亚洲夏季风关系着数十亿人的生产生活，一旦突变，恐将引发严重气候灾害。然而，学界对古气候记录中夏季风环流突变的早期预警特征仍缺乏明确认知，对当前季风环流是否存在突变风险缺少研究。为此，我们分析了亚洲季风区古-今高分辨率石笋记录中的关键预警信号，为评估本世纪夏季风环流突变风险提供了科学依据。
导 读
亚洲夏季风维系着全球近半数人口的生存与发展，其变率直接影响到农业生产、水资源供给和生态系统等关键领域。石笋等地质沉积物记录了历史时期的环境与气候特征。该研究通过高分辨率石笋记录的系统分析，首次识别出历史上亚洲夏季风突变事件发生前的早期预警信号，并在过去200年记录中发现了相似的信号特征。这表明，当前亚洲夏季风环流的稳定性已显著下降，可能在未来几十年内突然减弱。该发现为我们敲响了气候突变的警钟，未来应更紧密结合古气候数据、现代观测与气候模型，以进一步评估亚洲夏季风环流在本世纪发生突变的风险，并为区域气候的应对提供科学支撑。
图1 本世纪亚洲夏季风环流突变的预警信号和未来预估
许多非线性动力系统存在临界阈值，即所谓的“临界点”或“翻转点”（Tipping points）。一旦越过临界点，系统就会通过自持续的反馈进入另一种状态，这种转型往往具有突变性和/或不可逆性。在接近“分叉”临界点时，系统的稳定性通常会下降，表现为“临界减速”现象，其典型特征表现为：波动性增强（方差增大）、记忆性变强（自相关值上升并趋近于1）、系统对扰动的恢复速度变慢（恢复速率趋近于0）。这些特征常被视为系统接近突变的早期预警信号。
就地球气候系统而言，受限于仪器观测和历史文献资料的时间长度，古气候记录成为研究过去真实发生的气候突变事件的唯一可靠信息来源。近几年发表了多支涵盖了亚洲夏季风突变事件转型过程、具备高分辨率、高精度特征且年纹层结构清晰的新一代亚洲石笋记录，为开展“古今结合”的早期预警信号分析提供了坚实的基础。实际分析中，该研究基于四个基本假设：（1）亚洲夏季风环流系统被简化为分岔模型的一维正态分布形式，用以分析其临界点附近的关键动力学特征；（2）噪声扰动在研究时段内具有近似稳定的统计特性；（3）控制参数在临界点附近呈近似线性变化趋势；（4）系统动力学在观测时段内保持近似平衡态。虽然真实的地球气候系统可能更为复杂且具有多维性，上述简化模型在理论与方法上仍具合理性，并为建立一个定性评估亚洲季风临界点的可操作框架提供了基础。
1. 过去突变事件前的早期预警信号
亚洲季风区石笋δ18O记录主要反映大尺度亚洲夏季风环流的强弱，以及热带雨带的南北移动；它受控于总体季风环流强度，而并非局地降雨量。该研究汇集了多支高分辨率、高精度的亚洲季风区年纹层石笋记录，系统分析了冰期和全新世早期的气候突变事件。结果发现，海因里希（Heinrich）事件2和2b、8.2 ka冷事件和DO-8暖事件之前，石笋氧同位素（δ18O）记录均显示出显著的早期预警信号，包括：方差和自相关增加，恢复速率趋于0，显示亚洲季风系统在突变前经历了稳定性下降和恢复力减弱的过程。通常而言，早期预警信号的增长趋势（而非其绝对值）才是临界减速现象的核心指标。值得关注的是，本研究的实证数据显示，系统到达临界点时，其滞后1-自相关（α1）值仅增长至约0.7至0.96之间，该数值范围明显低于理论预期的α1=1理想值。
2. 现代石笋记录分析
近200年的高分辨率的石笋δ18O记录也呈现出与历史时期亚洲夏季风突变前类似的早期预警信号特征，表明亚洲夏季风环流可能正逐步接近新的临界点。尤其值得关注的是，当前观测到的α1值已经接近历史突变事件发生前的阈值，暗示未来几十年内亚洲夏季风环流存在潜在的突变风险。
3. 亚洲夏季风环流未来的减弱趋势
大量气候记录与模拟研究表明，亚洲夏季风环流与大西洋经向翻转环流（AMOC）在多个时间尺度上存在紧密的耦合关系。近几十年的石笋δ18O记录显示，亚洲夏季风的减弱趋势与AMOC的减弱可能存在一定关联。值得注意的是，近期一项研究（Ditlevsen P & Ditlevsen S, 2023；Doi: 10.1038/s41467-023-39810-w）预测，AMOC可能将在2057年前后跨越一个新的临界点（95%置信区间为2025–2095年），这一时间窗口与石笋记录中夏季风突变信号的推测时间接近。需要强调的是，早期预警信号分析在理论上并不依赖于特定的物理机制，如AMOC-亚洲夏季风耦合机制。本研究所用的统计指标源于石笋δ18O序列，反映季风系统稳定性变化。
4. 亚洲季风系统可能是气候临界要素
目前公认的气候临界要素（如AMOC或两极冰盖）需满足三个标准：（1）具有广泛的影响范围（超过1百万平方千米）；（2）人类时间尺度（约百年）上的不可逆性；（3）跨越临界点后具备自持续性。该项研究表明，亚洲季夏季风环流可能也是一个重要的气候临界要素，但其是否具备自持续性仍需进一步研究。
本研究的核心贡献不仅在于揭示了近两百年石笋记录中的早期预警信号——这类信号在现代观测数据或其他代用指标中也可能获取——更重要的是，通过分析历史时期真实发生过的亚洲夏季风突变事件以及临界点前的预警信号，刻画了真实亚洲夏季风突变的基本特征。基于这一认识，本研究推断当前观测到的类似早期预警信号预示着亚洲夏季风环流在不久的未来存在突变的风险。
总结与展望
本研究是古气候研究的重要“出口”，即预测未来突变的全新尝试。尽管当前的结果仍为定性评估，但鉴于亚洲夏季风突变可能带来的重大影响，亟需学术界尽早开展深入研究。迄今为止，古气候研究对突变发生前的关键时段关注不足，新一代记录重建工作应着重提升突变前古气候序列的年代精度和时间分辨率。后续工作应系统开展同一洞穴内古-今石笋记录的高精度对比，以增强对未来气候临界点的识别和预测能力。同时，结合多种气候指标（如树轮δ18O、石笋微量元素等）和数值模拟，并排除噪声扰动和速率触发型突变等的影响，进一步提高预测的可靠性。
作者信息：
程 海，西安交通大学全球环境变化研究院教授、奥地利科学院外籍通讯院士、美国地球物理联合会（AGU）会士、国际地球化学协会和欧洲地球化学协会会士、全球高被引学者。长期从事同位素地球化学与全球环境变化研究。发表学术论文700余篇。获得气候变化领域中的主要奖项包括欧洲地球科学联合会（EGU）米兰科维奇奖章和Emiliani Lecture等荣誉。
董西瑀，西安交通大学全球环境变化研究院助理教授。从事气候突变事件和气候临界点研究。在Nature Communications、The Innovation Geoscience等期刊发表论文30余篇。主持首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）。
原文信息：
Dong X., Chen R., Niu X., et al. (2025). Early warning signals for Asian summer monsoon tipping and implications for future monsoon changes. The Innovation Geoscience 3:100158. DOI:10.59717/j.xinn-geo.2025.100158
