气候变化观测与预测精准分析

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：总体来说，这种变化的趋势与全球气候变化的趋势一致。它是通过求解控制气候变化的物理定律与过程的数理方程，以模拟过去的气候变化过程并预测未来的气候变化趋势。

气候是某一地区较长时间内出现的天气特征的综合。所以，温度、降水、蒸发、湿度、日照、风速等是气候要素，云量、土壤温度、雾、霜、雷、雹等各种天气现象也是气候要素。虽然描述某一地区气候时常用多年的平均值如月（年）平均温度和月（年）降水量等，但这种综合绝非是简单的平均，某一地区各种天气出现的概率和极端值都属于气候。气候反映的主要是某一地区冷、暖、干、湿等基本特征。所以最重要、最基本的气候要素是温度和降水。

14.2.2.1　气候变化观测事实

19世纪中叶以来，通过仪器直接观测到的气候变化主要表现在温度、降水、大气湿度、雪盖、冰川的范围、海平面、极端天气和气候事件等。科学数据客观地揭示了19世纪中或20世纪初以来全球变暖的事实。

1.气温变化

观测记录和研究结果表明，自1861年以来全球陆地和海洋表面的平均温度呈上升趋势，20世纪升高了大约0.6℃左右；就全球而言，20世纪90年代是自1861年以来最暖的10年，1998年则是自l861年以来最暖的1年。

通过对不同时段增温趋势进行分析发现，1976～2000年，全球地表冬季平均气温升高最为显著，特别是北半球中高纬地区更为明显，春季的增温幅度次之，秋季最弱。

在全球变暖的大背景下，我国近100年的气候也发生了明显变化。1951～1989年全国年平均气温以每10年0.04℃的速率上升，表现出明显的上升趋势；自1987年以来出现了持续14年的异常偏暖，最暖的1998年偏暖1.4℃。总体来说，这种变化的趋势与全球气候变化的趋势一致。近100年我国的平均气温上升了0.6±0.1℃。其中，20世纪20～40年代平均气温持续偏高，50～80年代初气温有所下降，80年代中期开始又持续增温，90年代是近100年来最暖时期之一，仅次于20～40年代。

从地域分布看，华北和东北地区的增温幅度最大，长江流域和西南地区气温略降，南方大部分地区没有明显的冷暖趋势。从季节分布看，我国冬季增温最明显，尤以北方冬季突出。

2.降水变化

由于缺乏海洋的观测资料，无法统计全球年平均降水的趋势。仅从陆地降水来看，20世纪北半球大部分中高纬地区可能增加了5%～10%，南半球（0°～55°S）可能增加了2%左右；相反，副热带地区（10°～30°N）可能减少了3%，非洲北部、南美的沙漠地区减少更为明显。20世纪后期，北半球中高纬地区的极端强降水事件的频率可能增加了2%～4%；亚洲和非洲的部分地区干旱的频率和强度增加。

近100年来，我国的年降水呈现出明显的年际振荡。其中，20世纪初10年、30～40年代和80～90年代降水偏多，其他年代偏少。去除历史原因造成降水资料不完善的因素，近50年中国降水的变化分析表明，年平均降水量呈微弱减少趋势，但最近10年（1991～2000年）略有增加。其中，华北大部地区，西北东部和东北东部地区，降水明显减少，而华南与西南西部地区，降水明显增加；另外，西北西部，特别是新疆的南部地区降水增加显著。全国极端降水值和极端降水平均强度都有增强趋势，极端降水量占总降水量的比率趋于增大。

3.气候极端事件的变化

全球气候变暖后，不仅气候平均值会发生变化，天气和气候极端事件的出现频率也会随之发生变化。自1950年以来，极端最低气温的出现频率有所下降，因此标志寒冷事件的霜冻日数和冰冻日数减少；但极端最高气温的出现频率有所增加。观测记录还显示，北半球中高纬度地区降水量增加的地区，大雨和极端降水事件有增多趋势。20世纪后半叶，北半球中高纬地区强降雨事件的出现频率可能增加了2%～4%；而北半球中高纬度地区降水量减少的地区，大雨和极端降水事件有下降趋势。在亚洲和非洲的一些地区，近几十年来干旱与洪涝的发生频率增高、强度增强。分析表明，夏季大陆上的一些地区可能已经变得更干，干旱的威胁可能也相应地有所增加。在东亚地区，虽然降水量趋于下降或变化不大，但仍有些地方大雨和极端降水事件有所增加。全球热带和副热带地区的风暴强度和频率的变化，很大程度上仍受年代际变化的影响，没有呈现明显的增多或减少趋势。

最近40～50年中，我国极端最低温度和平均最低温度都出现了增高的趋势，尤以北方冬季最为突出。同时，寒潮频率趋于降低，低温日数趋于减少，雨日显著减少。

14.2.2.2　气候变化预测

在影响评价中已经应用的气候情景主要有3种类型：增量情景、类比情景和基于气候模式的情景。

增量情景是根据预测的未来变化对基准气候进行简单的调整，这对研究一个系统对气候的敏感性是一种有效的方法。然而，由于包含了强制的调整，从气象学上讲可能不是真实的。

类比情景可从过去的记录或从其他区域类比变化了的气候得到，但可能难于辨别且很少应用，尽管其有时有助于认识超出目前范围的气候条件影响。

常用的情景是基于气候模式的情景总环流模式（GCM）输出结果。它是通过求解控制气候变化的物理定律与过程的数理方程，以模拟过去的气候变化过程并预测未来的气候变化趋势。且通常构造为通过模拟现在和未来气候之间的绝对或相对变化调整基准气候（典型的是基于如1961～2000年这样的参照期间区域气候的观测值）。虽然早期的平衡模式的结果还有应用，但最近许多影响研究是基于渐进GCM输出建立的情景。GCM输出的是粗网格的信息。为获取区域详细的信息，有3种主要方法：简单内插、统计学的次网格尺度化和高分辨率的动力学模式。简单插值方法可以再现GCM变化的型式，在情景开发上得到最广泛地应用。相比而言，统计和模型手段可以产生有别于大尺度GCM估计的局地气候变化。因GCM预测有不确定性，还需要更多地开展研究评估分区域的影响；还需要通过模式内部比较、新型模式的模拟检验以及模型尺度化方法等使预测结果进一步定量化。

