全球气候变化的影响与后果: 阈值和极端天气气候事件

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1 全球气候变化的影响与后果: 阈值和极端天气气候事件
丁一汇 中国气象局 国家气候中心 2010年9月29日

2 内容 一、前言 二、全球性影响和后果：气候系统的阈值、突变和不可逆性 三、区域性影响与后果：极端天气与气候事件 四、结语：内在联系

3 一、前言 概括起来，全球气候变化有两个方面的重大影响：气候变暖和极端天气与气候极端事件加剧与频发。前者是全球性和长期的，后者是区域或局地性短期的（急性发生与缓慢发生），原因不同，但相关密切。

4 二、全球性影响和后果：气候系统的阈值、突变和不可逆性
气候变化的影响和后果主要包括三个最为关注的问题：气候变化的不稳定性和阈值；气候的突变和不可逆性

5 气候变量对强迫的各种响应的概略示意图。上图表明强迫达到一新的稳定水平（左部），后来通过很长时间又回到原始水平（右部）。下图表明，气候变量的响应能够是平滑的（实线），或通过一分岔点向结构不同的状态过渡（虚线。过渡可能是快速的（突变，长虚线）或是逐渐的（短虚线），这决定于气候系统的内部动力学而不是强迫。长期行为也显示不同的可能性。当强迫回到其原来值时变化可能是不可逆的，这时系统处于不同的稳定态（虚实线），或是可逆的（实线，点线），这时过渡又可以是逐渐的或突然的。一个明显的例子是北大西洋温盐环流（MOC）对辐射强迫逐渐变化的响应。（IPCC，2007）

6 全球气候变化影响的阈值问题

7 气候突变和翻转点 临界阈值即指翻转点。在这一点上，如有小的强迫改变，则可能定性地改变一个系统的未来状态。而一种翻转要素是指具有一种翻转点的地球系统的一部分，它的尺度至少是次大陆的。政策关注的翻转要素是本世纪受人类活动强迫超过其翻转点的那些系统或部分。气候突变是翻转点变化中一种特别情况，即其发生十分突然，比其原因要快。另一方面，翻转点变化也包括比其原因要慢的过渡情况。（在上两种情况下，其变化速率决定于其系统本身），无论哪一种情况，状态的变化可以是可逆的，也可以是不可逆的。

8 可逆意味着当强迫又回到翻转点以下时，系统可回到它的原始状态，而突然的或逐渐的不可逆状态变化意味着系统将不会回到原始状态而是当强迫回复以后，系统将具有一种更大的变化。可逆性原则上并不意味着所产生的变化实际是可逆的。一种翻转要素可以落后于人类强迫的发生，以后一旦观测到过渡开始了，则状态的更大变化已经是不可避免了。因而翻转要素的这种响应特征是特别值得关注。因为它可以帮助人类建立早期预警系统。

9 地球气候系统的翻转点 根据对气候系统非线性动力学的认识，气候突变的研究与模式中模拟的气候变化状况表明地球系统存在着许多翻转点，有些模式在将来的预测中通过了翻转点，同时最近的观测也表明北极已经处于突变中。最近的研究揭示出9种政策关注的潜在翻转点要素，它们在本世纪有可能会通过翻转点，并在预测的气候变化下在未来千年中经历其过渡。9种翻转要素最为关注的有两种：最临近的（至少可避免的）与负面影响最大的。一般来讲，过渡期愈快，可逆性愈小，则影响愈大。另外，也必须关注使全球气候变化具有增幅反馈作用的翻转要素。这种相互作用，能使一种要素的翻转又引起另一种要素的翻转。 通过评估趋近程度,速率和可逆性并更详细地分析其影响，目前在全球范围内揭示出最受关注的地区及其翻转要素如下：北极（格陵兰冰盖）、南极（西南极）西非（干旱）与印度（夏季风）。

