一直以來，地表氣溫（SAT）和海洋熱含量分別是衡量全球變暖的大氣和海洋的最重要名額。歷來的IPCC（政府間氣候變化專門委員會）報告中都有專門的章節去分析觀測和類比中的SAT和海洋熱含量變化。但與海洋熱含量代表海洋中的能量不同，地表氣溫並不完全代表地表大氣中的能量，因為它並沒有考慮地表大氣能量中的潛熱部分（與大氣中的水汽相關）。SAT在全球變暖與氣候變化領域的廣泛使用與它擁有長期可靠的觀測記錄密不可分，但其是否能够代表全球變暖及其伴隨的極端天氣事件的變化一直沒有得到足够的研究。近日，海洋試點國家實驗室海洋動力過程與氣候功能實驗室宋豐飛教授聯合美國斯克裡普斯海洋研究所Guang Zhang研究員、美國科學院院士V. Ramanathan教授以及美國工程院院士、美國西北太平洋國家實驗室L. Ruby Leung研究員在Proceedings of the National Academy of Sciences（美國國家科學院院刊）發表研究論文，指出了代表地表大氣能量變化的地表有效比特溫（Thetae_sfc）是衡量全球變暖與相應極端天氣變化的更為全面的名額。該研究首先利用觀測、多套再分析資料以及CMIP5（第五次耦合模式比較計畫）模式的地表氣溫和地表比濕計算了Thetae_sfc，檢查了歷史階段的Thetae_sfc變化並探討了其在未來的變化。作者們發現其在最近的四十年（1980-2019）的全球變暖速率是SAT兩倍，即大氣水汽與SAT變化對全球變暖造成的地表大氣能量變化相當。所以，水汽對全球變暖的貢獻不可忽略。
圖1 1980-2019年（上列）觀測和（下列）再分析資料的（左列）SAT和（右列）Thetae_sfc的趨勢。圖中數值已經除以了全球平均。全球平均數值在圖標中給出。
眾所周知，SAT衡量的全球變暖空間分佈呈現三大典型特徵：極地强化（Polar Amplification）、陸地增溫比海洋强、北半球增溫比南半球强（圖1左列）。但這三大特徵在Thetae_sfc衡量的全球變暖空間分佈中都有不同程度的削弱，即北半球極地與熱帶增溫對比、陸地與海洋增溫對比以及北半球與南半球增溫對比都變小（圖1右列），尤其是在未來變暖背景下，北半球極地與熱帶增溫相當，陸地與海洋增溫也相當。這反映了全球變暖造成大氣能量較為均勻一致新增的特徵。全球變暖下，極端天氣氣候事件頻發。該研究發現相比於SAT，極端降雨與Thetae_sfc有更好的相關（圖2）。極端高溫也是如此。這反映了Thetae_sfc與這些極端事件之間可能有著更好的物理聯系，值得未來進一步研究。正是由於Thetae_sfc代表地表大氣能量，其衡量的全球變暖也與傳統的SAT存在很大不同並且Thetae_sfc與極端天氣事件有更好的聯系，作者們最後強烈推薦氣候學界廣泛使用Thetae_sfc來衡量全球變暖與氣候變化。
圖2 1980-2019年熱帶（30S-30N）陸地上年最大降雨量與（a）年平均SAT，（b）年平均Thetae_sfc的關係。降水來自NOAA CPC逐日降水資料，SAT與Thetae_sfc均來自ERA5。每個點代表在熱帶陸地上相應SAT和Thetae_sfc數值的間距平均。相關係數在圖標中給出。
溫室氣體新增如何影響區域及全球尺度溫度變化是當今全球科學界亟需回答的重大基礎前沿科學問題之一，而應對氣候變化又是當前人類社會可持續發展面臨的艱巨挑戰。為解决這些問題，各國政府正在加大投入，包括氣候變化的基礎研究、清潔能源與可再生能源開發、水資源可持續利用等領域的研究。如該項目的主要貢獻者之一、美國工程院院士L. Ruby Leung研究員作為首席科學家，聯合美國能源部多個國家實驗室以及大學正在研發基於新一代E級超算、以能源為導向的地球系統模式（Exsascale-Energy-Earth System Model，E3SM），目的是為了更好地類比預估未來地球氣候系統的變化，為開發相關科技、製定相關政策提供科技支撐。海洋試點國家實驗室也一直將海洋與氣候變化作為重點研究方向之一，在模式發展、機理研究、未來變化預估協同全球優勢力量開展攻關，為構建人類命運共同體提供科技支撐。