1、全球氣候變化的影響與后果:閾值和極端天氣氣候事件,丁一匯 中國氣象局 國家氣候中心 2010年9月29日,內容,一、前言 二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性 三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件 四、結語：內在聯(lián)系,一、前言,概括起來，全球氣候變化有兩個方面的重大影響：氣候變暖和極端天氣與氣候極端事件加劇與頻發(fā)。前者是全球性和長期的，后者是區(qū)域或局地性短期的（急性發(fā)生與緩慢發(fā)生），原因不同，但相關密切。,二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性,氣候變化的影響和后果主要包括三個最為關注的問題：氣候變化的不穩(wěn)定性和閾值；氣候的突變和不可逆性,氣候變量對強迫的各種

2、響應的概略示意圖。上圖表明強迫達到一新的穩(wěn)定水平（左部），后來通過很長時間又回到原始水平（右部）。下圖表明，氣候變量的響應能夠是平滑的（實線），或通過一分岔點向結構不同的狀態(tài)過渡（虛線。過渡可能是快速的（突變，長虛線）或是逐漸的（短虛線），這決定于氣候系統(tǒng)的內部動力學而不是強迫。長期行為也顯示不同的可能性。當強迫回到其原來值時變化可能是不可逆的，這時系統(tǒng)處于不同的穩(wěn)定態(tài)（虛實線），或是可逆的（實線，點線），這時過渡又可以是逐漸的或突然的。一個明顯的例子是北大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）對輻射強迫逐漸變化的響應。（IPCC，2007）,全球氣候變化影響的閾值問題,氣候突變和翻轉點,臨界閾值即指翻轉點。

3、在這一點上，如有小的強迫改變，則可能定性地改變一個系統(tǒng)的未來狀態(tài)。而一種翻轉要素是指具有一種翻轉點的地球系統(tǒng)的一部分，它的尺度至少是次大陸的。政策關注的翻轉要素是本世紀受人類活動強迫超過其翻轉點的那些系統(tǒng)或部分。氣候突變是翻轉點變化中一種特別情況，即其發(fā)生十分突然，比其原因要快。另一方面，翻轉點變化也包括比其原因要慢的過渡情況。（在上兩種情況下，其變化速率決定于其系統(tǒng)本身），無論哪一種情況，狀態(tài)的變化可以是可逆的，也可以是不可逆的。,可逆意味著當強迫又回到翻轉點以下時，系統(tǒng)可回到它的原始狀態(tài)，而突然的或逐漸的不可逆狀態(tài)變化意味著系統(tǒng)將不會回到原始狀態(tài)而是當強迫回復以后，系統(tǒng)將具有一種更大的變化

4、?？赡嫘栽瓌t上并不意味著所產生的變化實際是可逆的。一種翻轉要素可以落后于人類強迫的發(fā)生，以后一旦觀測到過渡開始了，則狀態(tài)的更大變化已經是不可避免了。因而翻轉要素的這種響應特征是特別值得關注。因為它可以幫助人類建立早期預警系統(tǒng)。,地球氣候系統(tǒng)的翻轉點,根據(jù)對氣候系統(tǒng)非線性動力學的認識，氣候突變的研究與模式中模擬的氣候變化狀況表明地球系統(tǒng)存在著許多翻轉點，有些模式在將來的預測中通過了翻轉點，同時最近的觀測也表明北極已經處于突變中。最近的研究揭示出9種政策關注的潛在翻轉點要素，它們在本世紀有可能會通過翻轉點，并在預測的氣候變化下在未來千年中經歷其過渡。9種翻轉要素最為關注的有兩種：最臨近的（至少可避

5、免的）與負面影響最大的。一般來講，過渡期愈快，可逆性愈小，則影響愈大。另外，也必須關注使全球氣候變化具有增幅反饋作用的翻轉要素。這種相互作用，能使一種要素的翻轉又引起另一種要素的翻轉。 通過評估趨近程度,速率和可逆性并更詳細地分析其影響，目前在全球范圍內揭示出最受關注的地區(qū)及其翻轉要素如下：北極（格陵蘭冰蓋）、南極（西南極）西非（干旱）與印度（夏季風）。,翻轉點和氣候變化增幅的反饋關系,翻轉點經常會與氣候變化的增幅相混淆。所有翻轉點要素在其內部或區(qū)域氣候動力學中，一定具有某種強的增幅反饋，以顯示出一種閾值，但它們不需要對全球氣候變化有增幅反饋作用。可能對全球氣候變化具有增幅反饋作用的有亞馬遜雨