10 翻转点和气候变化增幅的反馈关系 翻转点经常会与气候变化的增幅相混淆。所有翻转点要素在其内部或区域气候动力学中，一定具有某种强的增幅反馈，以显示出一种阈值，但它们不需要对全球气候变化有增幅反馈作用。可能对全球气候变化具有增幅反馈作用的有亚马逊雨林，如果它一旦消亡，可变成CO2源，最终释放出～1000亿吨碳（C）温盐环流和多年冻土也具有全球气候变化的增幅反馈作用，前者的减弱或崩溃可导致CO2从海洋逸出，后者消融可释放～5000亿吨碳（C）。北半球森林和撒赫勒/撒哈拉对全球气候变化只是减弱的反馈作用，这是由于前者消亡一方面可释放CO2，另一方面这会被无遮掩的雪盖引起的反照率增加造成的冷却所超过；而后者是变绿吸收CO2，但可能又增加区域云盖。

11 是否存在一种全球性翻转点？ 全球性的翻转点只能发生在净增幅反馈作用变得足够强，以使全球系统通过其内部动力学具有一种状态变化的情况下。这是一种失控的全球气候变化。目前还没有足够的证据表明地球整个是处于这样一种阈值邻近，因而最好用增幅的气候变化来表述现在观测到的与将来预测的气候变化。CO2总的积累排放决定了气候变化，因而对全球平均温度变化十分敏感的上述翻转要素的未来状况是缓慢地作出响应，并具有相距甚远的翻转点，其中关键的例子是大冰盖。注意短生命期的温室气体（甲烷与对流层O3）也可增加北极迅速的增暖，其综合作用（CH4，BC，减少的硫酸盐气溶胶，N2O,，F－气体）可超过CO2的贡献。 接近翻转点的早期预警主要分析和检验相关指标，如果对扰动的响应减慢，一般反应的是系统接近不同类型翻转点的普遍特征。用古气候记录和模式模拟可以成功地检测出这种信号或指标，对于生态翻转点可考虑其方差，偏斜响应等。

12 可能出现翻转点或阈值，一旦超过阈值，将可能出现不可逆事件
由气候变化变化启动的物理和生物某些反馈过程，当通过某一阈值或翻转点时能够变成不可逆的。一个共同认同的科学事实是北极海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面积不断减少），到21世纪中期，夏季可能变成完全无冰。这在很大程度上是由于海冰融化与变暖间有正反馈作用。还可以列举出地球系统中存在着不少其它可能的翻转点和不可逆变化。其实，人类系统也有翻转点，如政治或经济体系的崩溃。因而存在超过这种阈值的可能性，因而由现在的趋势作用简单的外推有可能会低估将来气候变化的影响。由于耦合的人类－环境系统之复杂性很难准确地预测什么时候可能会趋近翻转点。但随着气候系统越来越移出自然变率，通过翻转点的概率会增加。

13 全球性接近阈值或翻转点的系统

14 （1）大西洋经向翻转环流（温盐环流MOC） 和其它海洋环流的变化
古气候研究中最确定的气候突变型是与海洋环流变化有关的突变型。从TAR以来大多数模式研究表明，在以后100年MOC将减弱以响应全球变暖，并且这种减弱的范围因模式而有差异，其变化范围到2100年从与自然变率不可区分到减弱50%以上。到2100年在SRES排放情景强迫下，没有一个AOGCM模拟显示突变。但某些长期的模拟给出，如果强迫大，则能发生MOC的完全中止。中等复杂的模式表明，MOC的阈值可能是存在的，但它依赖于模式中的增暖值和速率。很少一些AOGCM长期的模拟得到MOC的完全关闭，且可能是不可逆的。但在实现用AOGCM做千年模拟之前，潜在不可逆的重大问题仍然是得不到的。但无论是简化模式或AOGCM都一致得到，由全球变暖引起的MOC可能的完全关闭将用几十年到一个世纪的时间。并无直接的模式证明，MOC会在几十年内崩溃以响应全球变暖。

