PNAS: 夏季极端气温的变化速度
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS
中文题目：夏季极端气温的变化速度
英文题目：The pace of change of summertime temperature extremes
作者：Karen A. McKinnon, Isla R. Simpson, and A. Park Williams
发表日期：2024年10月7日
摘要
夏季极端温度可对人类和生物圈产生重大影响，极端高温的增加是气候变化最明显的征候之一。研究人员已提出多种机制预测极端高温的升温速度快于典型夏日，但这种情况是否正在发生尚不清楚。本研究通过实际观测和模型模拟发现，1959年到2023年期间最热夏日的升温速度与全球中位数相同，南北半球和热带地区也存在上述情况。相比之下，最冷夏日的升温速度慢于全球中位数，并且28个CMIP模型的262次模拟中均未模拟到该信号。已观测到的冷尾拉伸现象表明，虽然炎热天数未增长，但夏季气温已更加多变。基于地表净辐射和蒸散比的变化，从地表能量平衡角度能够解释极端温度与中位数相比的年际变化和趋势。预计未来热带地区的高温天数将增多（2024-2099年，SSP3-7.0），而北半球极端高温将持续与中位数保持一致。
研究背景
极端高温的升温速度是否快于常规夏日，或是否应该这样假设，该问题伴随全球夏季不断刷新的热浪记录变得愈发紧迫。目前研究人员已提出多种机制预测极端高温的升温速度，但现有研究在变化趋势内部变异性方面存在争议。相较于极端高温，现有研究对夏季温度的冷尾变化机制关注较少。本研究主要关注以下问题：历史记录中暖季大陆温度分布的大尺度变化是否明显，导致分布差异变化的原因是什么，以及气候模式是否与观测情况一致。
研究结果
结果1：全球尺度的热极端同步增温以及热极端未来趋势
在1959年至2023年期间，最热夏季日的增温速率与中位数温度的增温速率在全球尺度上保持一致。
预计在2024至2099年间，热带地区的极端高温日将会出现比平均水平更快的增温现象。
图1. 热极端与冷极端的温度变化趋势
A. 1959-2023年期间，热极端温度（季节性最高温度减去中位数温度）排名变化的线性趋势。正值表示热极端与中位数相比有更大的增温趋势。白色点状区域表示趋势显著的格网单元，白色轮廓线表示其边界。B. 全球平均热极端温度排名异常值（黑色方块和线条）及其拟合线性趋势（紫色线条）。灰色区域表示在无趋势零假设下的95%样本范围。C-E. 分别为北半球、热带和南半球的平均热极端温度排名异常值（黑色方块和线条）及其拟合线性趋势（紫色线条）。F-J. 基于季节性最低温度减去中位数温度的冷极端温度变化趋势，展示的信息与热极端温度相同。
结果2：冷极端增温的滞后性以及地表能量的平衡
与平均温度相比，全球平均最冷夏季日的增温速度较慢，表明夏季温度分布的冷端正在经历延伸。
通过分析地表净辐射和蒸散比的变化，可以解释极端冷热日相对于平均温度的年际变化和长期趋势。
CMIP6模型在模拟历史时期的热极端增温方面与观测数据大体一致，但未能捕捉到观测到的冷端温度延伸现象。
图2. CMIP6模型中历史时期和未来时期热极端温度变化趋势
A-D. 1959-2023年历史时期全球、北半球、热带和南半球平均热极端温度（季节性最高温度与中位数温度之差）排名变化趋势。E-H. 2024-2099年未来时期使用SSP3-7.0情景的全球、北半球、热带和南半球平均热极端温度排名变化趋势。图中展示了CMIP6模型中的个别模拟（黑色点）、单一模型集合平均值（红色点）、多模型集合平均值（绿色线，计算为红色点的平均值）、ERA5的观测趋势（紫色线，仅限历史时期），以及无趋势零假设下的95%样本范围（灰色阴影）。
研究意义
夏季极端气温的上升是气候变化最明显的组成部分之一，但它们的变暖速度是否比半球和全球范围内的典型温度更快？虽然冷尾的变暖速度较慢导致夏季气温范围扩大，但本研究发现1959年到2023年期间历史极端高温的升温速度与中位数相同。极端趋势与地表辐射和蒸发分数的趋势一致，表明地表对温度分布的变化具有重要控制作用。气候模型一致认为未考虑历史高温的放大效应，忽视了冷尾拉伸现象，这表明以往对凉爽夏季趋势分析可能存在错误。
研究亮点
突破以往对热浪变暖速度的预测：研究发现尽管平均温度在升高，但夏季热浪的变暖速度并没有快于中位数，与部分气候模型预测结果不一致。
解释冷极端事件尾部拉伸的原因：本研究通过分析地表能量平衡的变化，解释了冷极端事件尾部拉伸的原因，即冷天降水增加导致地表净辐射减少和蒸散比增加，进而减缓了温度升高速度。
对我们开展工作启示
气候模型在模拟冷极端事件尾部拉伸方面存在较大不确定性，可能模拟降水和土壤湿度等变量的精准度不高。未来需要持续修正气候模型的关键参数，以取得更为准确的分析和预测结果。
文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2406143121
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿人：张世柯
审核：杜军
终审：鲁鹏