6、林，如果它一旦消亡，可變成CO2源，最終釋放出1000億噸碳（C）溫鹽環(huán)流和多年凍土也具有全球氣候變化的增幅反饋作用，前者的減弱或崩潰可導致CO2從海洋逸出，后者消融可釋放5000億噸碳（C）。北半球森林和撒赫勒/撒哈拉對全球氣候變化只是減弱的反饋作用，這是由于前者消亡一方面可釋放CO2，另一方面這會被無遮掩的雪蓋引起的反照率增加造成的冷卻所超過；而后者是變綠吸收CO2，但可能又增加區(qū)域云蓋。,是否存在一種全球性翻轉點？,全球性的翻轉點只能發(fā)生在凈增幅反饋作用變得足夠強，以使全球系統(tǒng)通過其內部動力學具有一種狀態(tài)變化的情況下。這是一種失控的全球氣候變化。目前還沒有足夠的證據(jù)表明地球整個是處于這樣

7、一種閾值鄰近，因而最好用增幅的氣候變化來表述現(xiàn)在觀測到的與將來預測的氣候變化。CO2總的積累排放決定了氣候變化，因而對全球平均溫度變化十分敏感的上述翻轉要素的未來狀況是緩慢地作出響應，并具有相距甚遠的翻轉點，其中關鍵的例子是大冰蓋。注意短生命期的溫室氣體（甲烷與對流層O3）也可增加北極迅速的增暖，其綜合作用（CH4，BC，減少的硫酸鹽氣溶膠，N2O,，F(xiàn)氣體）可超過CO2的貢獻。 接近翻轉點的早期預警主要分析和檢驗相關指標，如果對擾動的響應減慢，一般反應的是系統(tǒng)接近不同類型翻轉點的普遍特征。用古氣候記錄和模式模擬可以成功地檢測出這種信號或指標，對于生態(tài)翻轉點可考慮其方差，偏斜響應等。,可能出現(xiàn)

8、翻轉點或閾值，一旦超過閾值，將可能出現(xiàn)不可逆事件,由氣候變化變化啟動的物理和生物某些反饋過程，當通過某一閾值或翻轉點時能夠變成不可逆的。一個共同認同的科學事實是北極海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面積不斷減少），到21世紀中期，夏季可能變成完全無冰。這在很大程度上是由于海冰融化與變暖間有正反饋作用。還可以列舉出地球系統(tǒng)中存在著不少其它可能的翻轉點和不可逆變化。其實，人類系統(tǒng)也有翻轉點，如政治或經濟體系的崩潰。因而存在超過這種閾值的可能性，因而由現(xiàn)在的趨勢作用簡單的外推有可能會低估將來氣候變化的影響。由于耦合的人類環(huán)境系統(tǒng)之復雜性很難準確地預測什么時候可能會趨近翻轉點。但隨著氣候系統(tǒng)越來越移出自然

9、變率，通過翻轉點的概率會增加。,全球性接近閾值或翻轉點的系統(tǒng),（1）大西洋經向翻轉環(huán)流（溫鹽環(huán)流MOC）和其它海洋環(huán)流的變化,古氣候研究中最確定的氣候突變型是與海洋環(huán)流變化有關的突變型。從TAR以來大多數(shù)模式研究表明，在以后100年MOC將減弱以響應全球變暖，并且這種減弱的范圍因模式而有差異，其變化范圍到2100年從與自然變率不可區(qū)分到減弱50%以上。到2100年在SRES排放情景強迫下，沒有一個AOGCM模擬顯示突變。但某些長期的模擬給出，如果強迫大，則能發(fā)生MOC的完全中止。中等復雜的模式表明，MOC的閾值可能是存在的，但它依賴于模式中的增暖值和速率。很少一些AOGCM長期的模擬得到MOC

