青藏高原與周邊地區(qū)近四十年區(qū)域夏季地表氣溫變化趨勢(shì)的異同及歸因分析

吳玉婷 楊崧 ,2,3 胡曉明 ,2,3 王子謙 ,2,3 魯萌萌 肖子牛

1 中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院, 珠海519082

2 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 珠海519080

3 廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 珠海519080

4 中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和青藏高原氣象研究所, 北京100081 5

中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100029

1 引言

地表氣溫是影響區(qū)域氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，也是影響大氣和地表能量交換和水循環(huán)的重要參數(shù)。在全球變暖背景下，全球地表氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，表現(xiàn)出北半球高緯度地區(qū)升溫更顯著，陸地增暖比海洋增暖更強(qiáng)等特點(diǎn)。而夏季地表氣溫增暖明顯地影響著區(qū)域和全球氣候，對(duì)區(qū)域極端熱浪事件的發(fā)生具有加劇作用（Sch?r et al., 2004），對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人類社會(huì)造成嚴(yán)重影響（Wahren et al.,2005），更值得關(guān)注和研究。

青藏高原是世界上海拔最高的高原，它在夏季作為熱源，對(duì)其周邊地區(qū)乃至全球的天氣氣候變化產(chǎn)生重要影響（簡(jiǎn)茂球等, 2004; Wu et al., 2007,2015; 彭 玉 萍 等2012; Lu et al., 2018, 2019, 2021;Nan et al., 2019, 2021; Liu et al., 2020）。青藏高原的地表氣溫在過去幾十年經(jīng)歷了顯著增溫（段安民等, 2016; 楊倩等, 2020; Yan et al., 2020），且其升溫幅度高于同緯度地區(qū)平均，同時(shí)也高于中國及全球平均增暖水平，具有增暖放大現(xiàn)象（馬曉波和李棟梁, 2003; Duan and Xiao, 2015; 游慶龍等, 2021）。青藏高原增暖的原因也引起了廣泛的研究和討論。地表冰雪變化被認(rèn)為是高原地表增暖的一個(gè)主要原因，增暖的地表使得雪線升高，地表反照率減小，進(jìn)一步接收更多的短波輻射，放大地表增暖（Ghatak et al., 2014; You et al., 2016）。同時(shí)，云—輻射反饋過程也會(huì)導(dǎo)致高原增暖，高原夜間低云量的增長(zhǎng)以及白天云量減少造成的夜間大氣逆輻射和白天太陽輻射增強(qiáng)的共同作用使得高原氣溫升高（Duan and Wu, 2006; Duan and Xiao, 2015; Yang and Ren, 2017）。大氣水汽含量增多以及大氣溫度升高使向下長(zhǎng)波輻射增強(qiáng)，也利于地表增暖（Rangwala et al., 2009; Su et al., 2017; Gao et al.,2019）。此外，溫室氣體排放、氣溶膠變化以及陸面使用的變化等原因都會(huì)導(dǎo)致高原增暖（Chen et al., 2003; Cui et al., 2006; Jin et al., 2010; Jiang et al.,2017; Ma et al., 2017, 2019）。

在歐亞大陸青藏高原周邊的相對(duì)低海拔地區(qū)，夏季地表氣溫也呈現(xiàn)出顯著的升高趨勢(shì)，并得到了較多學(xué)者的關(guān)注。前人研究表明，歐洲夏季極端熱浪發(fā)生頻次逐年增加（Barriopedro et al., 2011;Hoerling et al., 2012; Stainforth et al., 2013），青 藏高原以北的東北亞地區(qū)也出現(xiàn)極端熱浪事件增加特征（Trenberth and Fasullo, 2012; Lee et al., 2018;Fang and Lu, 2020）。大西洋多年代際振蕩（AMO）被認(rèn)為對(duì)歐亞地區(qū)地表年代際增暖有重要貢獻(xiàn)（ Sutton and Dong, 2012; Kamae et al., 2014），AMO 一方面會(huì)調(diào)制中部型厄爾尼諾所激發(fā)的環(huán)流響應(yīng)，導(dǎo)致了與歐亞大陸年代際熱浪頻率相關(guān)的大規(guī)模環(huán)流異常（Zhou and Wu, 2016）；另一方面也會(huì)調(diào)制絲綢之路遙相關(guān)型的年代際變化，從而造成了歐亞大陸緯向地表增暖的不均勻性（Hong et al.,2017）。此外，溫室氣體和氣溶膠變化也會(huì)造成顯著 的 地 表 增 暖（Stott et al., 2000; Kamae et al.,2014），尤其是在歐洲以及東北亞地區(qū)（Dong et al., 2016, 2017）。氣候變化對(duì)歐亞大陸的增暖也具有顯著的影響，例如，有研究指出夏季東北亞地表增暖是對(duì)華南夏季降水增加的遠(yuǎn)程響應(yīng)（Chen and Lu, 2014）。

