中国科学院青藏高原研究所孙咏副研究员作为第一作者和通讯作者，联合丁林院士、法国气候与环境科学实验室（LSCE） Ramstein Gilles教授和耶鲁大学Fedorov Alexey教授、成都信息工程大学刘博教授，在《国家科学评论》（NSR）发表研究论文“Tropical Indian Ocean drives Hadley circulation change in a warming climate”，首次明确了热带印度洋升温在未来HC强度减弱及边界向极扩展中的主导作用，而热带太平洋升温则是未来HC预估不确定性的主要来源。这一成果为改进地球系统模式、有效预估热带大气环流提供了重要方向；同时，也为监测和预警与HC未来变化有关的气候风险提供了科学依据，从而支持重大决策的制定。
哈德莱环流的重要性及其观测到的变化
哈德莱环流（HC）是我们熟知的大气三圈环流的重要组成部分，在气候系统中发挥着关键作用。近年来，气候变暖导致的HC变化引起了广泛关注，特别是自1979年以来观测到的HC向极地扩展现象。这一扩展将副热带干旱区的边界逐渐推向中纬度地区，对中纬度的生态环境格局产生了深远影响。为回应公众对这一热点问题的关注，专门从事气候变化评估的联合国机构—政府间气候变化专门委员会（IPCC）在其报告中增设了专门章节，回顾HC的最新研究进展。关于未来HC如何变化，尽管现有研究达成了一定共识（如强度减弱、边界向极扩展），但仍存在较大的不确定性。
海洋持续快速升温对气候系统的影响：亟待破解的难题
与此同时，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）监测到的海洋表面温度屡创新高，预计在人为温室气体排放持续增加的背景下，未来海洋温度将继续升高。海洋持续升温对气候系统的影响日益引发关注，也是气候变率与可预测性研究计划（CLIVAR）的核心议题之一。然而，未来海洋升温，特别是区域海洋升温对HC的影响尚不明确。
为了明确HC未来变化的区域海盆归因，该研究致力于揭示《巴黎协定》规定的1.5℃、2℃和3℃升温阈值下，热带大洋升温对HC变化的具体贡献。研究明确了热带印度洋主导了未来HC变化，而热带太平洋是HC预估不确定性的主要来源。具体做法如下：
CMIP5试验：确认未来HC变化及不确定性与海表温度密切相关
首先，基于现有的CMIP5数值试验分析表明，无论是未来HC南北边界的极向扩展、HC上升支——热带辐合带（ITCZ）位置的移动，还是其预估强度的不确定性，海表温度（SST）的变化均起到了主要作用（图1, amip4k、amipFuture）。这促使该研究进一步探究不同海盆升温对未来HC变化的相对贡献。
图1 二氧化碳辐射强迫与海洋变暖对HC环流和ITCZ的影响。该研究关注（A）HC南边界（LatSHC）、（B）HC北边界（LatNHC）、（C）ITCZ位置（LatITCZ）及（D）北半球HC强度（IntensityNHC）
基于CMIP5六种数值试验，将人为温室气体排放的全面影响（RCP8.5情景与历史气候模拟的差值）与直接辐射效应（amip4xCO2与amip的差值）、由于全球海表温度（SST）均匀4K增温所引起的间接效应（amip4K与amip的差值）、以及未来全球SST增温不均匀的效应（amipFuture与amip的差值）进行对比
海温增幅的理想试验：选取可能影响未来HC变化的关键海盆
首先，该研究进行了HC对观测到的海洋升温增幅响应的理想试验（共54组），通过研究HC对不同海洋升温增幅的响应，找到可能影响其未来变化的关键海盆（图2），包括热带印度洋（TIO）、热带太平洋（TPO）、热带北大西洋（NA）和南大西洋（SA）。
图2 理想试验用于测试HC对各个海盆升温幅度增加的响应(A) LatSHC (B) LatNHC、(C) LatITCZ、(D) IntensityNHC 横轴上的数字表示试验中，给定的理想海温型放大倍数。
《巴黎协定》升温阈值下的关键海盆扰动试验：揭示HC对不同海盆的差异响应
随后，该研究在1.5℃、2℃和3℃升温阈值下，开展了全球海洋升温及四个关键海盆的海洋升温型（图3）的大样本扰动试验（430组）。数值试验结果表明：HC强度(IntensityNHC)、南北边界（LatSHC和LatNHC）、上升支位置（LatITCZ）对四个海盆升温的响应截然不同（图4）。具体而言，TIO的未来升温驱动了HC强度的显著减弱、北边界的显著极向扩展以及ITCZ位置的极向移动（冬季ITCZ位于南半球）；NA和SA升温则分别导致ITCZ向赤道和远离赤道方向移动；SA升温还可驱动较弱的南边界向极移动；HC未来变化（强度、南北边界和ITCZ）的不确定性均源于预估TPO 升温型存在较大的不确定性。
图3 《巴黎协定》1.5℃、2℃和3℃升温阈值下，全球大洋和四个关键海盆升温型。
图4 HC对未来全球大洋和不同海盆升温的响应：A 南边界（LatSHC）; B 北边界（LatNHC）；C 上升支位置（LatITCZ）；D 强度（IntensityNHC）
最后，研究还阐明了HC对四个海盆未来升温不同响应的机制（图略，见原文）。
研究的创新与影响
该研究成果除首次阐明了未来热带大洋升温对热带大气环流变化的关键作用外，该文无论采用的试验设计还是关注的科学问题，都是现有国际科学计划CLIVAR (世界气候研究计划[WCRP]的六个核心项目之一）的重要拓展。CLIVAR计划因开展较早（始于1992年），数值试验设计多是聚焦观测时段海气耦合内部变率——太平洋年代际震荡（PDO）和大西洋年代际震荡（AMO）的海温型及其组合对区域气候的影响，而缺乏面向未来海洋增温型的分海盆试验设计。该研究面向未来海洋升温气候影响的数值试验设计，并据此开展了《巴黎协定》三种升温阈值下（1.5
该研究获得第二次青藏高原综合科学考察研究（2019QZKK0708）和国家自然科学基金项目（41988101）联合资助。同时致谢国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置（Earthlab）的算力支持。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwae375