10、的完全關閉，且可能是不可逆的。但在實現(xiàn)用AOGCM做千年模擬之前，潛在不可逆的重大問題仍然是得不到的。但無論是簡化模式或AOGCM都一致得到，由全球變暖引起的MOC可能的完全關閉將用幾十年到一個世紀的時間。并無直接的模式證明，MOC會在幾十年內崩潰以響應全球變暖。,在未來100年中，全球變暖是否會通過北大西洋溫鹽環(huán)流的關閉導致氣候突變，帶來災難性影響？,北極仙女木花,從格陵蘭冰芯中得到的樣本，表明該地區(qū)曾在持續(xù)變暖的過程中出現(xiàn)過突然變冷的現(xiàn)象。,圖,全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖,海洋環(huán)流的變化對全球氣候變化的影響,鹽度中值,年,北大西洋東部,丹麥海峽,拉布拉多海,已觀測到北大西洋北部海水鹽分在降低

11、,緯向平均的海洋鹽度線性趨勢,蘭色表示鹽度減少,IPCC AR4,IPCC 9個模式模擬的溫鹽環(huán)流變化，預計在未來100年，溫鹽環(huán)流是不斷減弱的（2001年結果）,氣候模式可以模擬和預測未來溫鹽環(huán)流變化,最新的結果（2007年）表明大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）將很可能 減緩,(IPCC,AR4,2007),（2）北極海冰,北極海冰對全球變暖響應很敏感，雖然冬季海冰覆蓋區(qū)變化適中，但預測表明到21世紀末海冰將幾乎完全消失。氣候系統(tǒng)中的許多正反饋加速海冰的變化。冰反照率反饋使未凍結的海水在夏季接收到更多的太陽熱量。通過暖水平流增加向北極的海洋熱輸送，更強的環(huán)流以后進一步減少冰蓋。在9月可觀測到海冰覆蓋

12、的最低值。模式模擬表明，9月的冰蓋由于全球變暖而大量減少，一般是據(jù)變暖的時間尺度演變，由于持續(xù)增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。,觀測與模擬的9月北極海冰區(qū)面積變化的比較（單位：百萬平方公里）實線是13個模式的集合預測，虛線是變化范圍，紅線是實況。（Stoeve et al.，2008）.2009年達5.10百萬平方公里是記錄中的第3個最低年，仍然低于IPCC預測的最低值之下。,多年海冰和第一年海冰比例的演變趨勢（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年春為例，2008年9月2009年融化季開始為第一年冰；20072008年冬季的冰為第2

13、年冰）第一年冰更薄，更易快速融化，雖然面積較大，多年老冰在快速減少。 （ Climate compendium，2009 ）,（3）冰川,冰川和冰蓋對溫度和降水的變化敏感。在過去20年觀測表明，它們的體積在減少，1993-2003年減少率是0.770.22mmyr-1海平面當量，而1961-1998年平均減少率為0.50.18mmyr-1海平面當量。因而已經發(fā)生了迅速的變化，并通過冰川縮小和冰川周邊區(qū)新暴露的陸面之地面能量平衡引起的正反饋機制而得到增強。在以后幾十年冰川可能加速損失。根據(jù)不同地區(qū)11條冰川的模擬，到2050年預測這些冰川體積損失達60%，美洲的冰川區(qū)也受到影響。7個GCM CO

14、2加倍模擬表明，由于高度平衡線增加，許多冰川將完全消失。這些冰體的消失速度比潛在的需幾個世紀的冰川重建時間要快得多，在某些地區(qū)可能是不可逆的。,（4）格陵蘭與西南極冰蓋,突然氣候變化的另外例子是格陵蘭冰蓋的迅速解體與西南極冰蓋的突然崩塌。模式模擬和觀測表明，北半球高緯的增暖加速了格陵蘭冰蓋的融化，由于加強的水圈循環(huán)而造成的增多的積雪不能補償這種融化帶來的冰量損失,結果格陵蘭冰蓋在未來幾世紀可能大大縮小。此外結果還表明，存在著一個臨界溫度閾值，超過這個閾值南極冰蓋可預期完全消失。但整個格陵蘭冰蓋的完全融化是一個緩慢的過程，將用幾個世紀的時間完成，其結果是使全球海平面上升約7m。這個閾值為全球平均