以往研究主要集中在造成歐亞大陸夏季增暖的外部強(qiáng)迫和內(nèi)部變率的研究上，而對(duì)地表增暖現(xiàn)象形成的具體熱動(dòng)力過程及其各因子的定量貢獻(xiàn)還有待深入研究。同時(shí)，歐亞大陸高海拔的大地形區(qū)域（青藏高原）與其周邊相對(duì)低海拔地區(qū)的增暖歸因有何異同？這也是一個(gè)值得研究的科學(xué)問題。因此，本文將關(guān)注青藏高原及其周邊相對(duì)低海拔地區(qū)在過去四十年的夏季地表氣溫變化趨勢(shì)，分析造成其溫度變化趨勢(shì)的主要熱動(dòng)力過程及其相對(duì)貢獻(xiàn)，加深青藏高原及其周邊歐亞大陸夏季地表氣溫變化趨勢(shì)及歸因的整體認(rèn)識(shí)。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文主要采用1979～2019 年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF）提供的ERA5 的逐月再分析資料（Hersbach et al., 2020）。資料的水平網(wǎng)格分辨率為1°×1°，垂直方向有37 層（1000～1 hPa）標(biāo)準(zhǔn)等壓層。參與計(jì)算的變量包括等壓面高度場(chǎng)，水平風(fēng)場(chǎng)，溫度，比濕，云冰/云水含量，云量，臭氧混合比，2m 露點(diǎn)溫度，地表氣壓，多云及晴天情況下的地表向下及凈短波輻射通量，多云及晴天情況下的地表向下及凈長(zhǎng)波輻射通量，大氣層頂入射太陽輻射，表面感熱通量和表面潛熱通量。其中，本文使用的月平均氣溶膠光學(xué)厚度數(shù)據(jù)來自于MEERA-2 (Modem-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) 再分析資料。此外，二氧化碳（CO2）濃度數(shù)據(jù)來自美國國家海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站（https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/[2021-06-29]）。

2.2 分析方法

依據(jù)斯蒂芬—玻爾茲曼定律，表面溫度決定了地表向上長(zhǎng)波輻射，因而我們將用地表長(zhǎng)波輻射的變化來表征地表氣溫的變化。而根據(jù)地表能量守恒方程（Huang et al., 2017），地表向上長(zhǎng)波輻射可以進(jìn)一步被分解為

其中，S↓（S↑）為地表向下（向上）太陽短波輻射通量，R↓（R↑）為地表向下（向上）長(zhǎng)波輻射通量，LH↑和SH↑分別為從地表到大氣的潛熱通量和感熱通量，G0↑為次地表層的能量通量，也稱為地表熱通量（Ground Heat Flux）。G0↑在陸地上一般很小，可以忽略不計(jì)，而等式中其它每項(xiàng)都可以直接由ERA5 資料直接得到。

我們定義1979～1988 年的十年平均為基準(zhǔn)狀態(tài)，并且使用1980～2019 年數(shù)據(jù)進(jìn)一步構(gòu)建了31個(gè)連續(xù)變化的十年平均，稱為暖狀態(tài)，分別為1980～1989 年十年平均、1981～1990 年十年平均等，一直到2010～2019 年十年平均。用“Δ”表示任一暖狀態(tài)相對(duì)基準(zhǔn)狀態(tài)的異常，那么這31 個(gè)連續(xù)變化的年代際差異可以認(rèn)為是1979～2019 年的趨勢(shì)變化。進(jìn)而公式（1）可以寫作：

