与水相比，陆地的“热容量”较小，这意味着其温度显著升高所需的热量更少。
在气候变暖的背景下，海洋只需温度小幅上升即可通过蒸发水分实现自我降温。
然而，大陆通常水分供应有限，因此蒸发受到制约。
去年，全球气温比高出0.95摄氏度，相较于20世纪的平均水平。人类活动导致了约100%的这一变暖。
深入分析这些数据可以发现，地球陆地区域的气温高出1.43摄氏度，而同期海洋的平均气温则高出0.77摄氏度。这证明了近几十年来，全球大陆的升温速度快于海洋。
陆地与海洋温度变化之间的这种差异将在很大程度上塑造未来全球变暖的格局，并对人类产生重要影响。毕竟，人类更倾向于在陆地上生活。
那么，是什么驱动了这种变暖差异？这是一个看似简单却常被误解的问题。在本篇客座文章中，我将阐述一种针对陆海变暖差异的稳健的定量理论，该理论直到近几年才得以发展。
热容量
基础物理学表明，当向气候系统输入更多热量时，陆地应比海洋升温更快。这是因为与水相比，陆地的“热容量”较小，这意味着其温度升高所需的热量更少。
下图展示了在观测记录期间，地球陆地表面（黄色线）的升温速度如何快于海洋（深蓝色）。
NOAA地表温度记录中明显的陆地增温放大效应。图表显示陆地（黄色线）、海洋（深蓝色）以及陆海合并（浅蓝色）的年平均气温。所有数据均相对于1901至2000年。数据来源：NOAA；图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
这一效应在季节性气候系统的不同部分也可以观察到。例如，北半球春季太阳向赤道以北移动时，其能量会使印度相对于周边海洋迅速升温。这种加热差异在驱动南亚季风的风向逆转中发挥着关键作用。
陆地较小的热容量也有助于解释为何俄罗斯和美国中部等部分大陆地区夏季可能极为炎热，冬季却异常寒冷。这种现象被称为“大陆性气候”。
鉴于热容量在季节性陆海变暖差异中的核心作用，在试图解释气候变化下大陆为何比海洋升温更快时，热容量自然是出发点。但这一解释存在一个问题。
变暖差异
在一篇具有里程碑意义的1991年论文中，气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）及其同事使用一个早期气候模型，比较了气候系统对CO2逐步增加的瞬态响应与长期平衡态响应。
换言之，他们比较了CO2持续增加期间的气候，与CO2停止增长且气候最终稳定在新的、更温暖状态后的气候。
如果陆地与海洋之间的热容量差异是控制变暖差异的决定性因素，那么一旦海洋有足够时间升温，我们预计在平衡态下这种差异将会消失。
但真锅淑郎的发现并非如此。相反，他发现陆地与海洋升温的比率（现称为“放大因子”）在瞬态和平衡态实验中大致相似。
这表明，陆海变暖差异——如下图所示的本世纪末预估变暖情况——是气候变化的一种基本响应，并不受热容量控制。如果热容量无法解释气候变化中陆地增温的放大现象，那么还有什么能够解释呢？
超越热容量
第一种解释最初由真锅淑郎提出，涉及地表能量平衡。它描述了地球表面与其上方大气之间的能量交换。
当大气中的CO2浓度增加时，射向地球表面的辐射随之增加，从而导致气温上升。这是因为地表辐射出的更多热量被大气中的温室气体所截留。
但这种由CO2引起的地表增温程度，取决于其中有多少被局部致冷因素所抵消——即蒸发致冷，以及陆地表面与其上方空气之间干热交换所导致的致冷。（后者造成的大气增温也往往会抑制云的形成，从而可能导致陆地表面进一步干燥。）
海洋拥有无限的水分可供蒸发，因此在气候变暖时，只需气温小幅上升，便能通过蒸发越来越多的水分而有效地实现自我降温。另一方面，大陆通常水分供应有限，因此蒸发受到制约。