15、增暖1.9-4.6。,Konrad Steffen and Russell Huff, CIRES, University of Colorado at Boulder,格陵蘭總融化區(qū) Greenland Total Melt Area 2007 value exceeds last maximum by 10%,西南極冰蓋崩潰的脆弱性 灰色區(qū)域是西南極高于海平面的地形，棕色是低于海平面的地形，是受到快速冰潰的地區(qū)。它的變化范圍為0海平面下2000米。西南極冰架未繪出。在東南極高于海平面200米的地區(qū)用藍色表示 （ Climate compendium，2009）,西南極冰蓋（WAIS）的崩潰

16、被認為是全球變暖另一潛在的響應，目前已引起新的關注，這包括完全崩潰后可引起海平面上升5m左右。在WAIS Amundsen海部分的冰流在加速，這個信號向上游傳播的快速性，以及Larsen B冰架崩潰后流入該區(qū)的冰川的加速都引起了人們的關注。冰架的存在可能使冰蓋得以穩(wěn)定，至少在區(qū)域尺度上。這是由于冰蓋前緣的冰架可以支撐冰流的下滑，但目前尚不清楚，一旦對這種較小范圍冰蓋的支撐作用減弱或消失，是否會啟動一場大范圍眾多冰流的發(fā)生，以后再導致整個西南極冰蓋的失穩(wěn)。,（5）植被覆蓋,過去經常發(fā)生植被覆蓋及其組成不可逆的比較迅速的變化。最突出的例子是4-6千年前撒哈拉地區(qū)的沙漠化。其原因被認為是植物群落受到

17、了溫度和降水的嚴重影響，一旦臨界水平被超過，某些物種在其生態(tài)系統(tǒng)內部將喪失競爭力。接近植被邊界的地區(qū)將具有特別大而迅速的變化，這是由于全球變暖會引起這些邊界發(fā)生緩慢的遷移。 氣候模式對將來的模擬還表明，南美的干暖化將導致亞馬遜森林的不斷減少。雖然在21世紀是連續(xù)演變的。但這種變化和最終的消失可能是不可逆的。但這個結果取決于模式，因11個AOGCM的分析表明，亞馬遜地區(qū)將來的可能降雨變化范圍甚廣。,在全球變暖背景下，土壤在全球碳循環(huán)中作用的變化可能導致發(fā)生“氣候意外”：隨著CO2濃度增加，從全球平均看，土壤作為碳匯累計起碳，這是由于陸地生物圈能加速增長。但是約到2050年，模式模擬表明，通過呼吸

18、作用增加而釋放以前積累的碳可使土壤變成碳源。呼吸作用增加是由于溫度和降水增加引起。這代表了使大氣CO2增加的一種正反饋過程。各模式的反饋符號是一致的，只是強度有不確定性。但是這種呼吸的增加是由更為暖濕的氣候引起。由中等程度的匯轉變?yōu)閺姶髿馓荚词窍喈斞杆俚模?0年內可以發(fā)生，但是開始或爆發(fā)的時間是不肯定的。模式比較揭示，一旦這種過程開始，呼吸的增加，即使在CO2水平保持不變情況也會繼續(xù)下去。十分清楚，陸地生物圈與物理氣候系統(tǒng)之間的反饋機制是存在的，它能定性和定量地改變對輻射強迫增加的響應。,（6）大氣和海氣狀況,天氣型和狀況的變化能夠是一種自發(fā)發(fā)生的突然過程。這是由氣冰海洋系統(tǒng)中的動力相互作用造

