极端气候:影响人类生存的最大风险

正极端天气气候事件是指一定地区在一定时间内出现的历史上罕见的气象事件,其发生概率通常小于5%或10%。极端天气气候事件总体可以分为极端高温、极端低温、极端干旱、极端降水等几类,一般特点是发生概率小、社会影响大。随着全球气候变暖,极端天气气候事件的出现频率发生变化,呈现出增多增强的趋势。世界气象组织指出,2007年1月和4月的全球地表气温分别比历史同期平均值高出1.89℃和1.37℃,都超过了1998年     

近50a三峡库区汛期极端降水事件的时空变化

利用三峡库区35个台站1961-2010年汛期(5-9月)的逐日降水量资料,首先定义不同台站的极端降水量阈值,统计各站近50 a逐年汛期极端降水事件的发生频次,进而分析其时空变化特征.结果表明:三峡库区汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态是主体一致性,同时存在东西和南北相反变化的差异.三峡库区汛期极端降水事件发生频次具有较大的空间差异,可分为具有不同变化特点的5个主要异常区.滑动t检验表明,三峡库区西南部区代表站巴南的极端降水事件在1974年后发生了一次由偏多转为偏少的突变,北部区代表站北碚在1981年后和1993年后分别发生了由偏少转为偏多和由偏多到偏少的突变,中部区代表站武隆在1984年后发生了一次由偏多转为偏少的突变.结合最大熵谱和功率谱分析表明,近50 a来各分区汛期极端降水事件发生频次的周期振荡不太一致,三峡库区东北部区代表站宜昌、北部区代表站北碚和中部区代表站武隆分别存在5、2.4和8.3 a的显著周期.     

MM5V3模式对IPCCA1B情景下中国地区极端事件的模拟和预估

利用MM5V3区域气候模式单向嵌套ECHAM5全球环流模式,对中国地区1978-2000年及IPCC A1B情景下2038-2070年气候分别进行了水平分辨率为50 km的模拟试验.文章首先检验了模式模拟的当代极端气候结果,在此基础上对6个极端温度指数和6个极端降水指数的未来变化进行了预估.检验结果表明:MM5V3模式对中国地区当代日最高、最低温度及强降水(大雨和暴雨)日数的空间分布和概率特征均具有一定的模拟能力,但模拟的日最高温度在大部分地区偏低,日最低温度在南方地区偏低、西北地区偏高.概率统计结果显示日最高温度向低值频段偏移,日最低温度在0℃的峰值附近明显偏高.模式对大雨和暴雨年平均日数的模拟在东部地区偏多,概率统计结果则为一致偏大.未来中国地区极端气候预估结果表明:极端高温、极端低温和相对高温在全国范围内都将升高,且线性趋势均为上升;霜日日数则为减少,并具有下降趋势;暖日日数和相对低温在青藏高原和新疆部分地区有所减少、其它地区均为增加,且线性趋势暖日日数为上升,相对低温不明显.极端降水指数的变化具有区域特征,其中单日最大降水、连续五日最大降水、最长无雨期、强降水日数、简单降水强度和极端降水总量均在江淮、华南及西南地区有所增多,而在东北及内蒙古地区有所减少,未来中国南方地区降水的极端化趋势将更加显著.极端降水指数的线性趋势除最长无雨期外其它均为上升.     

极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响

近年来,极端气候事件发生频率增加,对陆地生态系统服务功能和人类社会生产生活造成严重影响.碳循环是驱动陆地生态系统变化的关键过程.准确理解和评估极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响,能为人类社会减缓和适应气候变化提供重要科学依据.文章以干旱、极端降水、极端高温和极端低温为例,系统总结了极端气候事件对陆地生态系统碳循环的影响及其机理.已有研究表明,干旱是当前陆地生态系统碳汇功能的重要胁迫因子,对生态系统生产力和呼吸都存在压制作用,但生产力对干旱的敏感性一般高于呼吸对干旱的敏感性,从而导致陆地生态系统碳汇功能显著削弱,甚至使之变成碳源.不同模型对干旱导致的碳循环变化模拟结果差异很大,显示目前学术界对生态系统碳循环响应干旱机制的认知有限,尤其是干旱对热带植被生长的影响机制仍存在较大争议.极端降水事件对生态系统碳循环的影响存在显著区域差异,一般认为,极端降水促进干旱地区生态系统碳积累,却不利于湿润地区生态系统固碳;但目前对极端降水导致的土壤碳侧向输移和土壤养分流失等间接影响过程的了解十分有限,致使结果存在很大不确定性.极端高温和极端低温也通过不同的机制过程影响生态系统碳循环,尤其值得注意的是其影响程度与这些事件的发生时间存在密切关系,但这一联系还有待进一步研究.基于已有认识,建议未来关于极端气候事件对碳循环影响的研究重点应该是关注其长期效应和不同时间尺度上的作用机理,并加强基于多数据、多途径的多尺度集成研究.     

