1961—2020年中国复合高温—干旱事件的年代际演变及空间反转：PDO驱动视角

《Advances in Climate Change Research》：Decadal evolution and spatial reversal of compound hot-dry events in China during 1961–2020: A PDO-driven perspective

　　

尽管既往研究主要关注人为增暖驱动的长期趋势，但中国复合高温—干旱事件（compound hot-dry events, CHDEs）的年代际变化仍缺乏充分认识。本研究利用1961—2020年的日最高气温和月尺度Palmer干旱严重度指数（Palmer Drought Severity Index, PDSI），分析CHDE特征的年代际变化，包括频次、持续时间、发生时序和强度。结果表明，CHDE呈现三个阶段的年代际演变：1990年前为弱下降阶段（每10年?10%，p < 0.05），1991—2005年为快速上升阶段（每10年29%，p < 0.05），2006年后为急剧下降阶段（每10年?42%，p < 0.05）。在空间上，两个近期子时段（1991—2005年与2006—2020年）呈现相反趋势，并形成类似偶极子的结构。1991—2005年，中国东北和华南地区CHDE增加，而华北减少；2006—2020年，除华北外全国范围CHDE总体下降。尽管增暖持续存在，2006年后的下降主要归因于降水增加导致的干旱缓解，这表明年代际尺度降水调制可以超越背景增暖趋势。研究构建了一个统一的物理框架，将这种空间反转与太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）位相转换联系起来：PDO暖位相（1981—1990年）削弱西太平洋副热带高压（Western Pacific Subtropical High, WPSH）和季风，形成“南少—北多”的CHDE格局，并对应“南涝—北旱”型降水模态；PDO冷位相（2006—2015年）则使这一格局反转。本研究将PDO驱动的降水转型框架扩展至CHDE，揭示了CHDE空间格局的年代际可预报性，并表明内部气候变率能够在一定时期内抵消增暖驱动的趋势。对500 hPa环流的分析显示，从1981—1990年到2006—2015年存在“+?++”型波列变化特征，为CHDE年代际转型提供了动力学依据。这些发现建立了一个新的动力学框架，将PDO位相转换和波列调整与中国东部CHDE的年代际空间反转联系起来。

该论文发表于《Advances in Climate Change Research》，围绕1961—2020年中国复合高温—干旱事件（CHDEs）的年代际演变及空间反转机制展开研究，重点解释在全球变暖持续背景下，CHDE并未呈现单调增强，而是表现出显著的阶段性和区域差异性。研究背景在于，复合高温—干旱事件兼具热浪与干旱的叠加危害，对人体健康、农业生产和生态系统的冲击通常强于单一极端事件。既有研究普遍指出，全球及中国东部暖季CHDE发生频次、强度和持续时间总体上升，尤其20世纪90年代后更为明显。然而，已有工作多聚焦人为增暖驱动下的长期线性趋势，且在指标选取上常依赖月尺度温度、降水或干旱指数，难以充分识别热浪这类持续时间短、日尺度波动强的高频极端过程。与此同时，CHDE在年代际尺度上是否存在阶段性转折、不同子时段是否呈现相反的空间分布格局，以及这种变化与内部气候变率之间有何联系，仍缺乏系统研究。因此，开展这项研究的必要性在于：在长期增暖背景之外，识别中国CHDE的年代际变化结构，厘清降水调制和大尺度海气振荡对复合极端事件的控制作用，从而深化对复合气候灾害形成机制与可预报性的认识。

研究人员据此采用日最高气温与月尺度自校准Palmer干旱严重度指数（self-calibrating Palmer Drought Severity Index, scPDSI），分别表征热浪和干旱过程，系统考察CHDE的频次、持续时间、年内发生时序和强度特征，并进一步从PDO位相转换、西太平洋副热带高压（WPSH）及500 hPa波列变化角度分析其动力机制。研究得出三个核心结论：其一，中国CHDE在1961—2020年并非单向上升，而是经历了1990年前弱下降、1991—2005年快速增加、2006年后显著下降的三阶段年代际演变；其二，1991—2005年与2006—2020年出现方向相反的空间变化，形成显著的南北偶极型反转；其三，PDO位相变化通过调制东亚夏季风、WPSH及东亚降水型，驱动了CHDE空间格局从“南少—北多”向“南多—北少”转变。该研究的重要意义在于，它突破了“增暖必然持续增强CHDE”的单一热力学叙述，证明区域尺度上内部气候变率，特别是年代际降水调制，可在一定时期内压过背景升温效应；同时还将东部中国降水年代际转型机制推广到CHDE研究中，为复合极端事件的年代际预测提供了新的理论框架。

