近日，昆山杜克大学大气与环境科学助理教授马丁与北京大学大气与海洋科学系长聘副教授聂绩合作的最新研究，发表于地球科学顶级期刊《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）。论文第一作者为马丁教授，通讯作者为聂绩教授，昆山杜克大学2025届本科毕业生张元东为合作者。
该研究题为《南半球环状模变率的历史与未来增强特征》（Amplifying Variability of the Southern Annular Mode in the Past and Future）。研究显示，作为南半球最重要的大尺度环流模态之一，南半球环状模（Southern Annular Mode，以下简称SAM）不仅平均状态正在变化，其日常波动幅度在过去80年中也显著增强，且在未来全球变暖背景下还将持续增强。该成果为理解南半球极端天气事件频发提供了重要的动力学机制解释，也为评估和应对未来气候风险提供了新的科学依据。这项成果还被《自然·气候变化》（Nature Climate Change）2026年3月刊作为研究亮点特别报道。
南半球环状模（SAM），也被称作南极涛动，是南半球中高纬度最关键的大气环流模式，它的波动可以形象理解为环绕地球的中纬度西风急流在南北方向的“跷跷板”。这股高速风带的南北摆动，直接影响着澳大利亚、南美洲、南极洲及南大洋等区域的降水、风暴、气温甚至海冰变化，就像地球南半球的“气候调节器”。
马丁教授长期关注大尺度大气环流与气候变率，尤其聚焦作为南半球中高纬气候变率主导模式的南半球环状模（SAM）。
“假设你要从昆山去黑龙江旅行，你不仅要知道当地的平均气温，更要了解气温的波动范围，才能做好准备，应对最坏的情况。”马丁教授解释，“以往的研究多聚焦于SAM平均态的偏移，而极少有研究探讨其变率振幅将如何响应全球变暖。所以，我们的研究提出了一个非常关键、但长期被忽视的问题：在全球变暖背景下，这个‘跷跷板’的摆动幅度有没有变化？”
为回答这一问题，研究团队分析了1940年至2019年的欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据，以及澳大利亚地面台站的降水观测资料。结果发现，与1940年至1979年相比，1980年至2019年SAM日变化的振幅平均增强了约14%。这一变化并非单纯的数字波动，而是直接带来了更频繁、更剧烈的极端天气。例如，在强正位相SAM事件期间，相关降水异常峰值明显增强，部分区域的极端降水响应增幅约达40%。研究表明，SAM振幅的增强并不仅仅是统计意义上的变化，而是已经转化为更显著的区域性风场、温度和降水异常。
那么，是什么让南半球的气候“跷跷板”摆得更剧烈？结合数学模型和气候模拟分析，研究发现，核心原因在于热带与极地之间的温度差正在拉大。在全球变暖背景下，热带地区上层大气快速增暖，而中高纬度南大洋增暖相对滞后。因此，热带与极地之间增大的温度差为大气活动提供了更多“燃料”，不仅催生了更强的天气尺度波动，还进一步放大了南半球环状模的摆动幅度。基于CMIP6气候模式的未来模拟结果显示，在高排放情景下，到21世纪末这一“跷跷板”的摆幅还将继续增大，南半球极端天气的风险也将持续攀升。
在马丁教授看来，这项研究最重要的贡献，在于揭示了气候变化一个此前被低估的维度：大气环流不仅平均状态会发生偏移，其波动本身也会加剧。“我们的研究证实，近几十年来，SAM的变率显著增强，且这一变化与经向温度梯度和涡旋强迫的改变存在动态关联。这让气候研究不再只局限于平均态的趋势变化，而是更全面地关注背景条件和变率的双重改变。毕竟，对人类社会影响最大的，往往是极端天气，而非平均气候。”
这项研究的社会意义同样深远。马丁教授解释，波动幅度的增强意味着极端事件风险的上升，而南半球环状模直接影响着澳大利亚、南美等地区的降雨、干旱和热浪。“如果这一‘跷跷板’的摆动更剧烈，南半球的极端天气就会更明显，气候适应和风险管理的挑战也会更大。农业、水资源管理、防灾减灾、基础设施规划等多个领域，都会受到环流驱动型极端事件增多和增强的影响。这一研究不仅是自然科学的突破，也能为气候敏感领域的决策提供科学支撑。”
张元东在昆杜攻读本科时主修计算机科学与技术，目前在加州大学圣地亚哥分校攻读硕士学位。作为这项研究的核心合作者，他发挥计算机专业所长，为研究提供了重要的数据支持。
“我开发了一个高并发的ETL（提取-清洗-存储）数据管道，能够对澳大利亚总计27708个气象站的所有历史数据进行24小时不间断抓取、整理和整合。这些数据跨越80多年，部分站点的数据时间更长，还存在格式不一、数据缺失等问题。最终，我将其整合成一个标准化的澳大利亚气候数据库。”
在此基础上，张元东又通过统计学手段，将真实世界的气象观测数据与再分析数据进行比对，验证了团队此前所用再分析数据的可信度，也为SAM变率增强这一假说提供了有力支撑。值得一提的是，凭借扎实的专业基础，张元东仅用一个通宵就完成了ETL数据管道的开发，并在次日晚上成功通过该管道获取并清洗了所需数据。
本科生直接参与科研，是昆山杜克大学通识博雅本科教育的一大特色。学校为本科生提供了大量参与教授科研课题或开展独立科研的机会，以及设备和资金支持，使学生从大一开始就能参与高质量研究项目。2023年，张元东曾与马丁教授合作，通过提取气候相关推文分析公众对气候变化观点极端化的研究，并在2023年美国地球物理学会 （ American Geophysical Union ) 上进行了海报展示。这段珍贵的经历让他学会了将大数据提取、清理与整合，超级计算机集群使用和机器学习建模等计算机知识真正运用到科研中，也为本次研究打下了坚实基础，让他得以上手更快并完成数据管道开发。
“学习和科研都是承上启下的事情，既要打好基础，也要兢兢业业做事。”张元东总结说，“我一直很喜欢探索CS+X领域，也就是将前沿计算机技术运用到科研和日常生活中的各类问题。这项研究也推动我进一步研究大数据、机器学习与智能系统。”他目前正在研发一款AI原生的个人助手智能系统，其中很多知识都来自这项研究的积累。
对于未来的研究方向，马丁教授表示，团队将从三个方面继续深化。一是进一步厘清南半球环状模的区域结构及其与暴雨、热浪等极端天气的关联，精准定位不同区域的气候风险；二是验证气候模式对这种变率变化的模拟能力，提升未来气候预估的准确性；三是更全面揭示气候变化如何通过长期偏移和剧烈波动这两条路径影响大气环流，为全球气候风险评估提供更完整的科学依据。
研究团队指出，理解气候变化，不能只看平均值的改变，更要关注波动是否在加剧。只有同时把握气候系统均值与变率的变化，才能更准确地评估未来气候风险，并制定更具前瞻性的应对策略。