气候变暖下太湖极端洪水的归因探讨

全球增温引起的降水变化是否引起极端洪水的增加,发生在不同气候背景的极端洪水事件可提供不同参照系;而不同驱动因子下气候、水文数值模拟为认识洪水发生和归因提供了有效途径.本文结合机理数值模拟和随机统计模拟两种途径,针对1990s和1880s的太湖流域特大洪水,通过GCM气候模拟驱动的流域水文模拟和不确定性的阈值模拟,分析19世纪末和20世纪末极端洪水的发生强度和频率的变化,从而论证极端洪水发生的风险系数.结果表明,1990s的极端洪水流量(0.1%的极端洪水流量(Q0.1%)为2929~3601 m³/s,0.5%的极端洪水流量(Q0.5%)为1842~1893 m³/s)比工业革命前大气温室气体状况下(Q0.1%为2069~3119 m³/s,Q0.5%为1436~1561 m³/s)显著增大.与19世纪末相比,由于太湖流域人类活动改变的流域下垫面在1999年特大洪水中引起最大增量占35%,本文模拟和分析的20世纪末气候下的洪水最大增量占60%.去除人类活动影响的下垫面变化,估计特大洪水风险的最大增量为25%,因此认为20世纪末气候变化引起的太湖极端洪水风险在增加;这将为认识与全球增温相关联的洪水灾害预测预警提供科学依据.     

盘点世界各地极端天气堪比“末日”

正随着全球气候变暖,近年来,极端天气气候事件的出现频率发生变化,呈现出增多增强的趋势。事实上,人类正处于极端天气的适应期,炎热的酷暑、狂暴的飓风、刺骨的严寒以及滔天的洪水近乎成了"常客",风调雨顺已被视为"奢侈品"。美国严寒天气堆起近8米冰山2013年1月,由加拿大而来的北极气团持续席卷大部分的美国地区,致使北方部分地区呈现出了2013年"冰河时代"的面貌。     

地球系统视角下的多圈层复合极端事件研究进展与展望

复合极端事件对社会、经济和生态所造成的影响相较于各事件独立发生时更为严重,这类事件已成为近10年来地球科学领域的研究热点之一.气候变化背景下许多复合极端事件频发、强发,极端事件间的组合形式也呈现出新特点,对科学研究和防灾应对提出了更高的要求和更严峻的挑战.本文在地球系统多圈层相互作用的视角下系统梳理了多类高影响复合极端事件的定义、机理、变化、归因、预估等方面的研究现状;探讨了复合极端事件研究在数据需求、机理分析、模型模拟、归因预估、风险评估和适应应对等方面的挑战及可能的解决方案;进一步展望了该领域未来可能的发展趋势和急需多学科、多部门联合攻关的重点研究内容.在气候变化重塑极端事件类型的背景下,科学研究、防灾减灾和应对气候变化工作均需从传统单一极端事件视角向复合极端事件视角转变,对研究对象、思路和方法进行全方位的革新.本文对复合极端事件研究领域的发展和多学科领域的交叉合作将起到一定的促进作用.     

中国日极端降水和趋势

利用中国2000多站50年以上的日降水资料,提取各站6个极端降水指数,即历年最大值(top-1)、历年10个最大值(top-10)累积量、历年总降水量、历年夏季top-1、历年夏季top-10累积量、历年夏季总降水量,分别形成各站各极端降水指数时间序列.统计了历年全国及6个子区域整个研究资料时段内出现top-1和top-10值的总站次,分别形成历年全国及6个子区域极端降水总站次时间序列.各极端降水指数时间序列的趋势分析表明,中国各站top-1和top-10累积量时间序列趋势分布存在较为一致的3个明显趋势区域,即中国东南正趋势区、西北正趋势区和华北负趋势区,但各时间序列的趋势分布区域特征和趋势幅度增减程度不尽相同;正负趋势明显地区的大多数站点趋势增(减)幅度比(趋势幅度与平均值的比值)达10~30%,部分站点达30%以上.top-1和top-10降水全国年总站次时间序列表明了一致的线性增加趋势,平均每十年分别增加2.4站和15站,但年际差别较大;极端降水年总站次表现为三段极端降水多发期,分别出现在20世纪60年代初、90年代中后期和21世纪初,6个区域极端降水年总站次趋势特征与全国年总站次不尽相同,极端降水全国年总站次出现较多的年份在区域上表现不一样.与降水有关的环流形势要素的时间序列趋势分析表明,华北及上游蒙古高原地区呈现明显的位势高度增加趋势,而低层从中国南部沿海地区到华北地区呈现一条南风风速减弱的趋势带和华北地区水汽含量减少的趋势区,这些趋势特征有利于华北地区极端降水的减少.经验回归水平分析表明,50年一遇重现水平从南部沿海的400~600mm减少到西北地区的50mm以下,相比20年一遇重现水平提升率平均达6.8%,但比降水最大值可小一倍以上.     

