Commun Earth Environ (2026) | 极端高温背后：一场从拉尼娜到厄尔尼诺的"完美风暴"

2023年全球极端温度跃升的物理机制解析：从拉尼娜背景到厄尔尼诺爆发的"完美风暴"

研究背景与科学问题

在全球持续温室气体排放和长期变暖的背景下，2023年以一系列破纪录的温度异常震惊了科学界。从日尺度到年尺度，从全球到区域范围，2023年的温度纪录不仅极端而且广泛，引发了关于全球变暖是否正在加速的激烈讨论。尽管人为强迫 undoubtedly 在2023年的温度异常中扮演重要角色，但太阳活动11年周期的上升相位、2022年1月洪加汤加火山喷发、以及2020年国际航运燃料质量新规导致的硫排放减少等自然和人为外部强迫机制，都无法完全解释当年全球地表气温（GSAT）在年度、季节或月度尺度上观测到的温度飙升。

更关键的是，气候模型即使考虑了这些因素，也难以复现2023年观测到的温度跃升幅度。这种模型与观测之间的差异，可能源于气候模型对内部变率现象的极端表达刻画不足，或是存在固有偏差——例如对季节内内部变率的低估，以及在捕捉ENSO动力学多样性（时间性、空间性等）和相关全球遥相关方面的缺陷。因此，理解2023年极端温度跃升的物理机制，不仅关乎解释过去，更为预测未来类似事件提供了关键科学基础。

数据与方法框架

本研究采用纯观测的基于过程的分析方法（process-based approach），聚焦于北半球初秋季节（八月-九月-十月，ASO），这被认为是2023年ENSO生命周期中最非典型的阶段。研究团队利用ERA5再分析数据（0.25°分辨率）分析海表温度（SST）、气温、500hPa垂直速度、大气层顶（TOA）净辐射和云量；降水数据采用GPCP v2.3（2.5°分辨率）；辐射数据使用CERES-EBAF进行验证。所有异常值均相对于1991-2020年气候态计算，并采用LOESS方法进行去趋势处理。

研究对比了2022-2023年事件与历史上强厄尔尼诺事件（1982-83、1987-88、1991-92、1997-98、2009-10、2015-16，基于ONI>1.5K标准）的合成差异，以突显2023年事件的独特性。

核心发现一：破纪录的初秋温度跃升

2022年至2023年ASO期间的全球海洋表面气温（GMSAT）年际变化达到了历史最高值（约0.36°C），远超1987、1997和2015年等强厄尔尼诺年份的跃升幅度。各海盆的贡献分析显示，尽管南大西洋和北大西洋（近年来因年代际变率和人为影响持续增温）都有显著贡献，但印度-太平洋海盆以约66%的贡献率主导了此次跃升（其中热带和副热带印度-太平洋分别贡献29%和38%）。陆地气温异常同样创下纪录，且与海洋贡献相当，主要源于热带和北半球中纬度地区。

值得注意的是，尽管印度-太平洋海盆具有最强的年际变率，但在1979年以来的其他强至中等厄尔尼诺事件中，未曾观测到与之匹敌的温度跃升。2023年事件的特殊性在于其发生的背景状态——它紧跟着2020-2022年的多年拉尼娜事件，以强烈的拉尼娜状态进入2022年，这与2009年事件最为相似，但背景状态的强度远超以往。

核心发现二：辐射预算的极端跃升

从2022年到2023年四月-九月（AMJJAS）期间，海表温度变化（ΔSST）表现为东太平洋和中太平洋的增温，其强度和范围均超过了典型厄尔尼诺事件。这种特殊性归因于从三重拉尼娜（triple-dip La Niña）快速切换到厄尔尼诺的过程中，2022年南美沿岸及东南热带太平洋盆地存在的强冷异常迅速消退。

更关键的是，当ΔSST按照气候态500hPa垂直运动（ω500）分类时，结果显示在大气下沉区域（特别是东南热带太平洋最强下沉区），2022-2023年的SST增幅远超其他厄尔尼诺事件。这种增温通过改变低层对流层稳定性（LTS = Θ700−Θ1000），减少了低云覆盖（特别是层积云），导致大气层顶辐射预算（ΔN）出现创纪录的正异常。

具体机制如下：SST增温（特别是在下沉区域）提高了边界层位温（ΘBL），降低了LTS和对流抑制强度，导致低云覆盖减少（图S3显示低云量下降约2.5个标准差），行星反照率降低，从而产生正辐射预算异常。2022-2023年在整个热带印度-太平洋区域平均的辐射预算跃升是自1979年以来第二大的（仅次于2011-2012年），但对于厄尔尼诺爆发期而言却是创纪录的辐射盈余。

此外，与典型厄尔尼诺不同，2023年西太平洋盆地（170°W以西）的对流和高层云覆盖异常持续且增强，而通常这些区域在厄尔尼诺期间会减弱。这导致Walker环流的上支（由ω500=0轮廓线界定）向中太平洋的东移程度小于以往厄尔尼诺事件。