通過上式，我們可以得到等式右邊各項(xiàng)的年代際變化，從而評(píng)估ΔR↑的年代際變化。而

其中，ΔQ表示由不同下標(biāo)代表的過程引起的地表輻射通量擾動(dòng)，這些過程分別為地表反照率、云、水汽、大氣溫度、CO2濃度、大氣層頂入射太陽輻射、臭氧濃度和氣溶膠變化。ΔQcloud可以通過計(jì)算ERA5 數(shù)據(jù)在有云、無云兩種情況下的地表輻射通量之差得出，進(jìn)一步用ΔCRE 表示，代表著與云相關(guān)的過程所引起的輻射效應(yīng)，主要包含了云變化引起的直接輻射效應(yīng)以及其它項(xiàng)如水汽等與云相互作用引起的間接輻射效應(yīng)。除ΔCRE 外，公式（3）中等號(hào)右邊各項(xiàng)都由同一輻射傳輸模式（Fu and Liou, 1992, 1993）的兩次計(jì)算差值給出，第一次計(jì)算采用基準(zhǔn)狀態(tài)的相關(guān)變量場(chǎng)，第二次計(jì)算采用與第一次計(jì)算相同的變量場(chǎng)，只將下標(biāo)代表的變量場(chǎng)替換為暖狀態(tài)中的變量場(chǎng)。需要特別說明的是，在兩次計(jì)算過程中，云相關(guān)變量均為0，即為各項(xiàng)的晴空輻射效應(yīng)。

總而言之，地表能量分解方法可表述為

其中，clr 表示晴空條件下，即我們計(jì)算的是各項(xiàng)均為晴空輻射效應(yīng)。通過公式（4），我們可以將地表向上長(zhǎng)波輻射的變化分解為由外強(qiáng)迫變化（CO2和太陽入射輻射）以及氣候系統(tǒng)內(nèi)部過程（包含臭氧，地表反照率，大氣溫度，水汽，云，感熱和潛熱通量） 導(dǎo)致的能量擾動(dòng)。從而達(dá)到定量計(jì)算各過程對(duì)高原及其周邊地區(qū)的地表氣溫變化的貢獻(xiàn)的目的。上述方法是我們?yōu)榱烁忧逦庇^地研究青藏高原及周邊地區(qū)的地表氣溫趨勢(shì)，在Lu and Cai（2009）以及Cai and Lu（2009）提出的氣候反饋響應(yīng)分析方法上進(jìn)一步整理得到的，它是氣候反饋響應(yīng)分析方法的另一種表達(dá)形式。

3 結(jié)果分析

3.1 青藏高原及周邊地區(qū)地表氣溫趨勢(shì)

圖1 展示了歐亞非地區(qū)1979～2019 年夏季地表氣溫趨勢(shì)分布圖，可以看出，近四十年的夏季歐亞大陸平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)。其中，有兩個(gè)明顯的增暖中心，分別位于高原以西的北非—南歐地區(qū)，以及高原以北的蒙古地區(qū)，兩地增暖最顯著區(qū)域均超過0.6 K (10 a)-1。此外，高原主體增暖區(qū)域主要位于東部及北部高原。同時(shí)，在高原東側(cè)東北亞區(qū)域也有較為顯著的增暖趨勢(shì)，其區(qū)域平均增暖幅度超過0.2 K (10 a)-1，而在高原南側(cè)南亞次大陸上，并沒有出現(xiàn)顯著的增暖趨勢(shì)。在全球變暖背景下，歐亞大陸地表氣溫趨勢(shì)在過去四十年存在明顯區(qū)域性差異，青藏高原與低海拔區(qū)域增暖幅度有所不同，低海拔區(qū)域之間增暖幅度也有明顯差異。因此我們選取了高原以西的北非—南歐地區(qū)、以北的蒙古地區(qū)這兩個(gè)顯著增暖中心，以及高原以東的東北亞地區(qū)、以南的南亞地區(qū)這兩個(gè)顯著低海拔地區(qū)作為研究區(qū)域，關(guān)注它們各自在過去四十年的地表氣溫變化以及與青藏高原增暖的異同以及聯(lián)系。

圖1 1979～2019 年夏季平均地表氣溫趨勢(shì)分布 [單位：K (10 a)-1]。黑色打點(diǎn)區(qū)域表示填色變量場(chǎng)通過95%的信度檢驗(yàn)。綠色實(shí)線為1500 m 海拔等高線。藍(lán)色虛線框代表的區(qū)域分別為我們關(guān)注的北非—南歐地區(qū)（W）、蒙古地區(qū)（N）、東北亞地區(qū)（E）、南亞地區(qū)（S），下同F(xiàn)ig. 1 Trends of JJA-mean (JJA: June, July, August) surface temperature from 1979 to 2019 [units: K (10 a)-1]. The dotted areas denote the trends exceeding the 95% confidence level of statistical significance. The green solid line denotes the 1500-m elevation contour. The blue dashed rectangles denote the different regions, i.e., North Africa and Southern Europe (W), Mongolia (N), Northeast Asia (E), and South Asia (S), the same below

