摘要
最近几十年欧亚大陆夏季存在明显的非均匀增暖现象,在欧洲-西亚和东北亚地区增温显著,而中亚的增温幅度较小。欧亚陆面的非均匀增暖,也伴随着该区夏季极端温度事件频发。因此,理解欧亚夏季非均匀增暖的形成机制,是目前气候变化研究领域的热点问题。本文针对该科学问题,分别从气候系统内部变率和外强迫影响两个方面,回顾了有关欧亚夏季非均匀增暖的形成机制和原因,也讨论了欧亚大陆陆面增暖的相关研究要点和存在问题。
Abstract
Surface temperatures have risen in decades,with an increasing frequency of summer heat waves over most land areas,particularly across Eurasia.This rapid warming and the intensification of extreme temperatures have significant environmental,economic,and societal impacts,making it crucial to understand the underlying causes.Observational data indicate that since the mid-1990s,summer warming has been remarkably amplified over Europe and East Asia,revealing non-uniform decadal warming rates across Eurasia.This heterogenous warming pattern may result from internal multidecadal variability—such as the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO)—as well as changes in anthropogenic greenhouse gases (GHGs) and aerosols.However,the relative contributions of these factors to Eurasia's summer warming patterns remain unclear.A more precise quantification of the roles played by the AMO,decadal variations in aerosol,and other external forcing mechanisms could improve our understanding of recent non-uniform warming trends.Results indicate that GHG-induced surface air temperature (SAT) increases are most pronounced over the driest regions of Eurasia and North Africa,though decadal variations in GHG-induced SAT changes are minimal.To isolate external forcing effects unrelated to the steady rise in GHGs,this study removes the GHG-induced SAT component from observations and applies an empirical orthogonal function analysis to the residuals (referred to as GHG-detrended SAT),identifying the dominant spatial and temporal characteristics of Eurasian SAT variability.The GHG-detrended SAT exhibits strong multidecadal fluctuations,with negative anomalies from the 1960s to the mid-1990s and positive anomalies during the 1950s,early 1960s and post-1990s.Between 1984 and 2014,significant warming occurred over Europe-West Asia and Central East Asia,whereas 1953—1984 saw widespread cooling.Central Asia,however,experienced only weak out-of-phase variations.The estimated internal variability component reveals a similar tripole pattern,with a pronounced negative center over Central Asia,closely correlated with GHG-detrended SAT variations.These findings confirm that the AMO is the dominant driver of multidecadal SAT variability over Eurasia.Meanwhile,the estimated externally forced component exhibits comparable multidecadal fluctuations but with consistent spatial coefficients across Eurasia.Over the period 1950—2014,externally forced changes accounted for approximately 55% of the GHG-detrended multidecadal SAT variations over Europe-West Asia and ~51% over East Asia,with the remainder attributed to internal variability.These results suggest that,contrary to previous assumptions,more than half of Eurasia's multidecadal SAT variability since 1950 has been externally forced rather than predominantly driven by internal variability.Furthermore,the primary driver of externally forced non-uniform multidecadal SAT variations is identified as anthropogenic aerosols.This study demonstrates that both external forcing and internally driven variability originating from the Atlantic Ocean have contributed to Eurasia's multidecadal SAT variations since 1950.Looking ahead,continued reductions in aerosol concentrations,the likely persistence of the AMO in its positive phase,and ongoing increases in GHGs are expected to future intensify warm-season temperatures across Europe-West Asia and East Asia in the coming decade.
