氣候臨界點(diǎn)(climate tipping point)是指氣候系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的閾值，一旦超過這個(gè)閾值，氣候系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生重大且不可逆的變化?？茖W(xué)家認(rèn)為，過度的全球變暖可能會(huì)引發(fā)地球氣候系統(tǒng)的臨界點(diǎn)，導(dǎo)致地球氣候發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的突變，對(duì)地球上的生命產(chǎn)生災(zāi)難性的影響，人類陷入前所未有的浩劫，就像電影《后天》所描繪的那樣。東亞夏季風(fēng)是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，東亞夏季風(fēng)降水影響著我國東部地區(qū)的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)等方方面面。但是，東亞夏季風(fēng)變化的非線性過程一直是氣候變化研究的難題，對(duì)于東亞夏季風(fēng)臨界點(diǎn)的認(rèn)識(shí)幾乎是空白，主要原因是缺少長度和分辨率足以檢測東亞夏季風(fēng)臨界點(diǎn)的過去降水定量化記錄。
我校地理與海洋科學(xué)學(xué)院鹿化煜教授團(tuán)隊(duì)長期致力于過去氣候定量化研究，近期在東亞夏季風(fēng)臨界點(diǎn)研究方面取得了突破。他們通過對(duì)廣東雷州半島青桐洋瑪珥湖沉積物巖心進(jìn)行高精度的加速器質(zhì)譜碳十四(AMS 14C)和銫-鉛同位素測定，建立年代標(biāo)尺，對(duì)沉積物樣品的色度、鐵元素、錳元素、鈣元素等代用指標(biāo)進(jìn)行高分辨率測試，并采用主成分回歸等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，對(duì)末次冰盛期(22000年前)以來的降水量變化進(jìn)行集合重建，發(fā)現(xiàn)過去兩萬年東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)存在5個(gè)主要的臨界點(diǎn)，觸發(fā)了季風(fēng)降水的突變，降水快速變化的幅度為387?±?73?mm (24?±?5 %)。每次季風(fēng)突變發(fā)生以后，降水量都維持在新的狀態(tài)1000年以上，直到下一次季風(fēng)突變發(fā)生。
圖1 基于多種算法重建的過去22000年東亞夏季風(fēng)降水量變化。
結(jié)合區(qū)域代用指標(biāo)集成和古氣候多模型模擬，鹿化煜教授團(tuán)隊(duì)揭示了東亞夏季風(fēng)降水發(fā)生臨界點(diǎn)突變的空間模態(tài)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流(AMOC)和撒哈拉植被突變能夠?qū)|亞夏季風(fēng)降水變化產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)。AMOC突變主要通過改變南北半球之間的溫度梯度來影響熱帶輻合帶(ITCZ)的位置，從而影響東亞夏季風(fēng)降水。AMOC突變也能通過改變西風(fēng)帶的位置和強(qiáng)度來影響東亞夏季風(fēng)降水。基于大量的代用指標(biāo)集成和多模型模擬對(duì)比分析，他們發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)降水對(duì)AMOC突變的響應(yīng)可能并不存在三極子模式，即我國東部降水從南到北呈現(xiàn)“旱-澇-旱”或者“澇-旱-澇”的模式，現(xiàn)有的耦合氣候模型模擬存在偏差，難以正確模擬東亞夏季風(fēng)降水的變化。
圖2 模擬和指標(biāo)對(duì)比揭示末次冰消期AMOC突變對(duì)東亞區(qū)域降水的影響。
撒哈拉植被突變主要通過植被-粉塵-冰凍圈反饋影響東亞夏季風(fēng)降水。撒哈拉植被變化直接影響撒哈拉地區(qū)的地表反照率和粉塵排放，從而影響全球溫度變化，進(jìn)而影響大氣環(huán)流和降水。在本研究中，鹿化煜教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出撒哈拉植被變化影響東亞夏季風(fēng)降水的新途徑：北大西洋濤動(dòng)(NAO)和青藏高原。氣候模擬顯示，撒哈拉植被消亡能夠?qū)е卤睒O地區(qū)和青藏高原降溫。北極地區(qū)降溫驅(qū)動(dòng)NAO向負(fù)位相轉(zhuǎn)變，西風(fēng)帶南移，與此相關(guān)的大氣波列向東傳播，影響東亞夏季風(fēng)降水。青藏高原是驅(qū)動(dòng)亞洲夏季風(fēng)的熱源，青藏高原降溫直接降低海陸熱力梯度，從而減弱東亞夏季風(fēng)環(huán)流，減少東亞夏季風(fēng)降水。
圖3 古氣候模擬揭示撒哈拉植被消亡對(duì)地表溫度和海平面大氣壓的影響。
研究團(tuán)隊(duì)基于多指標(biāo)和多方法對(duì)過去22000年東亞夏季風(fēng)降水變化的定量重建，為理解長期氣候變化背景下東亞夏季風(fēng)降水的驅(qū)動(dòng)機(jī)制和響應(yīng)過程提供了新證據(jù)。特別是，他們的研究表明，東亞夏季風(fēng)降水突變可能是全球氣候臨界點(diǎn)的一部分，如果未來全球變暖超過1.5℃的閾值引發(fā)地球氣候系統(tǒng)臨界要素突變，可能將引發(fā)東亞夏季風(fēng)降水的級(jí)聯(lián)突變，從而影響數(shù)十億人的生命財(cái)產(chǎn)安全。
該研究成果以“Tipping point-induced abrupt shifts in East Asian hydroclimate since the Last Glacial Maximum”為題于2025年1月8日正式發(fā)表在Nature子刊《Nature Communications》上。地理與海洋科學(xué)學(xué)院陸福志為第一作者，鹿化煜教授為通訊作者。參與研究的還有地理與海洋科學(xué)學(xué)院的師生顧銚、林鵬雨、張紅艷、弋雙文等和瑞典哥德堡大學(xué)陳德亮院士等專家學(xué)者。此前，陸福志還在《PNAS》和《Nature Communications》發(fā)表了關(guān)于熱帶輻合帶變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。
論文信息：
Lu F, Lu H, Gu Y, Lin P, Lu Z, Zhang Q et al. Tipping point-induced abrupt shifts in East Asian hydroclimate since the Last Glacial Maximum. Nature Communications, 2025, 16(1): 477. https://doi.org/10.1038/s41467-025-55888-w
Lu F, Pausata FSR, Mohtadi M. Reconstruct the intertropical convergence zone over the Indo-Pacific Warm Pool with extended records and empirical orthogonal function. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(27): e2408502121. https://doi.org/10.1073/pnas.2408502121
Lu F, Mohtadi M, Pausata FSR. Dynamics of the intertropical convergence zone during the early Heinrich Stadial 1. Nature Communications, 2024, 15(1): 9753. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53999-4
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