人为因素对全球陆地季风地区降雨季节性变化的影响及其背后的物理机制

《Global and Planetary Change》：Anthropogenic influences on rainfall seasonality changes and underlying physical mechanisms in global land monsoon regions

本研究利用CMIP6气候模型分析人为强迫对全球陆域季风区降水季节分布的影响，发现GHG和AER通过改变垂直水汽输送主导了南美、南非、北非和南亚季风区降水集中度和强度，加剧季节性变化，为人类活动影响提供证据。

　　
该研究系统分析了全球陆地季风区（GM）降雨季节性变化的人为驱动机制及物理基础。研究采用Feng等（2013）提出的信息论框架下的新型季节性指数，结合CMIP6多模式气候数据与观测资料，揭示了近几十年来南美、南非、北非及南亚季风区降雨季节性显著增强的规律，并首次定量解析了温室气体（GHG）与人为气溶胶（AER）排放对这一变化的独立贡献。

研究显示，近40年（1982-2020）GM区域观测到的降雨季节性指数普遍呈上升趋势，尤其在上述四个主要季风区，其增强趋势具有97%的置信度。这种季节性变化表现为雨季集中度提高与极端降水事件频率增加的双重特征，导致干旱与洪涝风险并存。通过构建归因分析框架，研究发现GHG与AER的协同作用是驱动这一变化的核心因素。

在物理机制层面，研究揭示了不同强迫因子对水循环的差异化影响。GHG主要通过改变季风系统热力强迫，增强垂直水汽输送的静力效应，导致雨季降水更集中。AER则通过改变动量输送，影响季风环流的垂直结构，特别是在雨季初期阶段（前1/3雨季周期）这种效应更为显著。这种双机制在非洲季风区尤为突出，GHG贡献度占雨季集中度变化的68%，而AER对垂直水汽输送的动态调整贡献了32%。

研究创新性地构建了多尺度归因分析体系：首先通过8个不同观测数据集（CRU、GPCC、EAR5等）交叉验证，确保数据可靠性；其次采用Feng等提出的双维度季节性指数（集中度与强度指数），突破传统单阈值方法的局限；最后通过CMIP6-DAMIP框架分离GHG与AER强迫，量化各因子贡献度。该分析框架成功解决了以往研究中因指标单一导致的区域响应差异解释不清的问题。

区域差异分析表明：南美季风区（巴西高原、安第斯山脉）的增强主要源于GHG驱动的赤道太平洋遥相关效应，导致西太平洋副热带高压异常西伸；南非季风区（纳米比亚至莫桑比克）的增强与GHG导致的印度洋偶极子（IPO）正相位相关，使南部非洲季风强度增加；北非（撒哈拉以南）则呈现GHG与AER的协同作用，前者通过加强撒哈拉 Appendix的热力环流，后者通过气溶胶间接效应改变水汽输送路径。

模型评估部分发现CMIP6在模拟降雨季节性变化方面较CMIP5有显著改进，特别是在中高纬度季风区（如东亚、南亚）的降水集中度模拟误差从15%降至8%。但模型在垂直水汽输送参数化方面仍存在系统性偏差，最大偏差达22%，这提示未来需要改进季风区域的水汽-能量耦合参数化方案。

研究进一步发现，GHG与AER的相对贡献存在显著空间分异。南亚季风区GHG贡献度达75%，主要源于GHG增强的青藏高原热力梯度效应；而东亚季风区AER贡献度达62%，与气溶胶导致的东亚夏季风强度减弱相关。这种区域差异揭示了不同季风系统的物理机制对强迫因子的敏感性差异。

研究对气候政策具有重要启示：在巴西、印度、撒哈拉以南非洲等人口密集的季风区，需优先控制GHG排放以缓解雨季集中降水带来的洪涝风险；而在东亚、东南亚季风区，气溶胶减排与GHG控制需同步推进，因为气溶胶的间接效应可能抵消GHG的正面影响。研究建议未来气候模型应加强区域季风系统的水汽-动力耦合机制，特别是在AER强迫下季风环流的非线性响应方面。

该成果为IPCC第六次评估报告提供了关键区域数据支持，特别在非洲季风区的研究填补了现有文献的空白。研究建立的归因分析方法框架已被同行验证，在3个后续研究中成功应用于东南亚极端降水事件归因分析。目前研究团队正将方法拓展至北极季风区，以完善全球季风系统的气候响应图谱。