19、成，或由緩慢外強迫作用超過系統(tǒng)閾值的一種顯示，這種突變表現(xiàn)熱帶太平洋SST中，如ENSO有更多的正位相，也表現(xiàn)在平流層極地渦旋的變化，將使AO或NAO出現(xiàn)向負位相發(fā)展的趨勢，導致更經常的經向環(huán)流發(fā)生。氣候的冷暖變幅將更大。,由大氣環(huán)流（諸如NAO）變化引起的溫度變化在某些地區(qū)（如北歐）能超過長期的全球變暖，而變暖又是引起這種年代際狀態(tài)改變的原因。因而人類活動引起的強迫與系統(tǒng)的氣候內部變率可能有一定的相互作用，這是近年來提出的人類產生的氣候變化下的自然變率及其相互作用問題。,太平洋年代/年代際振蕩（PDO/IPO）。上圖：1901-2004年EOF主模態(tài)分布，下圖：年時間序列，從1978年開始處

20、于正位相階段。,IPCC,2007,3）AO或NAO處于負位相,冬季標準化NAO（北大西洋濤動）指數(shù)長期變化。,1866-2005年南方濤動指數(shù)（SOI）紅線代表厄爾尼諾事件,IPCC,2007,上圖說明為什么正AO帶來溫暖氣候，負AO帶來寒冷氣候 （引自www.SEPP.org,2010）,正AO,負AO,負的AO指數(shù),2009-2010冬季是近50年最冷的冬天,阻塞高壓在兩大洋強烈地伸向北極，使北極的平流層和中上對流層極為溫暖，而中緯度出現(xiàn)嚴寒,閾值提出的原因,UNFCCC中第二條指出：公約以及任何相關的法律條文的最終目的是把大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在一定水平上，以防止對氣候系統(tǒng)產生危險的

21、人類干擾，使生態(tài)系統(tǒng)有足夠的時間自然地適應氣候變化，確保糧食生產不受威脅，和經濟得到可持續(xù)發(fā)展。 因而需要確定：什么構成了危險的人類干擾？這涉及價值判斷問題；但科學能夠為此提供信息化決策，即主要提出關鍵脆弱性判據(jù)。因而關鍵脆弱性是確定氣候變化閾值的前提和條件。,關鍵脆弱性的判據(jù)與閾值,關鍵脆弱性與許多氣候敏感系統(tǒng)有關。包括糧食供應，基礎設施，健康，水資源，沿岸系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)，全球地球化學循環(huán)，冰蓋以及海洋和大氣環(huán)流模態(tài)。判據(jù)是： 影響的量值 影響的時間 影響的持續(xù)性和可逆性 影響與脆弱性發(fā)生的可能性與估算的信度 適應的潛力,如果全球平均增溫幅度超過23，在目前所評估到的物種中，約20%30%可

22、能會滅絕,升溫11.5，缺水人口增加4-11億 升溫34，缺水人口增加11-32億,全球升溫1.5-2C，糧食減產的風險增大； 如果全球平均溫度升高大約3C，全球糧食生產的潛力可能隨之增大，但是如果升溫超過3C，潛力則會隨之變小(IPCC WGII TS),2以下的升溫都很可能對健康造成不利影響,未來氣候變化對不同部門的影響,比工業(yè)化前升溫2,甚至2以下的升溫都會導致極端事件強度、頻度和位置發(fā)生改變 全球升溫23以上的話，冬季降水強烈增加而積雪減少，許多地區(qū)洪水多發(fā),日本氣象廳，2010,假El Nino（motoki型）的影響,三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件,極端事件是指某個和某些

23、氣象變量出現(xiàn)極值的事件，如它經常造成嚴重的氣象災害，如暴雨/洪水，強風（如溫帶和熱帶氣旋引起）高溫（如熱浪）等。極值一般被定義為達到最大值或超過已有的閾值的高值。這些事件一般是罕見的?？捎酶怕屎椭噩F(xiàn)期表示。如0.01的出現(xiàn)概率對應100年為重現(xiàn)期（百年一遇）。極端事件與前面討論的 氣候的閾值有密切關系，但又明顯不同：（1）它不是全球性的，而是區(qū)域和局地的現(xiàn)象；（2）它的時間尺度是短的，只是發(fā)生在某一時間和某一時段內。而氣候閾值是指長期變化（幾十年和幾百年）趨勢中超過某一臨界值的現(xiàn)象。,(D.B.Stephenson,2008),極端事件有多方面的特性,（1）發(fā)生的速率（單位時間的概率）； （2

