全球变暖1.5℃和2℃阈值时青藏高原气温的变化特征

利用国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中的21个气候模式的RCP4.5和RCP8.5情景预估结果,分析了全球变暖1.5℃和2℃阈值时青藏高原气温年和季节的变化特征。结果表明,对应1.5℃和2℃全球变暖,青藏高原变暖幅度明显更大,就整体而言,在RCP4.5/RCP8.5情景下,高原区域平均的平均、最高、最低气温变暖分别为2.11℃/2.10℃和2.96℃/2.85℃、2.02℃/2.02℃和2.89℃/2.77℃、2.34℃/2.34℃和3.20℃/3.14℃,冬季平均气温的变暖幅度(2.19℃/2.31℃和3.13℃/3.05℃)较其他季节更大;从空间分布形势上看,年变暖呈西南高东北低的分布,而春、冬变暖呈南高北低的分布,夏、秋变暖则呈西高东低的分布。到达同一温升阈值时,RCP4.5与RCP8.5情景下高原气温的响应也存在区域差异。高原年与各季平均气温对全球变暖1.5℃与2℃的响应差异均>0.5℃,其中冬季最明显,区域平均差异可达0.94℃,局地差异超过1.1℃。

结合模式性能和独立性加权的全球增暖1.5/2℃下中国区域气候的未来预估

基于耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)中的全球气候模式的模拟结果,采用考虑模式性能和独立性结合(Climate model Weighting by Independence and Performance,ClimWIP)的加权方案进行中国区域气候的多模式集合预估及不确定性研究。结果表明,ClimWIP方案在历史阶段的模拟优于等权重方案,降低了多模式模拟的气候态偏差。温度指数的未来预估不确定性较大的区域主要集中在中国北方和青藏高原,而降水指数主要集中在华北和西北地区。ClimWIP方案的预估不确定性与等权重方案相比有所降低。ClimWIP方案预估的温度指数的增温大值区主要集中在中国北方和青藏高原;降水指数在西北和青藏高原增加最为显著。全球额外0.5℃增暖时,中国区域平均的温度指数变化更强,平均高于全球0.2℃,最低温在东北部分地区的额外增温甚至是全球平均的3倍;总降水额外增加5.2%;强降水额外增加10.5%。全球增暖2℃下,中国大部分区域温度指数较当前气候态增加可能超过1.5℃(概率>50%),在中国北方和青藏高原的部分地区增温超过1.5℃的可能性更大(概率>90%);总降水,强降水和连续干日在西北和华北增加幅度有可能超过10%、25%和-5 d(概率>50%)。

2℃全球变暖背景下中国未来气候变化预估

相对于工业化革命前期,全球年平均地表气温上升2℃的时间和相应的气候变化受到了广泛关注,特别是包括欧盟成员国在内的许多国家和国际组织已经将避免2℃全球变暖作为温室气体减排的首要目标。为此,本文作者基于16个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRESB1、A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟试验结果,采用多模式集合方法预估研究了2℃全球变暖发生的时间、对应的大气中主要温室气体浓度以及中国气候变化情况。根据模式集合平均结果,三种排放情景下2℃全球变暖分别发生在2064年、2046年和2049年,大气二氧化碳当量浓度分别为625ppm、645ppm和669ppm(1ppm=10-6)。对应着2℃全球变暖,中国气候变暖幅度明显更大。从空间分布形势上看,变暖从南向北加强,在青藏高原地区存在一个升温大值区;就整体而言,中国区域平均的年平均地表气温上升2.7～2.9℃,冬季升温幅度(3.1～3.2℃)要较其他季节更大。年平均降水量在华南大部分地区减少0～5%,而在其余地区增加0～20%,中国区域年平均降水增加3.4%～4.4%,各季节增加量在0.5%～6.6%之间。

