在全球气候变化研究中，“极地放大效应”广为人知：高纬度地区对温度变化尤为敏感，增暖或变冷幅度均显著大于低纬度。然而，热带地区的温度变化格局却长期未被系统认识。一项最新发表于《自然·通讯》（Nature Communications）、题为“Quasi-invariance of tropical meridional surface temperature gradient in a wide range of climates”的研究指出，在显生宙，无论地球处于冰期还是极端温暖期，热带地区（南北纬30°之间）的南北地表温度梯度变化甚微。这种“准不变性”现象，可能成为理解地球气候演变和预测未来变暖空间型态的一条基础性物理规律。

一、 极地的高度敏感与热带的显著稳定

气候系统中的经向温度梯度，尤其是自赤道向极地的温差，深刻调控着哈德利环流、副热带急流、风暴路径等。研究一致表明，极地地区对全球变暖或变冷响应强烈，其背后涉及海冰-反照率反馈等多重过程的耦合。

与此形成鲜明对比的是，热带地区的纬向平均表面南北温度梯度（TMSTG）在不同气候背景下表现出惊人的稳定性。北京大学大气与海洋科学系杨军副教授团队，通过研究显生宙气候，发现无论是在全球平均温度低于现代约7℃的冰河期，还是在高于现代近30℃的极端温暖期，热带南北温差的变化幅度非常有限（图1）。

图1. 观测、再分析和模式模拟的不同气候态下纬向平均地表温度差。图中横轴为全球平均地表温度，纵轴为温差：圆圈为赤道与南北纬30度之间的温差，三角形为赤道与南北纬60度之间的温差，菱形为赤道与南北纬90度之间的温差。

二、 一个被长期忽视的物理规律

为检验这一现象的普遍性，研究团队系统整合了多源数据与模拟结果（图2）。综合分析表明：尽管全球平均温度在 6.2°C 至 36.1°C 之间大幅变动，全球季风格局、哈德利环流强度、海洋经向热输送、冰盖范围等发生了显著变化，但赤道与南北纬30°之间的温度差变化幅度很小。其相对于全球平均温度的线性回归斜率仅为 -0.08，意味着全球平均温度每变化50°C，热带南北温差仅改变约4°C（图1）。相比之下，中高纬度温度梯度的变化幅度可达其数倍至数十倍。

“以往研究因考察的气候状态变化幅度较小，常将热带温差的小幅变化视作偶然，而未将其视为一条物理规律，”论文通讯作者杨军指出，“我们的工作表明，这种准不变性在极宽的气候范围内均成立，其背后应由更基本的物理机制所主导。”

图2. 纬向平均地表温度及其变化。（a）再分析数据，2013-2022年与1979-188年之间的差别；（b）LGM、17000年前和PETM同化数据的地表温度相对于PI的变化；（c）CMIP6中4倍CO₂变化造成的温度变化；（d）5.4亿年来数值试验得到的地表温度；（e）地表温度相对于PI的变化；（f）不同时期的地表温度梯度。（e-f）中红色线条代表热的气候，蓝色是冷的气候。图中阴影区域是本文的研究重点。

三、 内在机理：辐射分布、弱温度梯度与湿绝热约束

热带温度梯度何以如此稳定？研究揭示了三大核心机制（图3）：

1.平缓的太阳辐射经向分布：历史上，地球自转轴倾角的变化很小，这使得低纬度入射太阳辐射随纬度的变化本身较为和缓。加之热带深对流区云层反射与大气水汽吸收的短波调节作用，最终到达地表的净短波辐射在热带区域内分布非常均匀。

2.弱温度梯度（WTG）的动力调节：在热带地区（约±20°纬度内），科里奥利力较弱，自由大气中难以维持显著的水平温度梯度。重力波与哈德利环流可快速调整水平方向的热力扰动，促进温度分布的均匀化。

3.对流湿绝热（CMA）的垂直控制：热带自由大气的温度垂直结构主要受深对流过程支配，使其接近湿绝热递减率。这种由快速对流（时间尺度约数小时）主导的热力结构与副热带大尺度下沉区（时间尺度约20天）相互耦合，通过类似“地转适应”的调整过程，确保整个热带地区的温度廓线不显著偏离湿绝热状态。

上述三类过程共同作用，使得外部强迫（如CO₂浓度变化、太阳辐射变化）引起的温度变化信号在热带自由大气与地表得以近乎均匀地传递与响应，从而维持了经向温差的稳定性。

图3. 三个内在机制：（1）入射的太阳辐射在热带区域内比较均匀，在云反射和水汽短波吸收的作用下，其梯度变得很小；（2）热带自由大气的弱温度梯度近似（WTG）；（3）通过对流湿绝热过程（CMA），自由大气温度与地表温度有效地耦合在一起。

四、从古气候重建到未来预测：一条简洁而有力的约束

此项发现兼具理论价值与应用前景：

• 古气候重建的新参照：古气候代用资料往往稀少且空间分布不均。该规律表明，只要获知热带某一纬度的平均温度，即可对热带整体的温度状态进行合理估算，为重建过去气候提供简便有效的空间约束。

• 未来气候预测的稳定锚点：即便在未来高排放情景下，热带内部的南北温差预计仍不会出现剧烈变动。这为评估气候模式的可靠性、理解未来变暖的空间分异提供了新依据。

• 简化气候模型的物理约束：在一维或二维能量平衡模型中，热带温度梯度的准不变性可为热扩散系数等参数化方案提供物理合理的约束，提升简化模型的气候态模拟能力。

论文第一作者为北京大学物理学院大气与海洋科学系的博士生魏梦宇同学，通讯作者为杨军副教授，合作者为胡永云教授、聂绩副教授和以色列威兹曼研究所Yohai Kaspi教授。

该研究得到了国家自然科学基金委卓越群体项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）和国家重点研发项目（2024YFF0807903）的资助。感谢北京大学古气候模拟团队各位师生：刘永岗、丁峰、李想、郭佳琦、蓝佳雯静、林其凡、包秀娟、袁帅、李智博、满凯、殷子涵、韩晶、张健、闫明羽等。感谢纽约大学助理教授张祎的深入讨论。本项目中的大部分模拟在北京大学的高性能模拟平台上完成。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66811-8