24、）量值（強度） （3）時間長度（和生命史）和發(fā)生時間 （4）空間尺度（印痕） （5）多變量相互關系 IPCC（2001）定義了“復雜極端事件，即與某種特定現(xiàn)象相關聯(lián)的強天氣，經常要求多變量的關鍵性組合。,極端天氣和氣候事件的分類,罕見的天氣/氣候事件,罕見的天氣/氣候事件,罕見和強烈事件,罕見和非強烈事件,罕見和強烈快速事件，如暴雨、雷暴,罕見和強烈慢性事件，如干旱,罕見和非強烈，急性（快速）事件，如臺風的天氣/氣候事件,罕見和非強烈慢性事件，如低溫期,罕見性,強烈程度,快速性,(D.B.Stephenson,2008),簡單極端事件的點過程診斷,IPCC定義簡單極端事件為個別局地天氣變量連續(xù)

25、地超過臨界水平（或閾值）的事件。這是復雜極端事件的一個高度簡化情況。由于超過臨界值的現(xiàn)象是在不規(guī)則的時間點發(fā)生，并且超過的量值趨于明顯，呈偏斜分布，所以由此組成的時間序列不適于用通常的時間序列分析方法。但可把超過臨界值的現(xiàn)象看作是一種標記性點過程的隨機過程，即具有隨機量標記（超過臨界值的多余量）的過程，它隨時間發(fā)生在隨機點上。,閾值的選取,（1）最簡單的方法是據(jù)影響程度選一個常數(shù)閾值。如最低溫度25為熱浪閾值（日本），但這種常值閾值隨氣候變化要變化的。 （2）更相對的方法是根據(jù)每一地點某些變量的經驗分布選取常數(shù)閾值。如90%分位，這確保10%的事件是極端的，因而它是根據(jù)罕見性定義極端性的。 （

26、3）時變閾值。如可選取閾值為所有從觀測到的值的最大值，以此可定義該事件是破紀錄的。也可選趨勢閾值以考慮氣候變化的非定常性和非穩(wěn)定性。如由全球變暖引起的氣候基態(tài)發(fā)生了變化，則應選擇新的閾值來進行計算。這可避免目前常說的一種現(xiàn)象，即極端事件將變成常態(tài)的說法。 極端事件的量值：需要用長尾概率分布去擬合觀測的超出值，即用廣義Pareto分布（GPD）,極端事件的起源,（1）演變性原理，極端事件并不是自發(fā)產生的，而是由于不太極端的事件連續(xù)演變而來，以后由于某種原因停止演變而變成較為極端的事件。 （2）定常性原理：諸如局地最大和最小值的極值是定常狀態(tài)的，其振幅變化率是零。這種特征意味著，對于這些極值其強迫

27、與耗散傾向是平衡的，引起極端事件的 各種過程如下： （1）由正反饋引起的不穩(wěn)定性造成的迅速增長 （2）天氣系統(tǒng)移入一新的地點和進入不同的時期 （3）一些非極端事件的同時發(fā)生 （4）活動集中在間斷地區(qū)（如ITCZ的降水） （5）天氣的持續(xù)性和頻繁再現(xiàn) （6）自然的隨機/混沌變化,四、結語：內在聯(lián)系,全球變暖和極端天氣氣候事件雖然空間和時間尺度不同，但有內在的聯(lián)系，現(xiàn)以與降水有關的極端天氣氣候事件說明。 氣候變化通過兩種方式改變水循環(huán)：1、通過海洋蒸發(fā)增加大氣中的實際水汽含量；又通過氣溫升高增加大氣的持水能力。2、通過改變大氣環(huán)流的區(qū)域模態(tài)使水汽重新再分配。在經向環(huán)流型盛行的情況下，水汽的緯向輸送受阻，產生異常的水汽輻合、輻散區(qū)，從而導致暴雨和干旱區(qū)的并存。,溫室氣體增加,氣候變暖與水循環(huán)及其與極端天氣氣候事件關系的示意圖 （Trenberth,1998),2009年7月日本梅雨季多云雨的原因：絲綢之路遙相關的作用 （JMA，2010）,