中国平均降水和极端降水对气候变暖的响应:CMIP5模式模拟评估和预估

基于24个CMIP5全球耦合模式模拟结果,分析了中国区域年平均降水和ETCCDI强降水量(R95p)、极端强降水量(R99p)对增暖的响应.定量分析结果显示,CMIP5集合模拟的当代中国区域平均降水对增温的响应较观测偏弱,而极端降水的响应则偏强.对各子区域气温与平均降水、极端降水的关系均有一定的模拟能力,并且极端降水的模拟好于平均降水.RCP4.5和RCP8.5情景下,随着气温的升高,中国区域平均降水和极端降水均呈现一致增加的趋势,中国区域平均气温每升高1℃,平均降水增加的百分率分别为3.5%和2.4%,R95p增加百分率为11.9%和11.0%,R99p更加敏感,分别增加21.6%和22.4%.就各分区来看,当代的区域性差异较大,未来则普遍增强,并且区域性差异减小,在持续增暖背景下,中国及各分区极端降水对增暖的响应比平均降水更强,并且越强的极端降水敏感性越大.未来北方地区平均降水对增暖的响应比南方地区的要大,青藏高原和西南地区的R95p和R99p增加最显著,表明未来这些区域发生暴雨和洪涝的风险将增大.     

极端天气来势凶猛

正伴随全球气候变化,极端天气事件的种类、频率和强度将发生改变。"厄尔尼诺"、"拉尼娜"周期在不断缩短。这一现象引起了科学家的注意。极端天气是指一定地区在一定时间内出现历史上罕见的气象事件,其发生概率通常小于5%或10%,但社会影响大。厄尔尼诺和拉尼娜现象是全球气候异常的最强信号,这在气象     

我国各大流域复合高温干旱事件变化趋势与归因分析

受全球气候变化影响,复合高温干旱事件呈现增加趋势.通过构建表征复合高温干旱重现期变化的全微分方程,提出了一种复合高温干旱变化的归因方法,并利用1921～2020年月气温和月降水观测资料,分析中国夏季复合高温干旱事件时空分布特征及变化趋势,量化降水变化、气温变化和降水-气温相关关系变化这三种驱动因子在中国夏季复合高温干旱事件变化中的贡献.结果表明:近年来中国大部分地区夏季复合高温干旱事件呈现出明显的增加趋势,气温变化、降水变化、降水-气温相关关系变化对干旱高温复合事件变化的贡献依次递减.气温变化幅度最大、影响范围最广,在长江中上游地区以外的区域均导致复合事件增加,是最主要的驱动因子之一;降水变化是中国西部特别是新疆北部、青海和甘肃地区复合事件减少的重要原因;降水-气温关系则与其他驱动因子一起导致了在华南地区复合事件重现期的缩短和华东、西北部分地区复合事件重现期的增加.与此同时,降水和气温的均值趋势与离散程度的变化均可能导致复合高温干旱事件重现期的变化.     

区域气候模式RegCM3对华北地区未来气候变化的数值模拟

采用高水平分辨率区域气候模式进行区域未来气候变化预估,对理解全球增暖对区域气候的潜在影响和科学评估区域气候变化有很好的参考价值.这里对国家气候中心使用25 km高水平分辨率区域气候模式RegCM3单向嵌套全球模式MIROC3.2_hires在观测温室气体(1951—2000)和IPCC A1B温室气体排放情景下(2001—2100)进行的共计150年长时间模拟结果,进行华北地区未来气温、降水和极端气候事件变化的分析.模式检验结果表明:模式对当代(1981—2000)气温以及和气温有关的极端气候事件(霜冻日数、生长季长度)的空间分布和数值模拟较好;对降水及和降水有关的极端气候事件(强降水日期、降水强度、五日最大降水量)能够模拟出它们各自的主要空间分布特征,但在模拟数值上存在偏大、偏强的误差.和全球模式驱动场相比,区域模式模拟的气温、降水和极端气候事件有明显的改进.2010—2100年华北地区随时间区域平均气温升高幅度逐渐增大,随之霜冻日数逐渐减少,生长季长度逐渐增多;同时随温室效应的不断加剧,未来降水呈增加的趋势,强降水日期和五日最大降水量逐渐增多、降水强度逐渐增大.从空间分布看,21世纪末期(2081—2100)气温、降水以及有关的极端气候事件变化比21世纪中期(2041—2060)更加明显.     