圖2 展示了我們關(guān)注的五個(gè)地區(qū)的區(qū)域平均地表氣溫（紅色實(shí)線）、地表向上長(zhǎng)波輻射通量（黑色實(shí)線）及其十年滑動(dòng)平均（紫色虛線）在近四十年的演變情況。高原主體增暖幅度為0.30 K (10 a)-1，而高原以西的北非—南歐區(qū)域平均地表氣溫表現(xiàn)出最為顯著的增暖趨勢(shì)，其區(qū)域平均增暖幅度達(dá)到0.56 K (10 a)-1，其次為青藏高原以北的蒙古地區(qū)，其增暖幅度為0.46 K (10 a)-1，與此同時(shí)，高原東側(cè)東北亞地區(qū)增暖幅度為0.35 K (10 a)-1，而青藏高原南側(cè)印度次大陸在過去四十年并未發(fā)生顯著溫度變化 [0.14 K (10 a)-1]。

圖2 各區(qū)域夏季平均地表向上長(zhǎng)波輻射（黑色實(shí)線，單位：W m-2）及其十年滑動(dòng)平均（紫色虛線，單位：W m-2）與地表氣溫（紅色實(shí)線，單位：K）的變化Fig. 2 Time series of JJA-mean surface upward longwave radiation (black solid line, units: W m-2), 10-year running average of surface upward longwave radiation (purple dashed line, units: W m-2), and surface temperature (red solid line, units: K) in different regions. TP: Tibetan Plateau

地表向上長(zhǎng)波輻射與地表氣溫的變化在五個(gè)區(qū)域都有很強(qiáng)的一致性，因而用地表向上長(zhǎng)波輻射的變化來表征地表氣溫的演變是可靠的。對(duì)地表氣溫長(zhǎng)期趨勢(shì)變化的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)地表向上長(zhǎng)波輻射的趨勢(shì)研究。依據(jù)2.2 節(jié)中所描述的方法，我們將地表向上長(zhǎng)波輻射的變化分解為多個(gè)不同過程變化導(dǎo)致的地表向上長(zhǎng)波輻射擾動(dòng)之和。圖3 是31 個(gè)連續(xù)變化的十年平均相對(duì)1979～1988 十年平均每個(gè)區(qū)域的向上長(zhǎng)波輻射變化的具體貢獻(xiàn)過程。我們將在接下來的三個(gè)小節(jié)中討論不同過程對(duì)各個(gè)區(qū)域地表向上長(zhǎng)波輻射趨勢(shì)變化的貢獻(xiàn)，其中青藏高原作為大地形區(qū)域單獨(dú)討論，而北非—南歐地區(qū)和蒙古地區(qū)作為中緯度內(nèi)陸地區(qū)，與兩個(gè)沿海地區(qū)（東北亞地區(qū)和南亞地區(qū)）進(jìn)行分組討論。

圖3 各 區(qū) 域 夏 季 平 均 地 表 向 上 長(zhǎng) 波 輻 射 變 化（單 位：W m-2）。“CRE”、“Ta”、“Solar”、“WV”、“AL”、“SH”、“Aero”、“CO2”和“LH”分別表示云過程、大氣溫度、對(duì)流層頂太陽入射輻射、大氣水汽含量、地表反照率、地表感熱通量、氣溶膠、二氧化碳含量和地表潛熱通量變化對(duì)地表向上長(zhǎng)波的貢獻(xiàn)Fig. 3 Changes in JJA-mean surface upward longwave radiation (LR) in different regions (units: W m-2). “CRE,” “Ta,” “Solar,” “WV,” “AL,” “SH,”“Aero,” “CO2,” and “LH” denote the changes in surface upward longwave radiation due to the process of cloud radiative effect, air temperature,incident solar radiation at the top of the atmosphere, water vapor, surface albedo, surface sensible heat flux, aerosol, CO2 concentration, and surface latent heat flux, respectively