15 在未来100年中，全球变暖是否会通过北大西洋温盐环流的关闭导致气候突变，带来 灾难性影响？

16 北极仙女木花

17 从格陵兰冰芯中得到的样本，表明该地区曾在持续变暖的过程中出现过突然变冷的现象。
图

18 海洋环流的变化对全球气候变化的影响 全球温盐环流输送带示意图

19 已观测到北大西洋北部海水盐分在降低 年 北大西洋东部 盐度中值 丹麦海峡 拉布拉多海

20 纬向平均的海洋盐度线性趋势 兰色表示盐度减少 IPCC AR4

21 气候模式可以模拟和预测未来温盐环流变化 IPCC 9个模式模拟的温盐环流变化，预计在未来100年，温盐环流是不断减弱的（2001年结果）

22 最新的结果（2007年）表明大西洋温盐环流（MOC）将很可能 减缓
(IPCC,AR4,2007)

23 （2）北极海冰 北极海冰对全球变暖响应很敏感，虽然冬季海冰覆盖区变化适中，但预测表明到21世纪末海冰将几乎完全消失。气候系统中的许多正反馈加速海冰的变化。冰—反照率反馈使未冻结的海水在夏季接收到更多的太阳热量。通过暖水平流增加向北极的海洋热输送，更强的环流以后进一步减少冰盖。在9月可观测到海冰覆盖的最低值。模式模拟表明，9月的冰盖由于全球变暖而大量减少，一般是据变暖的时间尺度演变，由于持续增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。

24 观测与模拟的9月北极海冰区面积变化的比较（单位：百万平方公里）实线是13个模式的集合预测，虚线是变化范围，红线是实况。（Stoeve et al.，2008）.2009年达5.10百万平方公里是记录中的第3个最低年，仍然低于IPCC预测的最低值之下。

25 多年海冰和第一年海冰比例的演变趋势（第一年海冰：形成于去年9月，直到今年的融化季（冬季）第二年冰指前一年冬季形成的冰。以2009年春为例，2008年9月－2009年融化季开始为第一年冰；2007－2008年冬季的冰为第2年冰）第一年冰更薄，更易快速融化，虽然面积较大，多年老冰在快速减少。 （ Climate compendium，2009 ）

26 （3）冰川 冰川和冰盖对温度和降水的变化敏感。在过去20年观测表明，它们的体积在减少， 年减少率是0.77±0.22mmyr-1海平面当量，而 年平均减少率为0.5±0.18mmyr-1海平面当量。因而已经发生了迅速的变化，并通过冰川缩小和冰川周边区新暴露的陆面之地面能量平衡引起的正反馈机制而得到增强。在以后几十年冰川可能加速损失。根据不同地区11条冰川的模拟，到2050年预测这些冰川体积损失达60%，美洲的冰川区也受到影响。7个GCM CO2加倍模拟表明，由于高度平衡线增加，许多冰川将完全消失。这些冰体的消失速度比潜在的需几个世纪的冰川重建时间要快得多，在某些地区可能是不可逆的。

27 （4）格陵兰与西南极冰盖 突然气候变化的另外例子是格陵兰冰盖的迅速解体与西南极冰盖的突然崩塌。模式模拟和观测表明，北半球高纬的增暖加速了格陵兰冰盖的融化，由于加强的水圈循环而造成的增多的积雪不能补偿这种融化带来的冰量损失,结果格陵兰冰盖在未来几世纪可能大大缩小。此外结果还表明，存在着一个临界温度阈值，超过这个阈值南极冰盖可预期完全消失。但整个格陵兰冰盖的完全融化是一个缓慢的过程，将用几个世纪的时间完成，其结果是使全球海平面上升约7m。这个阈值为全球平均增暖 ℃。

28 Greenland Total Melt Area – 2007 value exceeds last maximum by 10%
格陵兰总融化区 Greenland Total Melt Area – 2007 value exceeds last maximum by 10% Konrad Steffen and Russell Huff, CIRES, University of Colorado at Boulder 28

29 西南极冰盖崩溃的脆弱性 灰色区域是西南极高于海平面的地形，棕色是低于海平面的地形，是受到快速冰溃的地区。它的变化范围为0－海平面下2000米。西南极冰架未绘出。在东南极高于海平面200米的地区用蓝色表示 （ Climate compendium，2009）