极端气候事件-移民开垦-政策管理的互动

根据1661~1680年东北地区逐年人丁增长和起科耕地面积、相关政策与气候变化信息, 分析了东北地区的移民开垦与华北水旱灾事件的互动关系, 为认识极端气候事件的异地响应提供了实证. 发现: 1661~1680年间东北的移民开垦是对华北旱灾事件的异地响应, 1665~1680年移民开垦高峰期总体上对应于直隶、山东的1664~1680年的旱灾频发时段和东北的少灾期, 其间3次移民垦殖的峰值分别对应于3次干旱事件, 只是土地开垦高峰期比华北旱灾频发期一般落后1~2年左右. 1668年停止招垦、实行封禁政策是满清政府对华北灾害引起的大规模移民的响应, 该政策虽未能完全阻止流民的纷纷出关, 但确实起到了降低移民垦殖规模的效果, 使东北地区的开发至少推迟了200年. 1670年代起科年限的频繁变化等政策调整也是对气候灾害事件的响应行为. 气候灾害-移民开垦-政策构成了一个有机联系的响应链, 体现出气候变化影响与政策响应的互动性.     

SRES B2情景下中国区域最高、最低气温及日较差变化分布特征初步分析

本文利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS进行中国区域气候基准时段(1961～1990年)和SRES B2情景下2071～2100年(2080s)最高、最低气温及日较差变化响应的分析.气候基准时段的模拟结果与观测资料的对比分析表明：PRECIS具有对中国区域最高、最低气温及日较差的模拟能力，能够模拟出中国区域最高、最低气温及日较差的局地分布特征.对SRES B2情景下相对于气候基准时段的最高、最低气温及日较差变化响应分析表明：中国区域2080s时段年、冬季和夏季平均最高、最低气温变化均呈一致增加的趋势，北方地区增温幅度普遍大于南方地区.夏季东北地区极端高温事件发生的频率将会增加，而冬季华北地区极端冷害事件发生频率将会减少.未来中国区域年平均日较差将出现北方地区减小而南方地区增加的趋势.冬季长江中下游以南地区日较差呈增加趋势，而夏季华东地区、西北地区及内蒙古中部日较差将呈减小趋势，其中在青藏高原北部地区存在一个较强的低值中心.     

鄱阳湖区域极端降水异常的特征及成因

鄱阳湖区域4-7月极端降水总量存在显著的2-4年周期变化,且鄱阳湖4-7月极端降水总量的变率存在比较显著的增加趋势.1998年6月鄱阳湖地区极端降水总量异常偏多,而2001年6月异常偏少,仅为1998年的13.5%左右.通过分析大气环流场、水汽输送等方面的差异,发现1998年6月500hPa高度场上乌拉尔山高脊和鄂霍次...     

2020年梅雨期极端降水的归因探讨和未来风险预估研究

2020年夏季我国经历了一场非同寻常的梅雨季,其持续时间长、暴雨日数多,为近几十年罕见.梅雨期间从日尺度到月尺度的降水均显著偏多,特别是持续性强降水(如连续四周最大累积降水量, Rx28day),较气候平均态偏多94%,打破了自1961年以来的历史记录.探讨人为强迫对此次梅雨期极端降水的影响及其物理过程,有助于理解和预估极端气候的风险变化.利用第六次耦合模式比较计划(CMIP6)检测归因模式比较计划(DAMIP),从事件归因角度,研究指出,人为强迫使得2020年夏季长江中下游流域持续性强降水(Rx28day)事件的发生概率减小了46%(22～62%).其中,温室气体有利于增加类似极端事件的发生概率(44%),这由增温引起的可降水量增加导致;而人为气溶胶则减少了其发生概率(73%),这与地表降温引起的可降水量减少、东亚夏季风环流减弱有关.未来随着温室气体的排放增加和人为气溶胶的减排,类似持续性强降水事件的发生概率将持续增加.在不同的共享社会经济路径(SSP)下,未来温室排放的情景越高,这类极端降水事件的发生风险越高.在低排放情景SSP1-2.6、中等排放情景SSP2-4.5和高排放情景SSP5-8.5下,到21世纪末,其发生概率分别约为当前气候下的4.6、13.6和27.7倍.因此,采取切实有效的温室气体减排措施,将有利于减缓极端降水事件的发生风险.     

