人为强迫主导西北太平洋副热带高压持续西伸

《Atmospheric Research》：Anthropological forcing dominates relentless westward extension of the western North Pacific subtropical high

　　

西北太平洋副热带高压（WNPSH）是北半球半永久性高压中心之一，作为亚洲季风系统的关键组成部分，对西太平洋广阔区域的天气与气候格局具有显著影响，包括降水、热带气旋、热浪及空气污染等。尽管WNPSH的西伸可能引发众多极端事件，但驱动这一西移的机制仍知之甚少。本研究综合多种观测数据集和最先进的气候模式，旨在全面理解WNPSH的西伸趋势。研究发现，自1979年以来，WNPSH表现出持续而显著的西伸趋势，且这一趋势主要归因于温室气体强迫。在SSP585情景下，WNPSH最西点到达100°E的时间约为2058±12年，较基于观测历史趋势推算的时间（2093±27年）至少提前35年。机制分析表明，温室气体一方面通过使对流层上层较下层增暖更快、增强西北太平洋地区的大气稳定性，有利于WNPSH西伸；另一方面，温室气体显著加强了西北太平洋的下沉运动，进一步支持WNPSH的西移。研究还排除了大气内部变率对这一趋势的显著贡献。本研究首次预估了WNPSH到达100°E的时间，揭示了人为强迫在副热带高压系统变化中的主导作用，对东亚和东南亚地区未来的极端高温预测及防灾减灾具有重要的科学意义。

**论文解读：人为强迫主导西北太平洋副热带高压持续西伸**

**一、研究背景与科学问题**

西北太平洋副热带高压（WNPSH）是北半球半永久性高压中心之一，作为亚洲季风系统的重要组成部分，其在西北太平洋地区的天气与气候调控中扮演着关键角色，深刻影响着东亚及东南亚地区的降水格局、热带气旋活动、热浪事件以及空气质量。WNPSH最显著的年际和年代际变化特征是其纬向和经向位移，其中西伸过程往往对东亚沿海和东南亚地区造成显著的气候影响。然而，关于WNPSH是否正在发生系统性西移，学术界目前仍存在较大争议。部分研究指出，自20世纪70年代末以来WNPSH西端出现显著西伸，但也有研究基于不同定义方法认为其自1948年以来呈东退趋势，或未检测到显著趋势。这种认识分歧源于对WNPSH的不同定义方式以及所使用资料和时段的不同。更为关键的是，当前WNPSH在持续变暖背景下的西伸究竟由何种外强迫驱动——是温室气体、人为气溶胶还是自然强迫——这一问题尚未得到明确解答。近年来再分析资料显示，该高压系统在过去四十年间存在清晰的西移迹象，其对东南亚地区的影响也日益显著，这挑战了传统上对西太平洋大气环流格局的认识，促使学界重新审视相关区域气候变率的理解框架。在此背景下，开展WNPSH西伸趋势的检测归因研究，并预估其未来演变，具有重要的科学价值和现实意义。

**二、研究内容与主要技术方法**

研究人员利用多种观测再分析资料和最新一代气候模式输出，对WNPSH夏季最西点的变化趋势进行了系统检测和归因分析，并对未来演变进行了预估。主要技术方法包括以下几个方面：

在观测资料方面，研究使用了美国国家环境预测中心（NCEP）再分析资料、欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料（ERA5）、日本55年再分析资料（JRA-55）以及现代研究与应用回顾性分析第二版（MERRA2）等四套再分析数据集，以验证WNPSH西伸趋势的稳健性。

在模式资料方面，研究采用了耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中9个模式的检测归因模式比较计划（DAMIP）历史模拟试验，包括全强迫（ALL）、仅温室气体强迫（GHG）、仅自然强迫（NAT）和仅气溶胶强迫（AER）四类敏感性试验。同时，还使用了9个CMIP6模式的共享社会经济路径（SSP245、SSP370、SSP585）未来情景模拟，以及3个模式的SSP245-GHG、SSP245-nat和SSP245-aer试验以验证DAMIP结果。此外，研究还运用了社区地球系统模式第二版（CESM2）大气模式比较计划（AMIP）的10个集合成员试验，用以区分外强迫响应与大气内部变率的相对贡献。

在方法上，研究人员对已有WNPSH最西点定义方法进行了合理改进，采用自适应阈值法确定5880-gpm等值线的最西位置，并通过条件判断排除孤立高压中心和开放等值线的干扰。研究使用Mann-Kendall非参数检验方法对趋势进行统计显著性评估，并通过线性回归分析WNPSH与相关气象要素的关系。为探讨物理机制，研究人员还计算了大气稳定度（以300?hPa与850?hPa温差表示）、散度风与速度势、流函数与旋转风等动力学诊断量。针对未来预估中模式增温速率过快的问题，研究引入了基于观测的趋势约束方法对模式结果进行校正。