2℃全球变暖背景下青藏高原平均气候和极端气候事件变化

利用CMIP5耦合模式RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景预估结果,以1890一1900年为基准气候,确定了2℃全球变暖时间、对应时期青藏高原平均气候和极端气候事件变化幅度,多模式集合平均结果表明:RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下2℃全球变暖分别发生在2063年、2040年和2036年;对应着2℃全球变暖,三种情景下青藏高原平均气温分别升高2.99℃、3.22℃和3.28℃,均超过全球2℃的升温水平;年降水量亦增加,分别增加8.35%、7.16%和7.63%。受气温升高和降水量增多影响,RCP4.5情景下霜冻日数、冰封日数减少,暖夜日数、暖昼日数增多;RCP4.5情景下中雨日数、强降水量、降水强度均增加,持续干期天数减少。从各地平均气候和极端气候事件变化结果来看,柴达木盆地是青藏高原气候变化的敏感区。

全球升温1.5和2℃时中国特困区干旱变化特征研究

基于15个CMIP6全球模式在4个共享社会经济路径及典型浓度路径的组合情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0,SSP5-8.5)下的模拟结果,对全球升温1.5和2℃目标下中国连片特困区干旱频次、强度和持续时间的变化特征进行了分析.结果表明:1)在全球升温1.5和2℃时,特困区年均温较基准期分别平均增加约1.1和1.8℃,快于全球升温速率,年降水增幅明显,在特困区西北部尤为显著;2)升温1.5℃时,特困区平均干旱强度由基准期的轻微干旱转变为中等干旱,面积占比74%地区的干旱频次减少,面积占比61%地区的干旱持续时间缩短;3)升温2℃时,特困区干旱强度仍以中等干旱为主,干旱频次整体上保持减少,部分地区减少最多可达0.6次/a,但极端干旱事件发生概率增加,干旱持续时间有南部增加和北部减少两极化的发展趋势,面积占比约55%地区的干旱持续时间预计减少1.3个月;4)全球升温从1.5℃增加到2℃时,特困区干旱变化特征在空间上存在相似性,干旱频次和持续时间在南部区域均表现为增长、北部区域为减少,干旱强度则在特困区大部分地区均有增强.相较于升温1.5℃,升温2℃时,特困区很可能将面临更大的干旱风险,将全球升温控制在1.5℃以内能有效减少干旱事件对特困区的打击.

2℃温升情景下中国气象干旱特征变化

全球变暖造成区域降水模式与蒸散量的改变,从而导致干旱特征变化,分析未来气象干旱对气候变暖的响应特点可以为全球变暖背景下干旱的预防和应对提供决策依据。利用第六次国际耦合模式比较计划的18个气候模式数据计算了标准化降水蒸散指数,基于游程理论识别干旱事件并提取了历史基准期及全球2℃温升情景下中国的4个干旱特征指标(干旱频次、平均干旱历时、平均干旱强度和平均干旱峰值),进而分析了2℃温升情景下中国及其7个自然地区的气象干旱特征变化情况。结果表明:干旱频次在东部季风区呈南高北低的特点,平均干旱历时、平均干旱强度和平均干旱峰值呈西北高、东南低的特点。在2℃温升情景下,干旱频次、平均干旱历时、平均干旱强度和平均干旱峰值的全国均值分别为1.72次·a^(-1)、2.46个月、1.37和1.70,相比历史基准期分别增加了0.17次·a^(-1)、0.27个月、0.14和0.25。干旱频次、平均干旱强度和平均干旱峰值的均值在各地区均增加,平均干旱历时的均值仅在东北湿润半湿润温带地区表现为减小,4个干旱特征指标增加值最大的地区均为西北荒漠地区。

2℃和1.5℃目标下全球碳预算及排放路径

利用截止目前最新的全球情景研究结果,对《巴黎协定》提出的2℃和1.5℃目标下全球碳预算的区间进行分析,并比较了碳预算约束下不同排放路径对关键时间点的减排要求、实现排放峰值及碳中和的时间要求和对负排放技术的需求等方面的影响.结果表明:相对于2℃目标,1.5℃目标下全球剩余碳预算将缩减一半以上,2020年以后需要立刻快速减排,且到21世纪末更依赖于负排放技术的应用;延迟近期(2030年以前)的减排行动,将会使得2030年以后的碳排放空间被压缩,中长期的减排要求提高,2030~2050年间年均减排率增加约1.2%,实现碳中和的时间提前近20a,给未来的低碳转型带来更大困难;全球碳预算可以通过不同的公平分配方案分配到各国,其地区分布与公平分配方案的选择密切相关.排放量分配方案对美欧较为有利,而减排量分配方案对中印较为有利.