30 西南极冰盖（WAIS）的崩溃被认为是全球变暖另一潜在的响应，目前已引起新的关注，这包括完全崩溃后可引起海平面上升5m左右。在WAIS Amundsen海部分的冰流在加速，这个信号向上游传播的快速性，以及Larsen B冰架崩溃后流入该区的冰川的加速都引起了人们的关注。冰架的存在可能使冰盖得以稳定，至少在区域尺度上。这是由于冰盖前缘的冰架可以支撑冰流的下滑，但目前尚不清楚，一旦对这种较小范围冰盖的支撑作用减弱或消失，是否会启动一场大范围众多冰流的发生，以后再导致整个西南极冰盖的失稳。

31 （5）植被覆盖 过去经常发生植被覆盖及其组成不可逆的比较迅速的变化。最突出的例子是4-6千年前撒哈拉地区的沙漠化。其原因被认为是植物群落受到了温度和降水的严重影响，一旦临界水平被超过，某些物种在其生态系统内部将丧失竞争力。接近植被边界的地区将具有特别大而迅速的变化，这是由于全球变暖会引起这些边界发生缓慢的迁移。 气候模式对将来的模拟还表明，南美的干暖化将导致亚马逊森林的不断减少。虽然在21世纪是连续演变的。但这种变化和最终的消失可能是不可逆的。但这个结果取决于模式，因11个AOGCM的分析表明，亚马逊地区将来的可能降雨变化范围甚广。

32 在全球变暖背景下，土壤在全球碳循环中作用的变化可能导致发生“气候意外”：随着CO2浓度增加，从全球平均看，土壤作为碳汇累计起碳，这是由于陆地生物圈能加速增长。但是约到2050年，模式模拟表明，通过呼吸作用增加而释放以前积累的碳可使土壤变成碳源。呼吸作用增加是由于温度和降水增加引起。这代表了使大气CO2增加的一种正反馈过程。各模式的反馈符号是一致的，只是强度有不确定性。但是这种呼吸的增加是由更为暖湿的气候引起。由中等程度的汇转变为强大气碳源是相当迅速的，20年内可以发生，但是开始或爆发的时间是不肯定的。模式比较揭示，一旦这种过程开始，呼吸的增加，即使在CO2水平保持不变情况也会继续下去。十分清楚，陆地生物圈与物理气候系统之间的反馈机制是存在的，它能定性和定量地改变对辐射强迫增加的响应。

33 （6）大气和海—气状况 天气型和状况的变化能够是一种自发发生的突然过程。这是由气—冰—海洋系统中的动力相互作用造成，或由缓慢外强迫作用超过系统阈值的一种显示，这种突变表现热带太平洋SST中，如ENSO有更多的正位相，也表现在平流层极地涡旋的变化，将使AO或NAO出现向负位相发展的趋势，导致更经常的经向环流发生。气候的冷暖变幅将更大。

34 由大气环流（诸如NAO）变化引起的温度变化在某些地区（如北欧）能超过长期的全球变暖，而变暖又是引起这种年代际状态改变的原因。因而人类活动引起的强迫与系统的气候内部变率可能有一定的相互作用，这是近年来提出的人类产生的气候变化下的自然变率及其相互作用问题。

35 太平洋年代/年代际振荡（PDO/IPO）。上图：1901-2004年EOF主模态分布，下图：年时间序列，从1978年开始处于正位相阶段。
IPCC,2007

36 3）AO或NAO处于负位相 17 冬季标准化NAO（北大西洋涛动）指数长期变化。

37 1866-2005年南方涛动指数（SOI）红线代表厄尔尼诺事件
IPCC,2007

38 上图说明为什么正AO带来温暖气候，负AO带来寒冷气候 （引自www.SEPP.org,2010）

39 2009-2010冬季是近50年最冷的冬天 阻塞高压在两大洋强烈地伸向北极，使北极的平流层和中上对流层极为温暖，而中纬度出现严寒
负的AO指数 阻塞高压在两大洋强烈地伸向北极，使北极的平流层和中上对流层极为温暖，而中纬度出现严寒