3.2 青藏高原主體趨勢(shì)歸因分析

圖3a 表明，青藏高原的地表向上長(zhǎng)波輻射在過去四十年有較為明顯的上升趨勢(shì)，與地表氣溫趨勢(shì)一致。造成高原地表向上長(zhǎng)波輻射增加（也就是地表氣溫增加）的主要過程有地表反照率過程，以及大氣氣溶膠和水汽過程。高原夏季地表反照率在過去四十年逐漸減?。▓D4），這與高原多年積雪融化，雪線升高有關(guān)（Shen et al., 2015; Xu et al.,2017），同時(shí)高原夏季地表植被增加對(duì)地表反照率減小也有貢獻(xiàn)（王青霞等, 2014; Zhong et al., 2019）。減小的地表反照率使得高原地表接收到更多的入射太陽短波輻射，地表能量增加，進(jìn)一步放大了高原地表增暖。而高原大氣氣溶膠的減少（Kang et al.,2016; Zhu et al., 2019）進(jìn)而減弱了對(duì)太陽輻射的吸收和散射，地表獲得更多的能量。此外，高原在過去四十年有較為顯著的水汽輻合趨勢(shì)（圖5b），大氣水汽含量增加，增加向下長(zhǎng)波輻射，地表進(jìn)一步獲得能量，利于地表增暖。同樣，增加的大氣水汽利于云的形成（圖5a），高原上云量的增加會(huì)阻擋入射短波輻射，不利于地表增溫。此外，地表潛熱通量增加（圖6b），向大氣釋放了更多的能量，對(duì)地表有降溫作用。

圖4 1979～2019 年夏季平均青藏高原地表反照率變化趨勢(shì) [單位：(10 a)-1]Fig. 4 Trends in JJA mean surface albedo from 1979 to 2019 over the Tibetan Plateau [units: (10 a)-1]

圖5 （a）1979～2019 年夏季地表至300 hPa 整層積分的云冰含量與云水含量之和的變化趨勢(shì) [單位：kg m-2 (10 a)-1]。（b）1979～2019年夏季地表至300 hPa 整層積分的水汽通量 [矢量箭頭，單位：kg m-1 s-1 (10 a)-1]及其散度 [填色，單位：10-6 kg m-2 s-1 (10 a)-1] 的變化趨勢(shì)。黑色打點(diǎn)區(qū)域表明填色變量場(chǎng)通過95%的信度檢驗(yàn)。圖b 中矢量箭頭場(chǎng)均已通過95%的信度檢驗(yàn)Fig. 5 (a) Trends in JJA mean column-integrated (surface to 300 hPa) atmospheric cloud liquid and ice water content from 1979 to 2019 [units: kg m-2 (10 a)-1]. (b) Trends in JJA mean column-integrated (surface to 300 hPa) atmospheric water vapor flux [vectors, units: kg m-1 s-1 (10 a)-1] and its divergence [shading, units: 10-6 kg m-2 s-1 (10 a)-1] from 1979 to 2019. The dotted areas denote the shaded fields that exceed the 95% confidence level of statistical significance. Vectors in (b) pass the test of significance at the 95% confidence level

Wu et al.（2020）在研究青藏高原地表年代際增溫中指出地表感熱通量的年代際減弱、地表反照率減小和大氣水汽含量增加對(duì)夏季高原年代際增溫有重要貢獻(xiàn)。從本文揭示的高原地表增溫趨勢(shì)中，我們也看到地表反照率和大氣水汽含量對(duì)高原增暖趨勢(shì)的重要作用，而地表感熱通量的作用不明顯。事實(shí)上，地表感熱通量在1998 年前為下降趨勢(shì)，在1998 年后為上升趨勢(shì)（Zhu et al., 2017），因而在本研究關(guān)注的時(shí)段（1979～2019 年）中的趨勢(shì)變化并不顯著，故對(duì)高原地表增暖的趨勢(shì)貢獻(xiàn)并不明顯。

3.3 青藏高原以西、以北地區(qū)趨勢(shì)歸因分析

針對(duì)高原以西的北非—南歐地區(qū)（圖3b），其地表向上長(zhǎng)波輻射在過去四十年有明顯的上升趨勢(shì)。通過對(duì)地表向上長(zhǎng)波的分解，我們發(fā)現(xiàn)造成北非—南歐地區(qū)地表向上長(zhǎng)波輻射增加的主要過程來自于大氣氣溶膠變化以及大氣溫度變化，而造成地表向上長(zhǎng)波輻射減少（也就是地表氣溫減?。┑闹饕^程是地表感熱過程，正貢獻(xiàn)過程造成的升溫幅度遠(yuǎn)強(qiáng)于負(fù)貢獻(xiàn)過程造成的降溫幅度，因此北非—南歐地區(qū)地表氣溫在近四十年表現(xiàn)為顯著的升高趨勢(shì)。