全球升温1.5℃时北半球多年冻土及雪水当量的响应及其变化

本文基于耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)的17个全球气候模式,确定了1.5℃温升(相对于1861—1880年)的发生时间,预估了全球升温1.5℃时,北半球冻土和积雪的变化,并对预估结果的不确定性进行了讨论。结果表明,全球平均地表温度在3种排放情景下(RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)分别于2027、2026、2023年达到1.5℃阈值。当全球升温1.5℃,北半球多年冻土南界北移1°~3.5°,冻土退化主要发生在中西伯利亚南部。多年冻土面积在全球升温1.5℃时,在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下较1986—2005年分别减少约3.43×10~6 km(221.12%)、3.91×10~6 km(224.10%)和4.15×10~6 km^2(25.55%);北半球超过一半以上的区域雪水当量减少,只在中西伯利亚地区略微增加;北美洲中部、欧洲西部以及俄罗斯西北部减少较显著,减少约40%以上。青藏高原多年冻土面积在RCP2.6、RCP4.5以及RCP8.5排放情景下分别减少0.15×10~6 km^2(7.28%)、0.18×10~6 km^2(8.74%)和0.17×10~6 km^2(8.25%)。青藏高原冬、春季雪水当量分别减少约14.9%和13.8%。

全球增温1.5和2 ℃下中国东部极端高温风险预估

2013年中国中东部地区经历了一次破纪录的极端高温,给社会经济及人民财产造成了严重损失。利用高分辨率的观测格点数据集以及参与CMIP5的17个全球气候模式数据,通过分位数映射的偏差订正方法对模式模拟的逐日最高温度数据进行订正;在此基础上,研究了2013年的破纪录极端高温以及多年(20、50和100 a)一遇极端高温在未来全球增温1.5和2℃下的风险。结果表明,在未来增温1.5℃(2℃)下,2013年极端高温强度的发生风险将会增加为历史时期(1986-2005年)的3.0倍(6.1倍),极端高温日数增加为历史时期的5.6倍(12.6倍)。从1.5℃到2℃,额外的0.5℃的增温将会使2013年极端高温强度和日数在未来的发生风险分别增加到2.0倍和2.3倍。对于不同重现期的极端高温来说,越极端的极端高温在未来发生的风险越大,并且极端高温日数增加的风险要大于极端高温强度增加的风险。历史时期平均每20、50、100 a发生一次的极端高温日数在未来增温1.5℃下将会变为平均每4、8、15 a发生一次,在增温2℃下变为平均每2、3、6 a发生一次。历史时期20、50、100 a一遇的极端高温强度在未来增温1.5℃下将会变为7、14、27 a一遇,在未来增温2℃下变为4、6、8 a一遇。

1977-2010年长江源区夏季大气0℃层高度变化

利用1977 2010年青藏高原中部沱沱河气象站的高空气象探测资料,分析了长江源区夏季大气0℃层高度的变化趋势及其与地面气温的关系。结果表明,1977 2010年长江源区夏季大气0℃层高度平均值为5536 m,6月大气0℃层高度略低于7、8月,6月地面气温也明显低于7、8月;08:00(北京时,下同)、20:00和全天大气0℃层高度的变化倾向率分别为16.5,4.2和11.4 m·(10a)-1,温度较低的08:00呈现更为明显的升高趋势,地面气温也表现出类似的升温特征;地面气温与大气0℃层高度存在正相关关系,夏季平均气温与大气0℃层高度的相关系数为0.782,通过了0.01的显著性水平检验。