这意味着，在气候变暖中，大陆上进入地表的额外辐射有更多需要通过干热交换和长波辐射致冷来耗散，而非通过蒸散作用。这意味着，与可自由蒸发的海洋相比，大陆地表温度的上升幅度更大。
关于陆海变暖差异的这一“地表能量平衡”理论，也已在较新的研究中被提出。
这一关于大陆增温放大的解释直观易懂，并暗示了陆地“干燥度”在决定气温变化中的关键作用。但它仍需确凿的数据加以支持。
地表能量平衡理论存在的一个问题是，要在气候模式中准确体现该理论，就需要依赖陆地表面的特性——这些特性多样、复杂，且出了名地难以模拟。具体而言，量化蒸散作用将如何响应气候变化（这是地表能量平衡理论的关键要素）需要掌握区域土壤湿度和植被情况，以及这些特性自身如何随气候变化。这是一项艰巨的任务。
此外，上层大气中的因素同样重要：降雨和风将如何变化？影响陆地表面能量平衡的诸多过程意味着，以此框架为基础构建陆海变暖差异的定量理论具有挑战性。尽管这一视角在概念上颇具价值，但它对驱动变暖差异的物理机制的理解仍不完整。
一个新的观点
与地表能量平衡不同，大气动力学——即大气的运动及其热力学状态——支撑了过去十年间形成的关于陆海变暖差异的新认识。
在2008年的一篇论文中，Manoj Joshi教授——当时任职于英国气象局哈德利中心及雷丁大学，现任职于东安格利亚大学——首次指出，大气中的动力过程将陆地和海洋上空的温度与湿度联系在一起。
具体而言，他表明，随着气候变暖，递减率——即气温随高度下降的速率——在海洋上空的下降幅度比陆地上空更为显著。这是因为在任何时刻，海洋上空的空气通常比陆地上空含有更多的水汽。
这些对比鲜明的递减率变化解释了变暖差异：陆地递减率的减弱意味着，相对于海洋，陆地表面温度的上升幅度更大。
这一机制未必直观，但它依赖于大气动力学中已确立的过程。不同的递减率变化现已被普遍接受为陆海变暖差异的根本驱动因素，尤其是在低纬度地区（大致至北纬40度和南纬40度）。包括地中海在内的区域的增温放大现象，同样可以通过相同的递减率机制加以解释。
一个定量理论
Joshi在其2008年的论文中，为陆海变暖差异提出了一种新的概念性理解。但同样，该解释仍是定性的。
我与Paul O’Gorman教授（麻省理工学院）合作，意识到递减率论证可以被扩展并发展为一个定量理论。
关键的洞见在于：尽管陆地和海洋上空的温度与湿度变化差异很大，但Joshi所确定的大气动力学约束意味着，温度与湿度的某一特定组合——具体而言，静止气团所含的能量，即一个被称为“湿静力能”的物理量——的变化大致相等。这一洞见使我们得以推导出陆地气温变化的方程，相关成果发表于2018年。
我们的方程表明，陆地气温对气候变化的响应取决于两个因素：海洋变暖，以及当前气候条件下陆地的干燥程度。
陆地越干燥，升温越明显。该理论已在得到验证，气候模式中得到检验，并利用观测数据对过去40年进行了验证。该理论解释了为何干旱、少雨的亚热带地区的陆地增温预计尤为严重，同时也解释了近几十年来陆地相对湿度为何一直在下降。
该理论对未来陆地气温预估（各模式之间差异较大）的一项重要启示是：准确模拟当前气候下陆地的干燥程度至关重要，当前气候下，但由于陆地表面的复杂性，这在技术上颇为棘手。
鲜为人知
这一关于陆海变暖差异的新认识，已受到大气动力学和气候动力学研究界的好评。
但可以说，在更广泛的气候科学和气候影响研究界，人们仍不太了解陆海变暖差异是由干燥程度而非热容量差异所驱动的。
而在公众领域，它更是鲜为人知。就理论本身而言，一些研究人员认为，陆地表面的复杂性可以被归结为一个单一的“干燥度”参数，这一点令人惊讶。
我也觉得，像大陆气候这样复杂的系统，其响应竟然可以被浓缩为一个简单的方程，这既令人惊讶，也颇具启发性。我主张在气候科学中开展更多此类概念性研究。