IPCC共发展了两套排放情景，一套是IS92情景，主要用于第二次评估报告中气候预测（1996年）；另一套是SRES情景，以代替IS92用于第三次评估报告中的气候预测（2001年）。SRES排放情景由A1、A2、B1和B24种不同情节构成的情景族组成。其中，A1描述了经济高速发展，全球人口在21世纪中达到峰值，高排放情景的世界；A2描述了人口持续增长，人均经济增长和技术变化有明显地方性，全球化不明显的世界；B1描述了人口发展同A1，但经济结构向服务和信息转变，强调从全球角度解决经济、社会和环境可持续性问题的低排放情景的世界；B2描述了人口增长低于A2，经济中等发展，技术更多样化，侧重于从局地解决经济、社会和环境可持续性问题的世界。

（1）全球气候变化预测。

1）温度变化。1995年IPCC根据其设计的1990～2100年间温室气体和气溶胶排放的6种构想，预测到2100年全球平均地面温度相对于1990年大约上升1.0～3.5℃。这相当于全球平均温度每10年升温0.10～0.35℃。

2001年IPCC使用35个全球气候模式，在SRES排放情景下，预测了未来50～100年的全球气候变化。虽然预测的结果不尽相同，并存在相当的不确定性，但各模式都一致地表明，温室气体的增加是导致21世纪气候变化的最主要因子。

2001年IPCC预计全球平均地表温度在1990～2100年将上升1.4～5.8℃。这一增温值将是20世纪内增温值的2～10倍，大大高于20世纪中实际观测到的升温率，这可能是最近1000年来从未出现过的升温率。尽管各模式对于全球区域尺度上的预测结果有一定差异，但都认为陆地的升温比全球平均值更快。

2）降水变化。预计21世纪全球平均降水趋于增多，大多数热带地区平均降水将增多，副热带大部地区平均降水将减少，高纬度地区降水也趋于增多。分季节而言，北半球冬季，热带非洲降水将增加，东南亚变化不大，中美洲将减少；北半球夏季，南亚的降水变化不大。地中海地区的夏季和澳大利亚的冬季降水将减少。高纬度地区冬、夏季的降水均趋于增多。气候增暖后，强降雨事件会增加。由于降水的增加不足以平衡温度增高和可能蒸发的加大，大陆的中部地区夏季一般会变干。此外，气候变暖后北半球夏季季风降水的年际变化可能加大。

预计平均降水将增加的地区，大多数可能会出现较大的降水年际变化。很小的降水变化，会引起水资源的很大变化。这意味着一些地方可能发生更频繁的干旱和洪涝。中美洲和南欧地区夏季降水预计减少10%～20%，这可能会是降水日数不变、每次降水量减少的缘故，更可能会是雨日大大减少、无雨时段大大延长的缘故。

（2）中国气候变化预测。

1）温度变化。据约40个气候模式和考虑不同排放情景计算的中国20世纪和21世纪气温变化过程，2030年我国平均气温可能上升1.5～2.8℃，2050年上升2.3～3.3℃，2100年上升3.9～6.0℃。与全球和东亚地区未来百年的线性趋势相比，中国温度变化的线性趋势高于全球，略低于东亚地区。

从地理分布来看，各个模式的结论是一致的，即西北、华北地区和东北的北部地区是最大的增温区域，华南地区增温最小；从季节变化来看，整个中国四季都一致增暖，其中冬季增温幅度最大，春季次之。

2）降水变化。与温度变化的预测结果相比，降水的变化较为复杂，且不确定性很大，各个模式模拟结果之间存在较大的差异。但总体来说，到21世纪末，我国年平均降水将增加10%～20%左右。从地理分布来看，东北和西北地区降水增加明显，华北、华中和华东地区在21世纪前30年降水略减少，而后增加；从季节分布来看，我国年平均降水冬季增加最明显，春季次之。

（3）气候变化情景的不确定性分析。

上述气候变化情景中包含有相当大的不确定性。降水变化情景的不确定性比温度的更大，其原因主要有如下几方面。

1）温室气体和气溶胶排放量数据中的不确定。包括对温室气体源和汇的了解有限以及温室气体和气溶胶的排放受各国人口、经济、社会发展等众多因子的制约，使得准确地预测未来大气中温室气体的浓度相当困难。

2）由于目前对碳循环、温室气体和气溶胶的物理、化学过程的认识有限，因此在将大气中的二氧化碳浓度转化成对气候系统的辐射强迫时，存在很大的不确定性。

3）气候模式本身的缺陷对未来气候变化情景的研究有很大影响。要预测未来50～100年的全球和区域气候变化，必须依靠复杂的全球海气耦合模式和高分辨率的区域气候模式。但是，目前气候模式对云、海洋、极地冰盖等的描述还很不完善，模式还不能处理好云和海洋环流的效应以及区域降水变化等。

4）就预测我国未来气候变化情景而言，适合我国使用的气候模式仍处于发展之中，迄今所用的国外模式尚不能准确地构建我国未来气候变化的情景，这对深入研究气候变化对我国的影响及我国应采取的对策，是一个很大的制约因素。

气候变化观测与预测精准分析

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