全球变暖背景下，欧亚大陆是温度变化最为剧烈、增暖最为显著的区域之一（Hansen et al.，2010; 华文剑和陈海山，2011; 王会军等，2020; Gulev et al.，2021）。由于欧亚地域辽阔，其增暖也表现出明显的季节和区域性差异（Cohen et al.，2012）。20世纪90年代以来，欧亚大陆夏季的增暖存在明显的非均匀分布特征（Hong et al.，2017; Kotz et al.，2021），即在欧洲-西亚和东北亚地区增暖显著，而中亚区域的增温幅度较小（van Oldenborgh et al.，2009; Sutton and Dong，2012; Zhu et al.，2012; Chen et al.，2020; Zhang et al.，2024）。欧亚陆面非均匀增暖也伴随着夏季极端天气气候事件频发（Johnson et al.，2018; Wang et al.，2020）。例如，欧洲东部和东北亚地区的极端高温事件、持续性高温热浪、高温天数等在最近几十年呈现增强的趋势（Deng et al.，2018; Lin and Wang，2022）。气候快速增暖和高温热浪频发对生态环境、人类健康、经济社会都造成了严重的影响。所以，理解欧亚夏季非均匀增暖的形成机制，是目前气候变化研究领域的热点问题。
1 欧亚夏季非均匀增暖的成因研究
人为强迫一直被认为是陆面增暖和高温热浪发生的重要原因（Sun et al.，2014; Lin and Wang，2023），并且在欧亚夏季温度变化中检测到了人为和自然强迫（温室气体、人为和火山气溶胶等）的影响（Tian et al.，2020）。例如，随着温室气体浓度的增加以及最近几十年欧洲气溶胶浓度降低（下降了约60%），欧洲地区夏季气温变暖加剧（Ruckstuhl et al.，2008; Yin et al.，2024）。研究表明，区域气溶胶排放引起的短波辐射强迫是人为温室气体排放引起的长波强迫的两到三倍（Philipona et al.，2009）。但是当前欧洲人为气溶胶排放处于低值且比较稳定，气溶胶的辐射强迫作用会被减弱，未来欧洲温度变暖可能主要由于温室气体强迫作用主导。针对东亚，全球变暖可以解释贝加尔湖和中国北方地区的增暖趋势（Zhu et al.，2012）。由于人为气溶胶排放存在空间异质性，所以气溶胶对气候的影响因其排放位置的不同而有很大区别（Cowan and Cai，2011; Persad and Caldeira，2018）。20世纪80年代欧美气溶胶排放降低而东亚排放增加呈现相反的变化特征，东亚气候可受到局地和非局地人为气溶胶的影响。研究发现，东北亚夏季陆面温度的变化主要来自亚洲以外气溶胶的影响，而东亚气溶胶的影响相对较小（Hua et al.，2022）。20世纪80年代欧美气溶胶减小，北大西洋海温增加，也可以通过激发大尺度环流型影响欧亚大陆地表温度异常，使得在西欧和亚洲北部（北欧和东亚）存在位势高度负（正）异常，这导致增强的偏南暖空气进入东北亚，而偏北冷空气进入欧亚大陆中部（Hua et al.，2022）。针对欧亚夏季两个显著增暖区域，前人利用大气环流模式估计了不同人为强迫的影响，发现温室气体和人为气溶胶变化的直接影响能够解释24%左右的东北亚和38%左右的西欧夏季异常增暖信号（Dong et al.，2016，2017）。随着欧洲-西亚和东亚变暖加快，这两个地区在最近十几年来的极端高温和热浪事件也明显增多（Deng et al.，2018; Shi et al.，2019）。
由于欧亚陆面增暖存在很大的非均匀性，不能简单把区域增暖归结为人为强迫或者全球变暖的结果。气候系统内部变率引起的大气环流型的改变对欧亚非均匀增暖的作用可以与温室气体造成的气候增暖作用相比拟（Zheng and Wang，2019）。以往研究已经证实了欧亚夏季非均匀增暖与气候系统内部变率联系密切（Hong et al.，2017; Wang et al.，2017; Gao et al.，2019; Zhu et al.，2025）。研究发现，不仅是20世纪90年代以来欧洲-西亚和东北亚变暖幅度加快，这两个区域温度变化也存在年代际变化特征（Chen and Lu，2014; Shi et al.，2019）。陆面增暖受局地上空环流异常的直接影响，局地的位势高度正异常利于增暖的发生，而这些环流异常往往也为某种遥相关型的中心。Hong et al.