全球变暖下青藏高原东南侧常年南风强度的多模式结果比较分析

青藏高原东南侧存在一个特殊区域,它常年维持南风,与东亚季风紧密联系,强度变异也将对下游天气气候造成明显影响。该区域南风对全球变暖背景下青藏高原的快速增暖十分敏感。文中利用国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中13个模式的多情景预估结果,分析了全球变暖1.5℃、2℃和3℃下常年南风区南风强度的变异特征。结果表明,13个模式中仅BCC-CSM1.1、GFDL-CM3和MIROC5模式能够较好地模拟常年南风区的范围,以及其独特的"双峰型"季节演变特征。然而,对南风的预估,模式间存在较大差异。MIROC5模式预估南风将明显加强,尤其6月之后,并持续至12月,但BCC-CSM1.1和GFDL-CM3模式预估南风在秋季后将明显减弱。进一步分析发现,各模式预估的差异主要源于它们对青藏高原及东亚地区之间温差的模拟存在显著差异。MIROC5模式模拟的青藏高原升温幅度高于周边区域,其与东亚平原之间的温度梯度将使常年南风区南风增强。因此,模式未来改进中应特别关注对青藏高原与其周边热力梯度的合理模拟,这对青藏高原区及东亚季风气候的正确模拟至关重要。

基于可靠性集合平均方法的全球1.5/2.0℃变暖下中国极端气候的未来预估

全球变暖下我国气候响应的研究对进一步预估我国未来气候变化相关风险及制定适应和减缓政策具有重要意义。利用第六次耦合模式比较计划中25个全球气候模式的模拟结果,评估比较了各种可靠性集合加权方案对中国区域气候的模拟性能,基于表现最好的可靠性集合平均方案预估了SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下中国极端气候指数在全球增暖1.5和2.0℃下的未来变化。结果表明,改进的可靠性集合方案模拟中国气候指数表现最好,与观测的偏差最小。未来中国区域温度明显增加,极端温度的增幅强于平均温度,极端降水整体也增加,且SSP5-8.5情景下增幅略强于SSP2-4.5情景。SSP5-8.5情景下,中国区域平均温度、最高温和最低温在全球增暖1.5(2.0℃)下较1995—2014年分别增加了1.11、1.18和1.31℃(1.88、1.98和2.14℃),总降水和强降水分别增加了5.6%和14.4%(10.5%和25.7%)。中国北方和青藏高原部分区域为增温的大值区,中国西部为降水增加的大值区。额外0.5℃增暖对中国地区产生显著影响,几乎整个中国地区温度指数的增幅都将超过全球平均。极端降水也将进一步增加,SSP5-8.5情景下中国区域平均总降水额外增加4.9%,强降水增加11.2%。从概率角度来看,2.0℃变暖下,除南方部分地区外,中国其他区域温度指数增加大于1.5℃的概率大于50%。北方地区平均降水增幅大于5%阈值的可能性大于50%,大部分地区强降水增幅大于15%阈值的概率大于50%。尽管改进的可靠性集合方案一定程度上减少了预估不确定性,未来仍需要发展优化集合方案及降尺度技术,以提供更准确的未来预估。

全球1.5和2℃温升时的气温和降水变化预估

基于新一代全球气候模式比较计划(CMIP5)的结果,评估了全球近地面气温和降水在不同温升时,主要包括1.5和2℃温升时的响应特征.多模式集合平均结果显示,RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5情景下,全球平均气温相对于工业化前升温1.5℃的时间出现在2036,2028,2033和2025年,升温2℃的时间在后3个情景为2049,2056和2039年,而RCP2.6情景在2100年前没有达到2℃温升(尽管有些单个的模式试验可以达到).全球平均气温到达不同温升的时间主要与不同排放路径上达到的辐射强迫和排放浓度有关.不同情景达到1.5℃(2℃)温升时的辐射强迫和CO_2当量浓度值相近,分别为2.9~3.0 W/m^2^(3.7^3.9 W/m^2)以及450.6~454.1 ppm(523.0~539.1 ppm).因此,基于不同组合的排放路径选择决定了温升阈值出现的时间,1.5℃温升目标的实现可能需要开发更低的排放路径组合.利用气候敏感度为指标对不同模式间差异的分析表明,一般而言,瞬时气候响应高(偏暖)的模式到达1.5和2℃温升的时间早,瞬时气候响应低(偏冷)的模式到达的时间晚,但其他因子也可能影响到达某个特定温升的时间.进一步对多模式集合的空间分布的研究显示,在达到同一温升值时,不同情景驱动下的全球气温和降水变化的分布基本不存在差异,说明在全球和区域尺度上,气温和降水的响应特征和高低排放情景的定义(基于2100年的辐射强迫)基本无关.由此对RCP8.5情景下每升温0.5℃的模式结果分析表明,随着排放和辐射强迫的增加,全球气温和降水基本呈现出高纬温度增幅大于低纬、陆地增温大于海洋、湿润的地方降水增多、干旱的地方降水减少等未来气候变暖的普遍特征.气温每增加0.5℃的区域响应特征基本不存在差异.这说明,在全球和区域尺度上,这些变化基本都是线性的.