在技术方法方面，研究人员主要使用中国国家气象信息中心1961—2020年0.5° × 0.5°格点日最高气温数据、CRU TS 3月尺度scPDSI数据以及NCEP/NCAR Reanalysis 1的850 hPa和500 hPa位势高度与风场资料，并引入PDO指数进行年代际关联分析。热日定义为日最高气温超过基准期1971—2000年对应日75^th百分位阈值，连续不少于3 d定义为热浪；scPDSI ≤ ?0.5定义为干旱月；热浪与干旱重合且持续超过3 d定义为CHDE。研究采用Theil–Sen线性回归估计趋势，Mann–Kendall检验评估单调趋势显著性，并利用BEAST（Bayesian Estimator of Abrupt change, Seasonality and Trend，突变—季节性—趋势贝叶斯估计）识别频次序列突变点，再通过不同时段合成分析揭示PDO相关环流机制。

在研究结果方面，论文首先在“3.1. Temporal changes of heatwave, drought spell and CHDE frequency”中指出，全国平均尺度上，1961—2020年热浪（HW）和CHDE频次均显著增加，但CHDE并非持续上升。BEAST识别出CHDE在1997、2006和2010年前后存在明显突变信号。结合总体趋势，研究将全时段划分为1961—1990年、1991—2005年和2006—2020年三个阶段。结果显示，CHDE在1990年前以每10年?10%的速率下降，1991—2005年则以每10年29%的速率快速增加，而2006年后又以每10年?42%的速率急剧下降。相关性分析表明，在全时段内，HW与CHDE相关性较强，提示升温对长期增加趋势贡献更大；但在近30年中，干旱过程与CHDE的相关性明显增强，说明降水和干旱状态在年代际变化中具有重要作用。

随后，在“3.1.2. Spatial distribution of trends in CHDE frequency”中，研究人员揭示了频次变化的空间异质性。1961—2020年整体上，中国东部尤其北方和西南地区CHDE频次增加，而西北地区和青藏高原东北部减少。更关键的是，1991—2005年与2006—2020年呈现近乎相反的空间格局：前一时期东北与长江以南地区增加、华北减少；后一时期则华北增加、长江以南普遍减少。这种空间反转构成显著的南北偶极型结构，是论文最重要的发现之一，也为后续环流机制分析奠定基础。

在“3.2. Duration characteristics of CHDEs”中，研究人员分析了CHDE最大连续持续日数的趋势分布，发现全时段内除西北地区外，全国多数地区CHDE持续时间总体增加。1991—2005年与2006—2020年在持续时间上的空间格局同样表现为相反分布：前者东北和南方增加、华北减少，后者除华北外大部地区减少。进一步按1—11 d不同持续时间分箱统计发现，1961—2020年短历时事件减少，而长历时事件增加，且持续时间越长，增加趋势越明显；超过3 d的CHDE显著上升，最长持续类事件增幅最大。这表明在长期变化中，更持久的复合高温—干旱事件增强更为明显，而2006年后各持续时间等级事件则总体回落。

在“3.3. Timing characteristics of CHDE”中，研究人员从年内分布角度考察CHDE发生时序。结果显示，多年平均而言，CHDE主要集中在夏季和初秋，冬季发生较少，这与高温背景及WPSH等环流条件密切相关。尽管事件季节性显著，但长期趋势表明，中国多数地区全年CHDE均呈增加态势，说明其潜在风险并不局限于传统高发季。论文还指出，冬季CHDE增加可能加剧冬小麦区土壤水分亏缺和灌溉压力，不过相关表述仍建立在原文对于农业影响的概括之上。

在“3.4. Characteristics of CHDE intensity”中，研究人员构建了CHDE强度指数（CHDI），通过对温度序列进行标准化处理后与干旱指标耦合，量化复合事件强弱。结果表明，全时段内CHDI自东北—华北—西南一带总体增强，而中国西部减弱。尤为突出的是，1991—2005年与2006—2020年再度呈现近乎相反的偶极型空间格局：1991—2005年东北和南方强度增强、华北减弱；2006—2020年则除华北外全国多地减弱。强度变化与频次、持续时间变化高度一致，说明年代际反转并非仅体现在事件数量上，还同步体现在事件持续性和综合强度上。