40 阈值提出的原因 UNFCCC中第二条指出：公约以及任何相关的法律条文的最终目的是把大气中温室气体的浓度稳定在一定水平上，以防止对气候系统产生危险的人类干扰，使生态系统有足够的时间自然地适应气候变化，确保粮食生产不受威胁，和经济得到可持续发展。 因而需要确定：什么构成了危险的人类干扰？这涉及价值判断问题；但科学能够为此提供信息化决策，即主要提出关键脆弱性判据。因而关键脆弱性是确定气候变化阈值的前提和条件。

41 关键脆弱性的判据与阈值 关键脆弱性与许多气候敏感系统有关。包括粮食供应，基础设施，健康，水资源，沿岸系统，生态系统，全球地球化学循环，冰盖以及海洋和大气环流模态。判据是： 影响的量值 影响的时间 影响的持续性和可逆性 影响与脆弱性发生的可能性与估算的信度 适应的潜力

42 未来气候变化对不同部门的影响 升温1～1.5℃，缺水人口增加4-11亿 升温3～4℃，缺水人口增加11-32亿
如果全球平均增温幅度超过2～3℃，在目前所评估到的物种中，约20%～30%可能会灭绝 全球升温1.5-2ºC，粮食减产的风险增大； 如果全球平均温度升高大约3ºC，全球粮食生产的潜力可能随之增大，但是如果升温超过3ºC，潜力则会随之变小(IPCC WGII TS) 2℃以下的升温都很可能对健康造成不利影响 甚至2℃以下的升温都会导致极端事件强度、频度和位置发生改变 全球升温2～3℃以上的话，冬季降水强烈增加而积雪减少，许多地区洪水多发 比工业化前升温2℃

43 假El Nino（motoki型）的影响 日本气象厅，2010

44 三、区域性影响与后果：极端天气与气候事件
极端事件是指某个和某些气象变量出现极值的事件，如它经常造成严重的气象灾害，如暴雨/洪水，强风（如温带和热带气旋引起）高温（如热浪）等。极值一般被定义为达到最大值或超过已有的阈值的高值。这些事件一般是罕见的。可用概率和重现期表示。如0.01的出现概率对应100年为重现期（百年一遇）。极端事件与前面讨论的 气候的阈值有密切关系，但又明显不同：（1）它不是全球性的，而是区域和局地的现象；（2）它的时间尺度是短的，只是发生在某一时间和某一时段内。而气候阈值是指长期变化（几十年和几百年）趋势中超过某一临界值的现象。 (D.B.Stephenson,2008)

45 极端事件有多方面的特性 （1）发生的速率（单位时间的概率）； （2）量值（强度） （3）时间长度（和生命史）和发生时间
（4）空间尺度（印痕） （5）多变量相互关系 IPCC（2001）定义了“复杂极端事件，即与某种特定现象相关联的强天气，经常要求多变量的关键性组合。

46 罕见和非强烈，急性（快速）事件，如台风的天气/气候事件
极端天气和气候事件的分类 罕见的天气/气候事件 罕见的天气/气候事件 罕见性 罕见和强烈事件 罕见和非强烈事件 强烈程度 罕见和非强烈，急性（快速）事件，如台风的天气/气候事件 罕见和非强烈慢性事件，如低温期 罕见和强烈快速事件，如暴雨、雷暴 罕见和强烈慢性事件，如干旱 快速性 (D.B.Stephenson,2008)

47 简单极端事件的点过程诊断 IPCC定义简单极端事件为个别局地天气变量连续地超过临界水平（或阈值）的事件。这是复杂极端事件的一个高度简化情况。由于超过临界值的现象是在不规则的时间点发生，并且超过的量值趋于明显，呈偏斜分布，所以由此组成的时间序列不适于用通常的时间序列分析方法。但可把超过临界值的现象看作是一种标记性点过程的随机过程，即具有随机量标记（超过临界值的多余量）的过程，它随时间发生在随机点上。