（2017）发现，沿亚洲急流传播的丝绸之路遥相关波列（the Silk Road Pattern，SRP）在欧洲-西亚和东北亚地区是反气旋环流，而在中亚是气旋环流（Wang et al.，2017）。加强的暖平流和向下的短波辐射共同导致欧洲-西亚和东北亚增暖加强，而中亚情况相反。海温异常变化也是影响欧亚陆面温度的重要因子，海温可以通过激发大尺度环流型来影响欧亚大陆地表温度异常（Gao et al.，2015）。在年代际尺度上，大西洋多年代际变化是北半球欧亚温度变化的主要驱动因素（Steinman et al.，2015）。研究表明，AMO（Atlantic Multidecadal Oscillation，北大西洋多年代际振荡）对SRP遥相关型有调制作用（Hong et al.，2017）。这一观点在之后的数值试验中也得到了证实（Sun et al.，2019a），即AMO通过调节中纬度地区大气丝绸之路遥相关型的年代际变化，放大了欧洲-西亚和东北亚地区的变暖，引起欧亚夏季的非均匀增暖。欧洲-西亚和东亚同步变暖主要是由于全球遥相关波列引起的反气旋环流的维持，更加加剧了极端高温的发生频率（Shi et al.，2019）。值得注意的是，除了AMO的影响，太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation，PDO）的位相转换也会对东北亚尤其是蒙古高原的快速增暖有重要作用（Cai et al.，2024），在20世纪90年代末以来由于AMO和PDO的位相转换类似，都可以通过激发遥相关波列进而影响欧亚尤其是蒙古高原的温度变化（Cai et al.，2024）。研究发现，1979—2008年海温和海冰的变化对北半球夏季陆面变暖的趋势贡献了约60%（Andrews，2014）。通过敏感性试验发现，海温和海冰的异常变化能够解释20世纪90年代中期以来西欧和东北亚夏季异常增暖的70%左右（Dong et al.，2016，2017）。不仅大气环流异常变化、海温和海冰等能够对欧亚非均匀增暖产生影响，土壤湿度、积雪等陆面因子也会通过影响陆气之间的水热交换，对区域温度产生重要作用（Orth and Seneviratne，2017; Sato and Nakamura，2019）。Sun et al.（2019b）诊断分析了欧洲-西亚和东北亚两个区域增暖放大的原因，对影响地表温度的各个因子的贡献进行比较，发现温度升高主要归因于辐射过程（云、CO2浓度和水汽含量）的变化，而非辐射过程的贡献较弱。
前人的研究表明，欧亚夏季非均匀增暖不仅与AMO等内部变率模态有关（Hong et al.，2017; Gao et al.，2019; Zhang et al.，2024），而且也与人为强迫相联系（Dong et al.，2016，2017; Hua et al.，2022）。但是，内部变率和人为强迫对欧亚非均匀增暖的相对贡献仍存在不确定性。一方面，趋势评估对研究的时段和研究区域很敏感（Schmidt et al.，2014），例如在较短时间内（如1995—2020年），正位相AMO导致的区域温度变化可以与人为强迫的贡献同号，所以很难区分两者的影响。另一方面，最近很多研究证实了AMO是由内部变率和气溶胶共同导致（Qin et al.，2020a; 秦旻华等，2022; Hua and Dai，2024）。因此，调节欧亚夏季非均匀增暖的内部变率和外强迫因素（尤其是气溶胶作用）的相对贡献尚未明确。为了更好地量化内部变率和外强迫对欧亚夏季非均匀增暖的影响，前人通过利用观测约束与大样本集合模拟相结合的方法，发现欧洲-西亚和东北亚地区56%以上的陆面增暖是由人为和自然强迫（温室气体和气溶胶）贡献（Hua et al.，2021，2022）。
