1970年以来地表增暖加速的时空特征

《Nature Communications》：Space-time signatures of surface warming accelerations since 1970

　　

2023-2024年出现创纪录的高温，全球各地观察到极端事件，科学文献和媒体目前正在争论全球变暖是否正在加速。研究人员从区域视角探讨这一问题，确定在地表温度观测中检测到增温速率增加的区域。结果表明，自1970年以来，存在协调一致的增暖加速和向增暖转变的时空系统，且在多个地表温度数据集中具有一致性。研究人员进一步显示，增暖加速和增暖开始发生在不同区域，且主要出现在北半球中纬度地区。区域增暖加速的开始时间存在显著差异：其时间从1980年代到2010年代不等。通过识别经历增温速率变化的源区及其发生时间，上述结果为当前关于全球变暖加速的争论提供了细致认识。

近年来，2023-2024年连续打破全球地表温度观测纪录，并伴随全球范围内的极端气候事件，引发科学界和媒体关于全球变暖是否正在加速的激烈争论。已有解释认为，厄尔尼诺-南方涛动（El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO）的转变可以部分解释短期增温峰值，但2023年异常的幅度超出单纯内部变率和温室气体强迫的预期，促使学者提出气溶胶减排导致地球能量不平衡增加、从而引起2010年后增温加速的假说。然而，在全球尺度上，基于观测的统计检测尚未识别出明确的增温加速信号，而短时期变率变化极易与自然变率混淆，例如1998-2015年间关于“全球增暖 hiatus”的争论即为前车之鉴。同时，气候系统对强迫的响应在空间上高度不均匀，陆地与海洋、不同纬度带之间的增温速率差异显著。因此，亟需从区域尺度系统识别地表增温速率发生变化的地区及其发生时间，为理解全球增暖加速提供更细致的空间证据，也为适应策略制定提供参考。

研究人员利用五个覆盖1970-2024年的网格化地表温度数据集，包括Berkeley Earth、美国国家航空航天局戈达德空间研究所温度分析（GISTEMPv4）、美国国家海洋和大气管理局全球陆海温度分析（NOAAGlobalTemp v6.1）、英国气象局哈德莱中心与气候研究室联合产品（HadCRUT v5）以及动力一致温度集合的全球插值扩展数据集（DCENT-I），将高分辨率数据重采样至5°×5°网格，对每个网格单元的逐年温度时间序列独立拟合分段线性变点检测模型。模型假设趋势变化可用分段线性函数描述，噪声服从一阶自回归（AR(1)）过程，采用贝叶斯信息准则（BIC）惩罚并通过Pruned Exact Linear Time（PELT）动态规划算法进行全局优化。研究人员还计算了变点能量（E）以评估变化检测的难易程度，并利用条件似然比框架构建变点时间的95%置信区间。为检验结果对模型设定的敏感性，另采用二次趋势模型及不同惩罚函数进行比较分析。

### 增温速率变化的时空系统

检测结果显示，约4%-10%的网格单元在1970-2024年间经历了至少一次增温速率的显著变化，且变化的位置和时间在多个数据集中表现出高度一致性，表明存在协调的时空变化系统。从变化方向看，增温加速以及由冷却或近零趋势向增暖的转变占据绝对主导，减速和向冷却的转变相对较少。空间分布上，加速变化主要集中于北半球中纬度地区，而减速变化主要出现在南半球海洋，尤其是南大洋，且多发生于1980年代。

### 区域增暖加速的特征

在多个数据集中一致识别的增暖加速或向增暖转变区域共有七个：墨西哥东南部与墨西哥湾、玻利维亚、中国东南部、新西兰及其沿海、东地中海地区以及北太平洋。这些区域增暖加速的起始时间从1980年代到2010年代不等，显示出显著的时间异质性。例如，墨西哥东南部在2012年后增温速率提高约十倍，中国东南部在2013年后增温速率提高约五倍。变点能量分析表明，中国东南部的加速变化具有最高的检测信噪比（signal-to-noise ratio, SNR = 2.6），其趋势变化和方差变化共同贡献了较大的能量。

### 增暖减速的区域

增暖减速（以及向冷却的转变）主要出现于南半球海洋，以南大洋为主，发生时间集中在1980年代。陆地增温变化则几乎全部表现为加速，而海洋上加速和减速均有出现，表明海洋增温速率变化的变率更大。这与全球尺度上尚未检测到净加速的结论并不矛盾，因为发生变化的网格单元占比有限，且各区域变化时间不一致。

### 检测的可靠性与敏感性分析

模型选择使用BIC惩罚，该惩罚在控制第一类错误和检测功效方面表现较优。若采用不含变点时间项的松弛惩罚，检测到的变化区域会扩大，但同时误检率也相应上升。二次趋势模型的互补分析结果与分段线性变点检测结果在大部分区域一致，表明研究结论对增温加速的不同定义方式具有稳健性。检测功效随变点能量增加而提高，且发生在时间序列中段（如1990年代和2000年代）的变化比发生在首尾时段的变化更容易被检测到。

讨论部分指出，研究结果与全球尺度上尚无法检测到增温加速的既有认识一致，但揭示了若干区域在2010年左右出现加速，这可能与区域性气溶胶减排有关，例如墨西哥正式提出到2030年减少气溶胶排放的计划，以及中国自2007年以来二氧化硫（SO₂）排放的持续下降。东地中海地区在1980年代末期检测到的增温加速也与该区域气溶胶减少和太阳辐射增亮现象相符。此外，太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）和大西洋多年代际变率（Atlantic Multidecadal Variability, AMV）等内部变率模态可能对检测到的空间型有所贡献，南大洋1980年代的减速则与风驱海冰输运加强和南极冰盖融水注入等过程有关。然而，将内部变率与外部强迫的贡献进行正式分离需要进一步的归因研究。数据集在测量流程和海冰区域处理上的差异可能引入不确定性，但多个独立校正的数据集呈现一致结果，降低了人为伪变化的风险。

研究结论翻译如下：我们的结果与先前研究一致，表明在全球尺度上检测地表增温加速还为时过早。检测到加速的区域有限，且其发生时间差异显著。虽然结果并未表明2010年出现大范围的增温加速，但揭示了墨西哥湾、墨西哥东南部和中国东南部在该时段存在增温加速，这可能与气溶胶减少有关。监测区域增温速率变化对于当地社区制定气候适应策略具有重要意义，加速增暖将比渐进变暖对生态系统和脆弱人群造成更严重的影响。