在“3.5. Mechanism of CHDE decadal change”中，论文集中讨论年代际转折的动力机制。研究人员选取围绕突变年份的两个10年时段，即PDO暖位相对应的1981—1990年与PDO冷位相对应的2006—2015年，比较其CHDE频次异常及环流结构。结果显示，PDO暖位相时，全国平均CHDE异常偏低，而PDO冷位相时达到最高值，提示两者存在明显反相关。空间上，1981—1990年CHDE表现为华南偏少、华北偏多，即“南少—北多”（SLNM）格局；2006—2015年则转为华南偏多、华北偏少，即“南多—北少”（SMNL）格局。850 hPa分析表明，PDO暖位相时WPSH偏弱并东退，水汽难以北上进入华北，更易在长江以南辐合降水，形成“南涝—北旱”（SFND）格局，对应南方CHDE较少、北方较多；PDO冷位相时WPSH增强并西伸，南方更受下沉气流控制，易出现高温干旱，而华北位于副高北缘，更易与中高纬冷空气汇合形成锋面降水，因此形成“南旱—北涝”（SDNF）对应的CHDE反转格局。500 hPa分析进一步指出，1981—1990年中国北方中高纬存在“?+?+”异常波列，而到2006—2015年则转为“+?++”型配置，这一波列调整通过改变华北上空辐合辐散和垂直运动条件，为CHDE年代际空间反转提供了动力学基础。

讨论部分强调，本研究最重要的认识在于：尽管1961—2020年中国CHDE和热浪总体趋势均为增加，但CHDE在年代际尺度上的变化并不服从简单的单调增暖逻辑。2006年后，即便热浪在全球变暖背景下继续增加，CHDE却因降水增强、干旱缓解而明显下降，说明在区域尺度上，降水主导的干旱调制可暂时抵消升温效应，形成温度与复合事件变化“脱耦”的现象。这一结论拓展了对CHDE形成机制的理解，即除热力强迫外，内部气候变率及其引起的水汽输送和环流调整同样具有决定性作用。论文同时指出，相较于以往主要研究全国平均或单一区域的工作，本研究识别出东南—华北之间清晰的经向偶极结构，并将PDO与东部中国降水年代际转型的既有框架推广到CHDE问题，增强了对复合极端事件年代际可预测性的认识。

论文也对局限性进行了谨慎说明。首先，机制分析主要基于1981—1990年和2006—2015年两个10年窗口，而PDO典型周期更长，因此样本长度可能限制统计稳健性。其次，PDO并非唯一影响因子，AMO、IPO以及人为气溶胶排放变化等均可能调制区域高温和干旱条件，其相对贡献在本研究中尚未定量分离。此外，研究重点放在环流和水汽输送变化，对土壤湿度—温度耦合等陆气反馈及外强迫作用尚未展开显式分析。尽管如此，论文仍建立了一个较完整的理论框架，说明PDO位相转换如何通过WPSH、东亚夏季风和中高纬波列调整，驱动中国东部CHDE的年代际演变和空间反转。

研究结论部分可译为：基于日最高气温和月尺度scPDSI，本研究考察了1961—2020年中国CHDE的时空变化特征。结果表明，尽管1961—2020年CHDE和热浪总体均呈增加趋势，但CHDE表现出显著的三阶段年代际演变：1990年前弱下降，1991—2005年快速增加，2006年后再次下降。空间上，最显著的变化出现在1991—2005年与2006—2020年两个子时段，其趋势近乎相反并形成清晰的偶极型结构。1991—2005年，CHDE频次在中国东北和南方增加、在华北减少；2006—2020年则相反，除华北外全国大部地区降低。CHDE持续时间和强度也存在年代际差异，且与频次变化总体一致。较长持续时间的CHDE增幅大于较短事件，说明相关驱动机制更倾向于强化持续性事件。从年内分布看，CHDE主要发生于夏季，冬季较少，但长期趋势表明中国多数地区全年CHDE总体增加。对1981—1990年和2006—2015年两个年代的比较显示，前者对应PDO暖位相和“南少—北多”CHDE格局，后者对应PDO冷位相和“南多—北少”格局，并分别与SFND和SDNF降水型相一致。PDO暖位相下，东热带太平洋增暖削弱WPSH和东亚夏季风，不利于水汽输送至华北，同时有利于南方锋面降水，从而形成SFND降水型和SLNM型CHDE分布；PDO冷位相下，WPSH增强，高压中心控制华南，导致当地干旱和高温增强，并形成SDNF降水型和SMNL型CHDE分布。500 hPa环流分析进一步揭示，两阶段之间存在明显波列转型。本研究还表明，在区域尺度上，降水对CHDE变率的贡献可能大于温度；尤其在2006—2015年，尽管热浪持续增加，CHDE却因降水增强导致干旱缓解而减少。这说明年代际尺度干旱调制可压过背景增暖趋势。总体而言，本研究为理解中国东部CHDE的年代际演变及其与PDO位相转换之间的联系提供了新的理论框架。