图1给出了欧亚夏季温度变化的主要特征。由于温室气体强迫引起的温度年代际变化较小，为了去除温室气体强迫引起的长期变暖趋势，参考Qin et al.（2020b）方法，去除跟温室气体强迫相关的变化，然后利用经验正交函数（EOF）分析方法研究欧亚夏季温度变化（图1）。消除温室气体引起的变暖趋势后，能够更清晰地识别观测中的年代际变化特征，即观测中欧亚温度仅包含由内部变率引起的变化和气溶胶等因子造成的外强迫变化。值得注意的是，气溶胶增加会产生降温效应，抵消部分温室气体的变暖作用，在去除温室气体强迫时也去除了由于气溶胶增加而产生的降温效应，可以更聚焦气溶胶引起的年代际变化特征（Qin et al.，2020b）。20世纪60—90年代中期观测的欧亚大陆温度为负异常，而20世纪50年代和60年代初以及90年代末之后为温度正异常。1984—2014年与1953—1984年期间，欧洲-西亚和东亚显示出显著的多年代际变暖和变冷的特征（图1b），但是中亚地区的变化较小。观测中估算的内部变率主导的温度变化揭示了在欧亚大陆存在一个三极型变化模态，在中亚地区有一个很强的负异常中心，其时间演变特征与观测的AMO和SRP很接近，证实了AMO是调节欧亚的三极型温度变化的主要内部变率模态。估算的外强迫引起的变化也揭示了类似的年代际变化特征，但空间上并不是三极型正-负-正分布（图1e）。研究表明，1950—2014年欧洲-西亚（东北亚）大约55%（约51%）的温度变化是由人为和自然气溶胶等外强迫变化引起，其余来自内部变率的贡献（图1d和1f）。此外，研究通过对比CMIP6历史模拟和气溶胶单因子强迫试验模拟中都可以看到欧洲-西亚和东北亚之间的强相关性，而在仅包含内部变率的工业革命前控制试验中不明显。因此，如果没有人为强迫（如人为气溶胶强迫），这两个地区的年代际温度变化不明显。结合前人研究（Hua et al.，2021，2022）和图1，表明20世纪50年代以来欧亚夏季温度的年代际变化由人为强迫和自然因素共同主导，外强迫的贡献超过一半以上。未来温室气体会继续增加而人为气溶胶排放会降低，伴随着AMO处于正位相，这些变化将加速欧洲-西亚和东北亚地区的增暖。
2 研究展望和讨论
欧亚大陆夏季增暖存在明显的非均匀分布特征，在欧洲-西亚和东北亚地区增暖显著，而中亚增温幅度小。欧亚夏季非均匀增暖也伴随着欧洲和东亚极端天气气候事件频发。认识变暖背后的物理机制，不仅有助于更好地理解全球变暖背景下欧亚温度的演变，而且也可以为预估欧亚夏季气候未来变化的不确定性提供重要参考。越来越多的研究已经证实了包括大气环流模态、海温以及温室气体、气溶胶等人为和自然强迫都会对欧亚夏季陆面存在非均匀增暖产生影响，并且也量化了人为强迫和自然因素的相对贡献。图2给出了影响欧亚夏季非均匀增暖的示意图，分别从气候系统内部变率和人为与自然强迫等角度总结了不同的影响途径和过程。总的来说，尽管已经有了丰富的研究成果，但是当前有关欧亚非均匀增暖的研究仍存在亟待解决和需要注意的方面。
首先，在探讨欧亚增暖与人为和自然强迫的联系时，很多工作都是基于气候模式开展研究。例如，利用大气环流模式通过改变海温、温室气体和气溶胶等因子量化他们的贡献（Dong et al.，2016，2017）; 或者利用耦合模式分离内部变率和外强迫的相对作用（Hua et al.，2021，2022; Zhang et al.，2024）。但是，气候模式在模拟温室气体、气溶胶等外强迫因子的气候效应时可能存在较大误差，或者模式也会低估气候系统内部变率的贡献（Mann et al.，2020）。Hu and Hua（2023）系统评估了目前CMIP6模式对欧亚夏季非均匀增暖的模拟能力，发现模式能够抓住1985—2020年欧洲-西亚和东北亚地区增暖趋势的中心，然而大多数模式并不能捕捉到非均匀增暖现象，也低估了温度变化的强度。在模拟较好的模式中，模式能够再现欧洲-西亚和东北亚地区的增暖中心，以及再现观测中正的夏季北大西洋涛动（summer North Atlantic Oscillation，SNAO）模态，以及西欧和地中海地区显著的正罗斯贝波波源（Rossby wave source，RWS）异常，这些因素共同导致了欧亚上空遥相关波列的有效传播。因此，模式对于欧亚夏季非均匀增暖的模拟和预测能力仍是未来需要关注的科学问题。
其次，气候异常通常是外强迫变化和内部变率共同作用的结果。但是，区域尺度的气候变化归因问题十分复杂。所以，科学评估外强迫变化和内部变率在欧亚夏季陆面非均匀增暖中的作用是极具挑战的科学问题。一方面，外强迫变化和内部变率影响欧亚夏季陆面非均匀增暖的物理机制不同（Kamae et al.，2014）。另一方面，影响欧亚非均匀增暖的热力和动力过程在区域尺度上也很难区分。例如，人为强迫（包括温室气体和气溶胶）会通过一种“快响应”对地表温度产生影响（以热力过程为主），并且这种影响独立于海温变化的影响而存在（Hu et al.，2025）。另一方面，人为强迫也可以通过影响海温，从而间接影响区域气候变化（“慢响应”过程，以动力过程为主）。未来可能需要更多关注外强迫影响的直接过程和通过海温异常变化导致的间接效应。值得注意的是，内部变率和人为强迫之间以及不同外强迫因子之间的非线性相互作用也是未来研究需要关注的重点和难点（秦旻华等，2022）。例如，在全球变暖背景下内部变率引起的AMO的变率会减小（Qin et al.，2022），使得未来AMO与欧亚温度变化之间的联系可能也会发生改变。