极端降水条件下白洋淀主淀区水化学特征及水质变化

极端降水是影响水环境质量的重要气象因素之一,随着全球气候变暖,极端降水事件的频率和量级呈显著上升的趋势,对湖泊水化学和水环境产生了深刻的影响.白洋淀是华北地区重要的湖泊型湿地和生态功能区,为查明极端降水条件下白洋淀主淀区的水化学和水质特征,本研究利用Piper三线图、Gibbs图和多元统计方法阐明了白洋淀极端降雨后的水化学特征、氢氧稳定同位素特征和水质空间变化,揭示了极端降水条件对白洋淀主淀区水化学和水质的影响.结果表明：（1）在极端降水条件下,白洋淀主淀区湖水呈弱碱性,水化学类型主要为Ca-HCO₃·SO₄型,极端降水减弱了蒸发结晶作用和人类活动等因素对白洋淀主淀区湖水水化学组成的影响.极端降水是导致白洋淀主淀区pH、电导率和总溶解性固体发生大幅度变化的原因之一.（2）极端降水条件下白洋淀主淀区湖水的δ²H和δ¹⁸O值的范围分别为-60.86‰~-35.01‰和-8.84‰~-3.45‰,其值均与水深呈显著负相关.极端降水使得白洋淀主淀区湖水的氢、氧稳定同位素贫化,但对其空间分布的影响不大,湖水氢、氧同位素关系受降水本身氢、氧同位素关系的影响更为强烈.强降水引起白洋淀的水深突然增加,导致湖水受到的蒸发分馏作用影响减弱.（3）极端降水增加了面源污染扩散的速度,导致白洋淀主淀区湖水中的氨氮、硝态氮和总磷等营养物质浓度升高,白洋淀大气降水中的氨氮也可能导致极端降水条件下主淀区湖水中氨氮浓度升高,而上游水库为了应对强降雨事件进行的调蓄放水使得白洋淀东北部水质有所改善.该研究为白洋淀的生态修复治理和雄安新区的生态系统管理提供了科学依据.     

大气环流对中东亚干旱半干旱区气候影响研究进展

亚洲干旱半干旱区占据北半球中纬度的大片区域,其主体是中东亚干旱半干旱区,该区域降水稀少、生态环境脆弱,对全球气候变化响应敏感.中东亚干旱半干旱区东部处于东亚季风区的边缘,受西风环流和季风环流的共同影响;中部和西部主要处于西风带气候区,为西风环流所控制.研究大气环流对中东亚干旱半干旱区气候的影响,对于认识和预测该区域的气候具有重要意义.基于近年来国内外学者针对大气环流对亚洲中、东部干旱半干旱区气候影响的研究,文章进行了系统回顾和总结.已有研究表明,大气环流对中东亚干旱半干旱区的气候具有不可忽视的影响.在强夏季风年,中国西北地区东南部受东亚夏季风影响,水汽通量显著增加,降水偏多;而弱夏季风年则相反,随着东亚夏季风的减弱,季风边缘的半干旱区气候呈现变干趋势;南亚季风的加强则使得更多的水汽输送至亚洲干旱半干旱区;高原夏季风与中亚地区夏季降水呈显著的正相关关系,而与中国华北地区、蒙古地区的夏季降水呈负相关.西风指数与中东亚干旱区的气温有显著的正相关关系,西风环流的变化可能是影响中亚干旱区降水变化的主要因素.     

城镇化对极端降水的影响及其贡献率研究——以太湖平原地区为例

城镇化背景下极端降水事件频发,洪涝灾害问题日益突出,探讨城镇化对极端降水的影响已成为热点与难点问题.本文以长江下游太湖平原地区为例,基于区内40个雨量站长序列的逐日资料(1976-2015年),结合城镇化下土地利用/覆被和社会经济等数据,对比分析了不同城镇化阶段极端降水相关指标的时空变化规律,并定量评估不同城镇化水平对...     

华北地区降水事件变化和暴雨事件减少原因分析

使用北京、天津、河北、山西的37个气象观测站的1961～2008年逐日降水资料和NCEP、EC环流资料,对华北降水事件和暴雨事件减少原因进行分析.结果表明,华北地区盛夏暴雨事件对夏季降水量和全年降水量变化有重要影响,近50年盛夏暴雨事件呈显著线性减少趋势,这与东亚夏季风减弱使得从南边界进入华北的水汽通量大量减少以及副热...