48 阈值的选取 （1）最简单的方法是据影响程度选一个常数阈值。如最低温度25℃为热浪阈值（日本），但这种常值阈值随气候变化要变化的。
（2）更相对的方法是根据每一地点某些变量的经验分布选取常数阈值。如90%分位，这确保10%的事件是极端的，因而它是根据罕见性定义极端性的。 （3）时变阈值。如可选取阈值为所有从观测到的值的最大值，以此可定义该事件是破纪录的。也可选趋势阈值以考虑气候变化的非定常性和非稳定性。如由全球变暖引起的气候基态发生了变化，则应选择新的阈值来进行计算。这可避免目前常说的一种现象，即极端事件将变成常态的说法。 极端事件的量值：需要用长尾概率分布去拟合观测的超出值，即用广义Pareto分布（GPD）

49 极端事件的起源 （1）演变性原理，极端事件并不是自发产生的，而是由于不太极端的事件连续演变而来，以后由于某种原因停止演变而变成较为极端的事件。 （2）定常性原理：诸如局地最大和最小值的极值是定常状态的，其振幅变化率是零。这种特征意味着，对于这些极值其强迫与耗散倾向是平衡的，引起极端事件的 各种过程如下： （1）由正反馈引起的不稳定性造成的迅速增长 （2）天气系统移入一新的地点和进入不同的时期 （3）一些非极端事件的同时发生 （4）活动集中在间断地区（如ITCZ的降水） （5）天气的持续性和频繁再现 （6）自然的随机/混沌变化

50 四、结语：内在联系 全球变暖和极端天气气候事件虽然空间和时间尺度不同，但有内在的联系，现以与降水有关的极端天气气候事件说明。
气候变化通过两种方式改变水循环：1、通过海洋蒸发增加大气中的实际水汽含量；又通过气温升高增加大气的持水能力。2、通过改变大气环流的区域模态使水汽重新再分配。在经向环流型盛行的情况下，水汽的纬向输送受阻，产生异常的水汽辐合、辐散区，从而导致暴雨和干旱区的并存。

51 气候变暖与水循环及其与极端天气气候事件关系的示意图 （Trenberth,1998)
温室气体增加 辐射强迫增加 （全球变暖） 地面加热 地面潜热 （取决于水汽多少） 温度增加 蒸发增加 大气持水量增加 （饱和比湿增加） 大气水汽含量增加 （实际比湿增加，RH不增） 云 雷暴 冷锋 热带气旋 飓风与台风 温带气旋 雪暴 径流增加 洪水增加 所有降水系统 依靠可用水汽 量维持并导致 降水率和反馈增加 总降水量？(系统 生命期和大小 ， 垂直热量输送 使系统稳定) 降水率增加 潜热加热 增加 风暴强度 增强 气候变暖与水循环及其与极端天气气候事件关系的示意图 （Trenberth,1998)

52 2009年7月日本梅雨季多云雨的原因：丝绸之路遥相关的作用
（JMA，2010）

53 夏季亚洲区域极端气候事件可能机理概念图   /  t; LFO; Monsoon; Forced

54 2010年8月月平均 500hpa高度场 （JMA，2010） Monthly mean 500-hPa height and anomaly in the Northern Hemisphere (August 2010) Contours show heights at an interval of 60 m. Shaded patterns show height anomalies. Base periodfor the normal is

55 2010年夏季（6－8月）温度等级分布 Three-month mean temperature anomaly (normalized) category (June August 2010)（JMA，2010）

56 2010年500hpa高度场和850hpa温度场分布 Three-month mean 500-hPa height and anomaly (left) and 850-hPa temperature and anomaly (right) in the Northern Hemisphere (June August 2010) Contour intervals are 60 m (left) and 3 degree C (right). Shaded patterns show anomalies. Base period for normal is （JMA，2010）

57 2009年6~7月500hpa高度场（实线，单位：gpm）、温度场(虚线，单位：)、30年高度距平场（阴影，单位：gpm）分布（梅其珍等，2010）

58 2009冬季与2008年冬季温度距平场分布 （柳艳菊等，2010）

59 500hPa 高度场异常 2008年1月10日-2月3日 2009年12月11日-2010年1月20日 （柳艳菊等，2010）

60 AO 的变化 正AO 负AO （柳艳菊等，2010）

61 -完-