图1欧亚大陆夏季温度经验正交函数（Empirical Orthogonal Function，EOF）第一模态（a）和对应的时间序列（b；黑线; 图b也给出了大西洋多年代际振荡（Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO; 灰色虚线）和丝绸之路遥相关（the Silk Road Pattern，SRP; 灰色实线）的时间序列）; 内部变率（internal variability，IV）影响下的EOF第一模态（c）和对应的时间序列（b; 蓝色线），区域平均的欧洲-西亚（d; 图a黑框1区域）和东北亚（f; 图a黑框2区域）的温度变化的时间序列（黑色线），蓝色和红色线分别代表内部变率（IV）和外强迫（externally forced signal，EX）影响的温度变化，灰色线代表的是区域平均的550 nm波段的气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD）; 外强迫（EX）影响下的EOF第一模态（e）和对应的时间序列（b; 红色线）。观测资料来自CRU TS（Climatic Research Unit gridded Time Series）数据集，风场资料来源于ERA5数据，CMIP6模式资料参考Hua et al.（2021）利用的模式模拟数据，AOD数据来源于CMIP6人为气溶胶强迫试验的模拟结果，AMO定义为北大西洋（80°W~0°，0°~60°N）区域平均的海温序列，SRP定义为欧亚大陆上空（0°~150°E，20°~60°N）200 hPa经向风异常的主成分时间序列，估算内部变率和外强迫的贡献以及去除温室气体强迫的方法参考Hua et al.（2021）和Qin et al.（2020b）的研究，所有资料经过13 a低通滤波处理
Fig.1(a) Spatial pattern and (b) temporal variation (black line) of the leading Empirical Orthogonal Function (EOF) of summer surface air temperature (SAT) fields over Eurasia based on observations.Also shown in (b) are the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO, gray dashed line) and the Silk Road Pattern (SRP, gray solid line) indices. (c) Same as (a) , but for the estimated internal variability (IV) in the observations, with its principal component (PC) represented by the blue line in (b) . (d) Regionally averaged time series of SAT anomalies over Europe-West Asia (black box 1 area in Figure a) .The gray line in (d) represents the linearly detrended and smoothed ambient AOD (aerosol optical depth) at λ=550 nm, derived from CMIP6 AA forcing-only simulations. (e) Same as (a) , but for the estimated externally forced signal (EX) in the observations. (f) Same as (d) , but for East Asia (black box 2 area in Figure a) .SAT