在北非—南歐地區(qū)，大氣溫度有顯著的增暖趨勢(shì)（圖7a），這與大氣異常反氣旋環(huán)流所對(duì)應(yīng)（圖7b）。增暖的大氣會(huì)增強(qiáng)向下長(zhǎng)波輻射，使得地表能量增加，利于地表增暖。此外，北非—南歐地區(qū)大氣中存在大量以沙塵為主的氣溶膠（Gu et al., 2012;Varga, 2020; Wang et al., 2020），大氣氣溶膠會(huì)反射和散射太陽短波輻射，造成地表降溫（Kaiser and Qian, 2002; Zheng et al., 2008）。從近四十年大氣氣溶膠光學(xué)厚度的趨勢(shì)上來看，北非—南歐地區(qū)的氣溶膠明顯減少（圖8），那么氣溶膠對(duì)入射短波的散射和吸收也減弱，更多入射短波輻射到達(dá)地表，利于地表增溫。同時(shí)，北非—南歐地區(qū)的大氣水汽含量和云量在近四十年來存在一定的下降趨勢(shì)（圖5），但其區(qū)域平均的變化幅度不大，對(duì)地表能量收支影響較小，因而對(duì)溫度趨勢(shì)變化貢獻(xiàn)也較小。增暖的地表主要以感熱的方式向大氣輸送能量（圖6a），使得地表失去能量，造成地表降溫?？偟膩碚f，由于氣溶膠減少造成的地表入射短波增加和大氣增暖造成的地表入射長(zhǎng)波增加，使得北非—南歐地區(qū)地表在過去四十年呈現(xiàn)出顯著的增暖趨勢(shì)。

圖6 1979～2019 年夏季（a）地表感熱通量和（b）地表潛熱通量的變化趨勢(shì) [單位：W m-2 (10 a)-1]。黑色打點(diǎn)區(qū)域表示填色變量場(chǎng)通過95%的信度檢驗(yàn)Fig. 6 Trends in JJA mean (a) surface sensible heat flux and (b) surface latent heat flux from 1979 to 2019 [units: W m-2 (10 a)-1]. The dotted areas denote the shaded fields that exceed the 95% confidence level of statistical significance

在高原以北的蒙古地區(qū)（圖3c），地表向上長(zhǎng)波輻射也有明顯的升高趨勢(shì)，表征著其地表氣溫的顯著增溫。大氣溫度，氣溶膠以及云量的變化是其地表向上長(zhǎng)波輻射增加的主要原因。而增暖的地表主要通過感熱和潛熱過程向大氣輸送能量，它們對(duì)地表增暖是負(fù)貢獻(xiàn)。從圖7a 可以看出，大氣溫度增暖的另一中心位于高原以北的區(qū)域，增暖大氣增強(qiáng)向下大氣長(zhǎng)波輻射從而導(dǎo)致地表增溫。此外，氣溶膠光學(xué)厚度在高原以北部分區(qū)域有增加趨勢(shì)，部分區(qū)域有減少趨勢(shì)（圖8），而它們對(duì)輻射影響的共同表現(xiàn)為使地表增暖。

3.4 青藏高原以東、以南地區(qū)趨勢(shì)歸因分析

高原以東的東北亞地區(qū)在過去四十年也有較為明顯的升溫趨勢(shì)（圖3d）。造成其地表向上長(zhǎng)波輻射增加的主要過程是云的變化，大氣溫度的變化也有一定的貢獻(xiàn)，同時(shí)地表潛熱通量變化產(chǎn)生的貢獻(xiàn)在21 世紀(jì)變得明顯。而地表感熱通量以及大氣氣溶膠的變化使得地表輻射減少從而降溫。東北亞地區(qū)云量在過去四十年有明顯的減少趨勢(shì)（圖5a），利于輻射到達(dá)地表從而造成增溫。大氣溫度在東北亞也表現(xiàn)出穩(wěn)定的增加趨勢(shì)（圖7a），對(duì)應(yīng)著地表增暖。人口稠密的東北亞地區(qū)在過去四十年里大氣氣溶膠顯著增加（圖8），不利于地表增溫。

