南沿海，负异常主导华北及邻近地区。复合分析表明，PDO正位相期间中国大部分地区温度异常以负为主，降水增强主要集中于中东部和东南部并向东北延伸；PDO负位相期间空间格局基本反转。

4.4 PDO对WWI的影响机制

多元线性回归分析表明，降水对中国绝大部分地区的WWI变率起主导控制作用，贡献值在东部、中部和南部以及东北大部分地区超过0.6–0.8，而温度和地表热通量的贡献相对较弱且空间局限。环流复合分析显示，PDO正位相期间，中国东部和西北太平洋上空呈现经向偶极型海平面气压（SLP）异常分布，850 hPa环流场呈现从菲律宾海向日本海延伸的异常波列结构，形成典型的东亚-太平洋（EAP）遥相关型响应。500 hPa环流在中国大部分地区呈现显著气旋性异常，中国东南部、东北地区和新疆北部出现增强的上升运动和湿度辐合，为降水增加创造了有利动力条件；华北地区以下沉运动为主，抑制了降水。PDO负位相期间环流异常反号，反气旋环流主导中国上空，大范围下沉运动取代正位相期间的上升运动，抑制了南部和东部的水汽辐合，导致降水减少和WWI减弱。

五、讨论与结论

本研究表明，PDO通过调控大气环流异常进而影响降水，是中国暖湿条件年代际变率的重要调控因子，但并非唯一驱动因素。WWI与PDO的相关系数为0.58，说明PDO仅能解释WWI年代际变率的一部分，相当比例的方差仍未得到解释。AMO等其他年代际气候模态以及大气内部变率可能通过不同的海-气相互作用和大气环流过程共同影响中国不同区域的暖湿条件。研究结论指出：第一，中国WWI空间分布呈西北-东南梯度，时间上以年代际变率为主导，过去60余年经历了多次阶段性转换；第二，PDO与WWI之间存在显著的年代际关联，正位相期间呈现经向三极型空间响应格局；第三，PDO主要通过EAP型遥相关环流异常调控降水，进而影响暖湿条件，正位相期间气旋性环流增强东南部、东北地区和新疆北部的上升运动和湿度辐合，负位相期间环流反号，反气旋主导并抑制降水。未来研究需进一步区分外强迫趋势与内部年代际变率的相对贡献，量化热力放大与环流驱动降水的相对作用，并从季节尺度深化对WWI与PDO关系的理解，加强气候模式模拟与观测资料的协同分析以支撑气候适应和风险管理决策。