data were obtained from the Climatic Research Unit TS, while wind data were sourced from ERA5.The CMIP6 model datasets used in this study correspond to those employed by Hua et al. (2021) .The SRP index is defined as the principal component of the leading mode (PC1) for 200 hPa meridional wind anomalies over Eurasia (0°—150°E, 20°—60°N) .The AMO index is defined as the SST anomalies averaged over the North Atlantic (80°W—0°, 0°—60°N) .To estimate the contributions of internal variability and external forcing and to remove variations induced by greenhouse gas forcing, we follow the methodologies of Hua et al. (2021) and Qin et al. (2020b) .All data have been low-pass filtered with a 13-year cutoff period
图2欧亚夏季非均匀增暖的示意图（AMV代表大西洋多年代际变化，AMOC代表大西洋经向翻转环流）
Fig.2Diagram of non-uniform summer warming over Eurasia (AMV reprents the Atlantic multidecadal variability.and AMOC reprents the Atlantic meridional overturning circulation)
另外，欧亚陆面增暖也会对局地和区域气候产生重要影响，其气候效应也引起了广泛关注。例如，研究表明，20世纪90年代中期以来夏季中纬度气旋活动呈现明显的年代际减弱与该区域的陆面非均匀增暖存在联系（Chen et al.，2017）。夏季东亚中纬度气旋生成频率大值区主要位于贝加尔湖以南的蒙古地区，动力诊断表明东亚中纬度地区的表层土壤温度和温带气旋生成频率具有十分密切的联系（Chen et al.，2019）。东北亚表层土壤温度偏高，导致南部气旋源地表层土壤温度经向梯度为负异常，大气斜压性偏弱，这将使时间平均有效位能和涡动有效位能的斜压转换项为负异常，涡动有效位能减弱，涡动有效位能向涡动动能的斜压转换减少，从而使得天气尺度涡动从时间平均气流中获得的能量减少，温带气旋生成频率偏少。数值模拟进一步证实:20世纪90年代初之后东亚中纬度陆面非均匀增暖导致气旋活动减弱是造成东亚夏季风年代际减弱的一个重要原因（Zhang et al.，2020）。因此，未来研究中不仅需要关注大气强迫对陆面增暖的影响，也需要考虑陆面过程反馈及其与局地气候的联系（余波等，2020）。
最后，气候预测尤其是年代际预测是国际上的研究热点和难题，如何提升年代际预测水平是亟待解决的前沿课题。以往研究认为内部变率和外强迫都会对欧亚夏季非均匀增暖有重要影响，所以在预测过程中不仅需要考虑气候系统内部变率的影响，气候系统的热惯性，以及模式初始化和模式误差等问题，也需要考虑不同外强迫因子（如温室气体和气溶胶排放）的作用（孙颖，2021），以期更准确地预测欧亚大陆的温度年代际变化以及相关的气候影响。值得注意的是，未来10~30 a的气候预测很大程度上由内部变率和外强迫共同决定，过去研究已经表明与欧洲和东北亚相关的陆面增暖在过去70多年来受人为和自然强迫的贡献很大，所以未来这两个典型区域的增暖需要考虑外强迫（特别是气溶胶）的重要影响。由于不同的增暖情景下温室气体排放的差异，也需要重点考虑和讨论温室气体的作用，未来不同排放情景是否也会对欧亚夏季增暖的非均匀性产生影响。未来气溶胶排放会不断减少，欧亚关键区的预测会受到气候强迫不确定性的限制，所以需要在预测模型中更完善地考虑外强迫在年代际预测中的作用以及减少气候模式在模拟外强迫响应的不确定性。