圖7 （a）1979～2019 年夏季整層大氣平均溫度的變化趨勢(shì) [單位：K (10 a)-1]。（b）1979～2019 年夏季500 hPa 位勢(shì)的變化趨勢(shì) [填色，單位：m2 s-2 (10 a)-1]與風(fēng)場(chǎng) [矢量箭頭，單位：m s-1 (10 a)-1]的變化趨勢(shì)。黑色打點(diǎn)區(qū)域表明填色變量場(chǎng)通過95%的信度檢驗(yàn)，圖b 中矢量箭頭場(chǎng)均已通過95%的信度檢驗(yàn)Fig. 7 (a) Trends in JJA mean column-averaged air temperature from 1979 to 2019 [units: K (10 a)-1]. (b) Trends in JJA mean geopotential height[units: m2 s-2 (10 a)-1] and wind field [units: m s-1 (10 a)-1] at 500 hPa from 1979 to 2019. The dotted areas denote the shaded fields that exceed the 95% confidence level of statistical significance. Vectors in (b) pass the test of significance at the 95% confidence level

在高原以南的印度次大陸地區(qū)，地表向上長(zhǎng)波輻射在近四十年的穩(wěn)定狀態(tài)是由云和氣溶膠變化引起的輻射減少與水汽和地表感熱通量變化引起的輻射增加所平衡的。印度次大陸水汽充沛，在近四十年有明顯的水汽增加（圖5b），增加向下長(zhǎng)波輻射，而其云量也有所增加（圖5a），減少了地表入射短波輻射。而氣溶膠的變化（圖8）使得地表接收到較少的輻射而感熱的變化（圖6a）保留了更多的能量在地表。整體而言，印度次大陸由于各個(gè)過程的平衡，并沒有表現(xiàn)出明顯的地表氣溫變化。

圖8 1980～2019 年夏季大氣氣溶膠光學(xué)厚度趨勢(shì)分布 [單位：(10 a)-1]。黑色打點(diǎn)區(qū)域表明填色變量場(chǎng)通過95%的信度檢驗(yàn)Fig. 8 Trends in JJA mean aerosol optical depth from 1980 to 2019 [units: (10 a)-1]. The dotted areas denote the shaded fields that exceed the 95%confidence level of statistical significance

3.5 討論

我們已經(jīng)在上文闡述了青藏高原及其周邊地區(qū)在過去四十年的溫度變化以及造成溫度變化的主要過程，而造成幾個(gè)地區(qū)溫度趨勢(shì)變化的過程也存在異同。表1 總結(jié)了各個(gè)過程對(duì)不同區(qū)域的地表氣溫變化的貢獻(xiàn)。需要指出的是，在我們關(guān)注的時(shí)間段內(nèi)，全球CO2濃度有所上升，對(duì)地表氣溫升高有貢獻(xiàn)。然而，對(duì)于我們關(guān)注的幾個(gè)地區(qū)來說，CO2濃度上升直接導(dǎo)致的地表氣溫變化遠(yuǎn)弱于云、水汽、地表反照率等局地過程帶來的地表氣溫變化。同樣地，大氣層頂入射太陽輻射帶來的地表氣溫改變也幾乎可以忽略不計(jì)，因此表1 中沒有統(tǒng)計(jì)CO2項(xiàng)和Solar 項(xiàng)。

表1 各個(gè)過程對(duì)不同區(qū)域的地表氣溫變化的貢獻(xiàn)Table 1 Contribution of different processes to surface temperature change in various regions

高原以西的北非—南歐地區(qū)與高原以北的蒙古地區(qū)都位于中緯度內(nèi)陸地區(qū)，在過去四十年造成兩個(gè)地區(qū)的地表增暖的過程具有相似性。首先，兩地上空大氣溫度有非常顯著的增暖趨勢(shì)，都對(duì)地表增暖有明顯的正貢獻(xiàn)。其次，兩地的氣溶膠變化都利于其地表氣溫的增加。并且盡管兩地云量上顯示出較為明顯的減弱趨勢(shì)（圖5a），但實(shí)際的變化量級(jí)較小，對(duì)輻射的影響有限。

此外，造成東北亞地區(qū)與南亞地區(qū)在近四十年的溫度趨勢(shì)變化的過程也存在類似性。兩個(gè)地區(qū)都靠近海洋，其水汽充沛，云量豐富，水汽和云量的變化在這兩個(gè)地區(qū)對(duì)其溫度趨勢(shì)變化的貢獻(xiàn)突出。并且兩地都是人口稠密地區(qū)，人類活動(dòng)導(dǎo)致的大氣氣溶膠在過去四十年有顯著的增加趨勢(shì)，對(duì)地表造成了降溫的作用。

