热带经向地表温度梯度在广泛气候状态下的准不变性规律及其气候预测意义

《Nature Communications》：Quasi-invariance of tropical meridional surface temperature gradient in a wide range of climates

本研究针对全球气候变化中热带地区温度响应规律尚不明确的问题，通过多源数据与数值模拟揭示了热带经向地表温度梯度（TMSTG）在极端冷、热气候下均保持稳定的现象。研究人员综合观测数据、古气候代理指标与模型实验，发现TMSTG的准不变性由热带弱温度梯度（WTG）动力学、对流湿绝热过程（CMA）及太阳辐射分布共同维持。该规律为古气候重建和未来气候预测提供了关键约束，成果发表于《Nature Communications》。

　　

在地球气候系统中，极地放大效应（polar amplification）作为全球变暖的典型特征已被广泛认知——高纬度地区温度升幅显著大于低纬度地区。然而，热带地区经向地表温度梯度（Tropical Meridional Surface Temperature Gradient, TMSTG）在不同气候背景下的变化规律长期被忽视。传统研究多集中于有限气候区间（如CO₂倍增实验），认为TMSTG的微小波动仅是巧合，缺乏物理机制的深入阐释。随着极端气候事件频发和古气候研究的深入，厘清热带温度梯度的稳定性是否适用于更广泛气候状态（如冰河期或高温地质时期）成为亟待解决的科学问题。

为破解这一谜题，北京大学魏梦宇、杨军等团队在《Nature Communications》发表研究，通过整合现代观测数据（NCEP、ERA5再分析）、古气候代理数据（距今7000万年至近代）、数据同化结果及多模型模拟（CMIP6、PMIP4等），首次系统验证了TMSTG在全局平均温度（GMST）跨度达30°C（6.2–36.1°C）的极端气候下仍保持准不变性。该研究将TMSTG量化为赤道区（5°S–5°N）与副热带（30°S/N）的地表温度差（TSeq-30），发现其随GMST变化的线性斜率仅为-0.08，即全球温度每变化50°C，TSeq-30仅波动约4°C，远低于中高纬度梯度变化幅度。

研究团队进一步通过敏感性实验揭示了TMSTG准不变性的物理机制。首先，热带入射太阳辐射的经向梯度本身较小（30°S/N与赤道的年均辐射差约54 W m^-2），且云短波效应与大气吸收作用进一步削弱其空间差异。其次，热带动力学过程起到关键作用：水平方向上，弱温度梯度（Weak Temperature Gradient, WTG）理论指出，科里奥利力微弱的热带地区无法维持显著的自由大气温度梯度，重力波和哈德莱环流（Hadley cells）通过热量输送实现温度均一化；垂直方向上，对流湿绝热（Convective Moist Adiabat, CMA）过程主导热带大气温度廓线，使自由对流层温度变化与地表响应协同。

值得注意的是，当行星倾角或自转周期改变时，TMSTG的稳定范围会向极地扩展。例如，自转速率降至现代值的1/10时，WTG区域从30°S/N扩展至60°S/N，哈德莱环流宽度同步增加。相反，人为关闭云辐射反馈或大幅削减海洋热输送（OHT）虽会改变TMSTG绝对值，但其在气候突变中的波动幅度仍受限（<4.7°C），印证了机制的鲁棒性。

关键技术方法

研究联合使用再分析数据（NCEP、ERA5）、古气候代理指标（LGM、PETM等时段）、数据同化系统（iCESM）及多模型集成（CESM1.2、HadCM3、CMIP6等），通过斜率海洋模型（slab-ocean model）设计敏感性实验，调控CO₂浓度（10–7840 ppmv）、太阳常数（1302–1365 W m^-2）、行星参数（倾角、自转速率）等边界条件，并利用离线辐射传输工具（PORT）量化温室气体与反馈过程的贡献。

研究结果

1. 1.
   TMSTG在广泛气候下的稳定性
   跨数据集分析显示，TSeq-30在GMST变化范围内波动小于3.1°C，而极地梯度变化可达其5–10倍（图1、2d-f）。即便在冈瓦纳或盘古大陆等海陆配置剧变情景下，热带温度梯度仍保持稳定（图S9）。
2. 2.
   动力学与辐射机制的协同作用
   WTG与CMA约束下，热带自由大气温度变化呈经向均匀（图3c-d），且晴空温室效应（G_c）与地表向下长波辐射的响应模式进一步削弱梯度差异（图3e-f）。辐射传输分析表明，水汽反馈与递减率反馈（lapse rate feedback）的纬度补偿效应是关键（图S6）。
3. 3.
   外强迫参数的边界影响
   行星倾角增至40°时，TMSTG显著减弱（TSeq-30从10.8°C降至4.9°C）；自转速率降低则使准不变区域向极地扩展（图4e-f），但均未破坏梯度在热带内部的均匀性。

结论与意义

本研究首次确立热带经向地表温度梯度在宽幅气候状态下的准不变性定律，其物理本质源于太阳辐射分布与热带动力学的内在约束。该规律为古气候重建提供新范式——仅需已知热带某一纬度的温度，即可推演整个热带区域温度场；同时为未来气候预测注入强约束，提示即使温室气体浓度急剧升高，热带经向温度梯度仍将保持稳定。此外，该定律可优化一维/二维能量平衡模型中的扩散参数设置，提升简单气候模型的模拟可靠性。研究同时指出，在极薄大气或超高温（>2000 K）行星环境中，辐射过程可能主导温度梯度，这为系外行星气候研究提供了新方向。