2022年7月，Geophysical Research Letters在线发表了海洋与大气学院的最新科研成果 “Neutral Mode Dominates the Forced Global and Regional Surface Temperature Response in the Past and Future”（中性模态对全球和区域表面温度变化的决定性作用）。该成果由海洋与大气学院刘福凯副教授（第一作者兼共同通讯作者）联合美国太平洋西北国家实验室科学家合作完成。
已有研究大多关注外强迫作用下全球平均温度的变化，且借助数值模式模拟和理论推导对其未来变化范围进行预估。然而，对区域温度变化的预估却具有极大的不确定性和挑战性。本研究结合大量的格林函数扰动试验，提出一个针对复杂耦合系统的线性化理论框架，通过它能够构建表面温度响应及外界辐射强迫之间的线性响应关系，筛选出在外界随机强迫下最容易激发的动力学模态，即中性模态（neutral mode）。该模态能够较好地重现观测和CMIP6数据中过去一个世纪全球表面温度的时空变化特征（图1），且能够抓住未来全球变暖情境下表面温度变化56%的空间方差。进一步分析发现，该模态的形成与大气的环状模息息相关，且受到海洋环流、尤其是西边界流经向移动的调控，因此可以将中性模态的空间分布理解为动力模态组织串联的结果。此外，基于该线性理论框架推导得出了最优强迫（optimal forcing），发现能够最有效地造成全球表面温度变化的辐射强迫集中在以45°N 和 25°S 为中心的中纬度地区（图2），这也恰好是人类活动最为频繁的地区。
总之，本研究最重要的启发在于：地球系统虽然在物理空间上是高维的，但是在动力学空间上却表现出低维特征，因此借助动力空间的表达能够更好地预估未来温度的区域变化特征，从而提高预测的信心。
图1. CMIP6数据中过去一个多世纪全球平均表面温度的15年滑动趋势（实线）：（a）全部外强迫，（b）单独GHG强迫；（c）单独气溶胶强迫。其中中性模态的贡献由虚线表示。柱图为表面温度的滑动趋势与中性模态的空间相关系数。
图2.由线性响应函数理论框架推导得出的最优强迫（optimal forcing）的空间分布，量值大小为激发中性模态的能力，近似为改变全球表面温度的能力。
发表文章列表：
Liu, F., Lu, J., & Leung, L. R. (2022). Neutral Mode Dominates the Forced Global and Regional Surface Temperature Response in the Past and Future. Geophysical Research Letters.https://doi.org/10.1029/2022GL098788
文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2022GL098788