核心发现三：对流层加热的异常提前与增强

热带地区深对流区域的SST控制着整个热带大气温度的变化，通过向对流层注入异常的非绝热加热，进而通过行星尺度遥相关影响全球地表气温。研究使用降水加权海表温度（PWS）指标来量化这一关系：

PWS = (SST × 降水率) / 热带平均降水率

结果显示，PWS与500hPa位温（Θ̄500，代表对流层温度）高度相关（R=0.81，R²=0.67）。2023年的PWS值虽与其他强厄尔尼诺年份相当，但其残差（实际Θ̄500与线性关系预测值之差）却是自1979年以来第三大的，远超其他强厄尔尼诺事件。

这一"额外"的对流层增温 booster 主要源于两个因素：

1. 热带北大西洋的异常增温：提供了额外的非绝热加热源，将全热带海盆的PWS-Θ̄500关系提升至R=0.86；
2. 西太平洋暖池的异常高SST：在深对流区域维持异常高SST，加强了非绝热加热。

更重要的是，2022年作为拉尼娜年，其PWS和Θ̄500值处于历史分布的低端（低于任何其他强厄尔尼诺前一年）。因此，从2022到2023年的对流层温度跃升幅度是1979年以来最大的（图S6a）。这种创纪录的对流层温度跃升通过罗斯贝波向极地传播，贡献了全球地表气温的跃升（Θ̄500与GSAT的R²=0.61）。

物理机制的综合解析

2023年极端温度跃升可归因于拉尼娜背景状态下爆发厄尔尼诺导致的三种异常物理过程的罕见同步：

第一，辐射预算的超强跃升。在厄尔尼诺发展期的春夏季，东太平洋下沉区域的SST年际增温创纪录，导致边界层增温、对流层稳定度降低、低云覆盖急剧减少（特别是层积云），进而产生异常强的正辐射异常。2023年春季极端沿岸厄尔尼诺的发展可能贡献了这一纪录。

第二，西太平洋异常的气候响应。与典型厄尔尼诺不同，2023年西太平洋暖池的SST下降幅度显著较小，而降水反而增加（而非减少）。南方涛动指数（SOI）显示，尽管东太平洋强烈增温，Walker环流仍维持相对强度。这种特殊性源于前期多年拉尼娜在2022年冬季累积了大量西太平洋暖水（海洋热含量创纪录），确保了最暖水域表面温度异常的持续存在。

第三，对流层增温的提前爆发。通常厄尔尼诺期间，热带大气加热通过异常对流发生在深秋至次年早春，与SST季节循环相位锁定。但2023年，由于西太平洋暖池维持异常高SST且深对流持续，热带对流层从夏末就开始异常增温，并持续至事件结束。这种时间上的错位和强度的叠加，导致了创纪录的温度跃升。

讨论与科学启示

本研究揭示了2023年极端温度跃升并非单一因素导致，而是多尺度过程协同作用的结果：

在年际尺度上，罕见的三年拉尼娜（triple-dip La Niña）放大了太平洋SST经向梯度，为厄尔尼诺爆发时的温度跃升奠定了基础。在年代际尺度上，人为导致的地球能量不平衡使全球上层海洋热含量持续增加，特别是西太平洋相对于东太平洋的增温，增强了Walker环流，使得东太平洋低云量在2022年接近纪录高位，随后在2023年厄尔尼诺爆发时急剧消失，放大了辐射跃升。

此外，热带北大西洋在2023年的极端状态（百年一遇的内部变率事件）不仅直接加热热带对流层，还通过调制太平洋动力学，维持了西太平洋的降水异常。2023年大西洋飓风季排名历史第四活跃（尽管厄尔尼诺通常抑制飓风活动），印证了太平洋-大西洋之间的异常遥相关。

然而，气候模型在低频太平洋SST变率（无论是强迫还是内部驱动）的模拟上存在偏差，同时低估了层积云对局部SST的敏感性。这些缺陷可能解释了为何模型难以复现2023年的温度跃升。

结语

2023年全球温度极端跃升是内部气候变率（特别是ENSO）与人为变暖背景协同作用的典型案例。它提醒我们，在持续的人为变暖趋势上，内部变率的极端相位可以产生远超预期的温度响应。理解这些物理机制，对于改进气候模型、提高预测能力，以及为决策者和公众提供关于未来极端变暖风险更准确的评估至关重要。正如这项研究所示，当拉尼娜的"冷背景"遭遇厄尔尼诺的"暖爆发"，气候系统展现出惊人的非线性响应——这是2023年留给气候科学界最重要的启示。

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Mex, J., Cassou, C., Jézéquel, A. et al. Physical understanding of the extreme global temperature jump in 2023. Commun Earth Environ (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03382-6

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