青藏高原作為高海拔的大地形，是在我們關(guān)注的區(qū)域中唯一存在夏季積雪的區(qū)域，且地表冰雪過程變化以及高原植被增加引起的地表反照率變化是高原過去四十年的增暖趨勢(shì)的最大貢獻(xiàn)過程。高原在過去四十年大氣水汽含量和云量都有增加，分別對(duì)地表增溫有正貢獻(xiàn)和負(fù)貢獻(xiàn)，與南亞地區(qū)一致，這可能與夏季兩地處于季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)控制下，水汽和云量變化具有較好的一致性有關(guān)。

4 結(jié)論

本文利用地表向上長(zhǎng)波輻射變化與地表氣溫變化之間的準(zhǔn)線性關(guān)系，借助地表能量收支方程以及輻射能量傳輸模式，通過研究近四十年地表向上長(zhǎng)波輻射變化的原因，將青藏高原及其周邊地區(qū)在過去四十年的夏季地表氣溫變化進(jìn)行歸因分析，找出對(duì)青藏高原及其周邊地區(qū)不同子區(qū)域地表氣溫趨勢(shì)變化的主要貢獻(xiàn)過程及它們的異同。青藏高原作為獨(dú)特的大地形，與地表冰雪融化以及地表植被增加相聯(lián)系的地表反照率降低是其地表增暖的主要過程，同時(shí)大氣增濕對(duì)地表增溫也有貢獻(xiàn)。在高原以西的北非—南歐以及高原以北的蒙古地區(qū)，主要以干旱和半干旱氣候?yàn)橹?，造成增暖的過程一方面來自大氣氣溶膠的減少導(dǎo)致的入射太陽輻射增加，一方面來自大氣增暖引起的向下長(zhǎng)波輻射增加。此外，盡管云量的變化有顯著趨勢(shì)，但變化量小，其輻射效應(yīng)不明顯。而在高原以東的東北亞地區(qū)和高原以南的南亞地區(qū)，人口密度大，因而大氣氣溶膠在過去四十年均有顯著增加，對(duì)地表有冷卻作用。且臨近海洋其水汽和云量的變化對(duì)輻射的影響較大。但東北亞地區(qū)云量顯著減少，對(duì)地表增溫作用顯著，而在南亞地區(qū)，水汽增加和地表感熱通量減少造成的地表增暖被云量以及大氣氣溶膠增加引起的地表輻射減少所平衡，因此南亞地區(qū)在過去四十年地表氣溫沒有明顯的趨勢(shì)。

需要指明的是，本研究也存在一些不足。首先，我們主要使用的是ERA5 再分析數(shù)據(jù)集，并沒有和其它的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ妊芯?，使用不同?shù)據(jù)集可能對(duì)結(jié)果有細(xì)微的影響。其次，在計(jì)算氣溶膠的輻射效應(yīng)時(shí)，我們采用的是余項(xiàng)法，即計(jì)算出除氣溶膠外其它各項(xiàng)的造成的地表向上長(zhǎng)波變化后，用晴空條件下總向上長(zhǎng)波輻射的變化減去各項(xiàng)變化之和，得到氣溶膠造成的地表向上長(zhǎng)波變化。這樣計(jì)算得到的氣溶膠引起的輻射效應(yīng)主要是氣溶膠變化的直接輻射效應(yīng)，氣溶膠與云相互作用導(dǎo)致的間接輻射效應(yīng)在云變化項(xiàng)中。此外，在利用Fu-Liou 輻射傳輸模式進(jìn)行線性化過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，這部分誤差會(huì)被包含在氣溶膠項(xiàng)中。前期研究表明，線性化誤差值相對(duì)總長(zhǎng)波變化值為小值。同時(shí)，氣溶膠光學(xué)厚度變化與氣溶膠項(xiàng)的高相關(guān)性表明線性化誤差對(duì)氣溶膠項(xiàng)的影響很小。最后，本研究中并沒有考慮青藏高原地表增暖對(duì)周邊其他地區(qū)氣候變化的影響，只探討了造成各個(gè)地區(qū)地表增暖過程的異同。前人有研究指出高原地表加熱會(huì)造成上游北非—南歐地區(qū)對(duì)流層均勻增暖的結(jié)果（Lu et al., 2018）。

在未來的研究中，我們將對(duì)氣候模式在高原及周邊地區(qū)的地表氣溫變化的模擬情況以及歸因情況進(jìn)行分析，評(píng)估模式對(duì)地表氣溫變化主要貢獻(xiàn)過程的模擬性能。同時(shí)，我們將進(jìn)一步分析高原及周邊地區(qū)在全球變暖背景下增暖預(yù)估的不確定性，及造成這種增暖預(yù)估模式間差異的主要來源。