气候临界点(climate tipping point)是指气候系统从一种稳定状态转变到另一种稳定状态的阈值,一旦超过这个阈值,气候系统状态会发生重大且不可逆的变化。科学家认为,过度的全球变暖可能会引发地球气候系统的临界点,导致地球气候发生不可逆转的突变,对地球上的生命产生灾难性的影响,人类陷入前所未有的浩劫,就像电影《后天》所描绘的那样。东亚夏季风是地球气候系统的重要组成部分,东亚夏季风降水影响着我国东部地区的农业和经济等方方面面。但是,东亚夏季风变化的非线性过程一直是气候变化研究的难题,对于东亚夏季风临界点的认识几乎是空白,主要原因是缺少长度和分辨率足以检测东亚夏季风临界点的过去降水定量化记录。
我校地理与海洋科学学院鹿化煜教授团队长期致力于过去气候定量化研究,近期在东亚夏季风临界点研究方面取得了突破。他们通过对广东雷州半岛青桐洋玛珥湖沉积物岩心进行高精度的加速器质谱碳十四(AMS 14C)和铯-铅同位素测定,建立年代标尺,对沉积物样品的色度、铁元素、锰元素、钙元素等代用指标进行高分辨率测试,并采用主成分回归等统计学方法和深度学习等人工智能技术,对末次冰盛期(22000年前)以来的降水量变化进行集合重建,发现过去两万年东亚夏季风系统存在5个主要的临界点,触发了季风降水的突变,降水快速变化的幅度为387 ± 73 mm (24 ± 5 %)。每次季风突变发生以后,降水量都维持在新的状态1000年以上,直到下一次季风突变发生。

图1 基于多种算法重建的过去22000年东亚夏季风降水量变化。
结合区域代用指标集成和古气候多模型模拟,鹿化煜教授团队揭示了东亚夏季风降水发生临界点突变的空间模态及其驱动机制,发现北大西洋经向翻转环流(AMOC)和撒哈拉植被突变能够对东亚夏季风降水变化产生多米诺骨牌效应。AMOC突变主要通过改变南北半球之间的温度梯度来影响热带辐合带(ITCZ)的位置,从而影响东亚夏季风降水。AMOC突变也能通过改变西风带的位置和强度来影响东亚夏季风降水。基于大量的代用指标集成和多模型模拟对比分析,他们发现东亚夏季风降水对AMOC突变的响应可能并不存在三极子模式,即我国东部降水从南到北呈现“旱-涝-旱”或者“涝-旱-涝”的模式,现有的耦合气候模型模拟存在偏差,难以正确模拟东亚夏季风降水的变化。

图2 模拟和指标对比揭示末次冰消期AMOC突变对东亚区域降水的影响。
撒哈拉植被突变主要通过植被-粉尘-冰冻圈反馈影响东亚夏季风降水。撒哈拉植被变化直接影响撒哈拉地区的地表反照率和粉尘排放,从而影响全球温度变化,进而影响大气环流和降水。在本研究中,鹿化煜教授团队创新性地提出撒哈拉植被变化影响东亚夏季风降水的新途径:北大西洋涛动(NAO)和青藏高原。气候模拟显示,撒哈拉植被消亡能够导致北极地区和青藏高原降温。北极地区降温驱动NAO向负位相转变,西风带南移,与此相关的大气波列向东传播,影响东亚夏季风降水。青藏高原是驱动亚洲夏季风的热源,青藏高原降温直接降低海陆热力梯度,从而减弱东亚夏季风环流,减少东亚夏季风降水。

图3 古气候模拟揭示撒哈拉植被消亡对地表温度和海平面大气压的影响。
研究团队基于多指标和多方法对过去22000年东亚夏季风降水变化的定量重建,为理解长期气候变化背景下东亚夏季风降水的驱动机制和响应过程提供了新证据。特别是,他们的研究表明,东亚夏季风降水突变可能是全球气候临界点的一部分,如果未来全球变暖超过1.5℃的阈值引发地球气候系统临界要素突变,可能将引发东亚夏季风降水的级联突变,从而影响数十亿人的生命财产安全。
该研究成果以“Tipping point-induced abrupt shifts in East Asian hydroclimate since the Last Glacial Maximum”为题于2025年1月8日正式发表在Nature子刊《Nature Communications》上。地理与海洋科学学院陆福志为第一作者,鹿化煜教授为通讯作者。参与研究的还有地理与海洋科学学院的师生顾铫、林鹏雨、张红艳、弋双文等和瑞典哥德堡大学陈德亮院士等专家学者。此前,陆福志还在《PNAS》和《Nature Communications》发表了关于热带辐合带变化及其驱动机制的学术观点。
论文信息:
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