作为人类活动排放的最主要大气辐射活性成分，温室气体和气溶胶近年来一直备受关注。在未来针对碳中和的减排目标中，二者的变化会对全球降水产生何种影响？中国气象科学研究院研究员张华团队近期的一项模拟研究探讨了这一问题。20世纪50年代以来，全球降水区域性分配不均以及降水极端化等问题日益突出，气候系统内部变率和人类活动等诸多复杂影响因素使得降水多时空尺度变化的归因研究以及未来全球和区域降水变化的预估面临严峻挑战。在世界各国达成碳中和共识以减缓全球增暖的背景下，需要提前预估减少人为排放对全球降水分布格局的潜在影响，为合理制定减排路线、规避气候风险提供科学依据。据此，研究团队围绕第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）推出的绿色减排情景，利用中国气象局自主研发的气溶胶-气候在线双向耦合模式，开展了一系列模拟研究，旨在量化减少温室气体和气溶胶等不同人为强迫因子排放对地-气系统辐射收支的影响，及其驱动的南北半球间能量平衡和全球降水空间分布变化。研究发现，单独减排气溶胶或温室气体对降水的影响效果相反，即减排气溶胶导致全球平均降水增加，而减排温室气体则导致全球平均降水减少。然而，若同时减排温室气体和气溶胶，降水却表现为北半球增加、南半球低纬度地区减少。在北半球和南半球低纬度地区，减排气溶胶对其影响更为显著。相比之下，减排温室气体主要在远离气溶胶源区的南半球中纬度地区，导致降水显著减少。最终，两类人为强迫因子减排的综合效应放大了南北半球间的降水差异。对于同时减排温室气体和气溶胶的试验，降水的响应并没有相互抵消，而是表现为北半球降水增加、南半球低纬度地区降水减少（a和b）。
图为北半球夏季平均降水（单位：毫米/月）的经向变化，黑色线显示了同时减排温室气体和气溶胶使南北半球间降水差异被放大。
为探究人为减排驱动降水分布格局变化的潜在机制，研究团队首先对南北半球间地-气系统辐射收支进行了分析。在减排情景下，大气中气溶胶浓度减少贡献了全球范围内有效辐射强迫正值（e和h），而减排温室气体有相反的贡献（f和i）。同时减排温室气体和气溶胶则导致北半球中高纬度地区存在有效辐射强迫正值，南半球大洋区出现负值（d和g）。从能量收支平衡和大气动力响应的角度，当某一半球的增暖明显大于另一半球，大气中的能量会通过热带深对流区哈德莱环流上升支向偏冷半球传递，同时近地表形成反向的越赤道气流携带水汽作为补偿，导致雨带向偏暖半球移动。研究显示，减排气溶胶导致大气能量由北半球向南半球传递，引发低空水汽向北半球汇聚，加剧北半球热带降水。这一结论解释了减排气溶胶是北半球降水增加和南半球低纬度地区降水减少的主要影响因素。与之相反，减排温室气体对哈德莱环流起到削弱作用，导致低空水汽向北输送减弱，对降水的南北半球间差异起到抑制作用。同时减排温室气体和气溶胶导致近地表气温显示出"北增南减"的变化特征，放大南北半球间热力对比，对哈德莱环流的增强效果强于单独减排气溶胶的影响，使更多的低空水汽向北半球汇聚。这也解释了同时减排二者相较于单独减排会引起更强的南北半球间降水差异。
减排气溶胶导致热带地区经向流函数负异常（b和e），对应逆时针经向环流异常，对哈德来环流具有增强效应，从而加剧了低空水汽向北半球汇聚。同时减排的影响（a和d）强于单独减排气溶胶的影响。
此外,结合多模式模拟结果可以发现,减排温室气体与气溶胶所放大的南北半球间降水差异源于北半球降水增加与南半球降水减少的共同贡献。研究显示，南北半球间热力对比与降水的半球间差异具有显著的正相关关系，说明在多模式模拟中，北半球相较于南半球升温幅度越高，降水也会更丰沛。
与此同时，减排温室气体和气溶胶通过放大南北半球间热力对比，增强了低空水汽向北半球的输送，最终造成更典型的北半球夏季降水“北增南减”的全球分布特征。这一变化有可能导致北半球经历更丰沛的夏季降水，极端灾害风险增加，而南半球冬季可能会更加干燥。
研究显示，半球间热力对比与降水的半球间差异具有显著的正相关关系，在多模式模拟中北半球相较于南半球升温幅度越高，则北半球降水相较于南半球也会越丰沛。
大力推进人为减排，是规避气候风险、改善空气质量的有力措施。张华说，在实现碳中和目标的过程中，应将对于不同类型人为强迫综合气候效应的考量纳入提高自然-社会抗风险能力的路径规划方案中。
中国气象科学研究院研究员 张华 助理研究员 于晓超