**三、主要研究结果**

**3.1 WNPSH最西点的观测变化**

基于NCEP再分析资料，气候态上夏季WNPSH最西点位于130°E附近，但2013–2023年期间平均最西点惊人地达到了125°E，较气候态位置西移超过550?km；与1979–1989年平均的132.5°E相比，最近十年间西移幅度高达约715?km。Mann-Kendall趋势检验表明，1979年以来WNPSH以每十年2.3°E的速度持续西移；1999年以后趋势更为显著，达到每十年6.9°E。ERA5、JRA-55和MERRA2等不同再分析资料均支持这一持续西伸趋势。WNPSH的西伸还导致东亚和东南亚地区（尤其是中南半岛）2米气温显著升高，对人类健康、农业和电力等部门构成威胁。

**3.2 近期WNPSH西伸的归因分析**

利用9个CMIP6 DAMIP模式的历史全强迫模拟试验，研究人员发现所有模式均重现了观测中WNPSH的西伸趋势，集合平均趋势（每十年?6.18°E±2.10°E）甚至强于观测值（四套再分析资料平均为每十年?3.84°E±1.96°E），表明这些模式能够较好捕获WNPSH的西伸趋势。归因结果显示，仅温室气体强迫的试验中，WNPSH的西伸趋势集合平均为每十年?6.29°E±3.48°E，与全强迫结果高度一致并主导了西伸趋势；而自然强迫和气溶胶强迫对应的趋势几乎为零（分别为每十年?0.68°E±0.78°E和0.18°E±1.39°E）。基于SSP245情景的DAMIP试验和不同排放情景的ScenarioMIP模拟均支持温室气体主导这一结论，且排放越高的情景中西伸趋势越明显。进一步预估表明，在SSP585高排放情景下，WNPSH最西点约在2058±12年到达100°E，较基于观测历史趋势推算的时间（2093±27年）和SSP245低排放情景（2109±31年）至少提前35年，揭示了人为强迫对WNPSH持续西伸的不可忽视的驱动作用。

**3.3 WNPSH西伸的物理机制**

机制分析揭示了两条主要的物理路径。其一，热力学路径：温室气体导致西太平洋地区对流层上层（300?hPa）比对流层下层（850?hPa）增暖更快，从而增大了上下层温差（即大气稳定度增加）。稳定大气有利于高压系统维持和加强，进而推动WNPSH西伸。在仅温室气体强迫的模拟中可以清晰看到这一上层快于下层的增暖特征，而自然强迫和气溶胶强迫试验中则无此现象。其二，动力学路径：温室气体显著加强了西北太平洋地区的下沉运动。散度风和速度势的诊断分析表明，随着WNPSH西移，北太平洋上空的异常下沉运动显著增强，同时北印度洋和北非地区的上升运动也相应加强。850?hPa流函数和旋转风场显示西北太平洋地区存在正流函数异常和反气旋式旋转风，向外长波辐射（OLR）的趋势分布也表明该区域对流活动受到抑制。这些动力学特征共同支持了WNPSH的持续西伸。CMIP6模式结果进一步验证了仅温室气体强迫模拟的下沉运动变化与观测和全强迫模拟最为接近。CESM2 AMIP集合试验的结果表明，上述西伸趋势主要是对外部强迫的响应，而非大气内部变率所致。

**四、讨论与结论**

本研究发现，过去四十年间WNPSH持续西伸的趋势主要由温室气体强迫所主导。针对以往研究中关于WNPSH未出现西移或呈东退趋势的现象，研究人员认为这可能与不同研究未考虑位势高度在副热带地区的非均匀增长有关，或与基于风场定义的WSH指数本身的位置偏差有关。研究还指出，当WNPSH西移时，中南半岛降水显著减少，温度上升，未来在该背景下该地区干旱事件可能频繁发生，对当地农业生产构成严重威胁。此外，基于涌现约束和帕累托最优等策略的未来模式优化研究以及更多样化的学术声音对深入理解WNPSH变化仍十分必要。研究结论明确指出：温室气体通过增强西北太平洋地区的大气稳定性和下沉运动这两条途径，共同推动WNPSH持续西伸；这一由人为强迫主导的趋势将在未来继续发展，并对东亚和东南亚地区的极端高温预测和防灾减灾提供科学指导。