全球变暖2℃情景下中国平均气候和极端气候事件变化预估

使用一个区域气候模式(RegCM3)在IPCC SRES A1B温室气体排放情景下对东亚地区进行的高分辨率数值模拟试验数据,就备受关注的相对于工业化革命前期全球变暖2℃阈值情景下中国平均气候和极端气候事件变化进行了预估研究.结果表明,届时中国年平均温度普遍上升而且幅度要高于同期全球平均值约0.6℃,增温总体上由南向北加强并在青藏高原地区有所放大,各季节变暖幅度相似但空间分布有一定差别;年平均降水相对于1986～2005年平均增加5.2%,季节降水增加4.2%～8.5%,除冬季降水在北方增加而在南方减少之外,年和其他季节平均降水主要表现为在中国西部和东南部增加而在两区域之间减少.极端暖性温度事件普遍增加,而极端冷性温度事件减少;中国区域年平均的连续5天最大降水量、降水强度、极端降水贡献率和大雨日数分别增加5.1mm,0.28mmd-1,6.6%和0.4d,而持续干期减少0.5d,其中大雨日数和持续干期变化存在较大的空间变率.

温升情景下吉林省冬季极端低温变化与人口暴露度研究

采用经评估后的5个CMIP6全球气候模式进行等权重集合,预估SSP5-8.5情景下,全球升温1.5℃和2℃时段吉林省冬季极端低温事件的变化和影响区域,定量评估低温事件对人口暴露度的影响。结果表明:未来时段吉林省冬季单站极端低温事件年均频次较基准期增多4~10次,增幅呈东多西少分布;区域性极端低温事件的影响面积逐渐缩小,低温持续时间越长,面积缩小幅度越大;持续时间较长的极端低温事件年均频次和平均强度也显著下降;吉林省大部分地区人口受极端低温事件影响,人口暴露度变化主要由人口因子主导,其次受气候因子影响。

海洋对全球变暖的快慢响应与低温升目标

最新研究表明,为了实现《巴黎协定》制定的1.5或2℃低温升目标,温室气体浓度需要在增长到某个峰值后逐渐下降.利用第五次国际间耦合模式比较计划(CMIP5)中气候模式和理想的一维两盒模型的模拟结果,研究了全球变暖下海洋混合层的快速响应和深层海洋的缓慢响应及其对低温升目标的影响.多模式平均结果显示,在辐射强迫先增长后稳定情景(RCP4.5)下,全球表面平均温度(global mean surface temperature,GMST)会以先快后慢两种速率增长;而在辐射强迫先增长后减弱情景(RCP2.6)下,GMST会先快速增长,然后缓慢下降,且在2050~2100年间基本保持不变.这是由于不同情景下,GMST的变化特征由海洋快、慢响应在各个阶段的贡献比例所决定.RCP2.6情景下,GMST在2100年的温升值为1.83℃,对应辐射强迫下降阶段;而在RCP4.5情景下,GMST同样达到该温升值的时间为2033年,对应辐射强迫增长阶段.虽然两个时刻的GMST温升相同,气候系统在两种情景下的响应却有很大区别.其中,由热膨胀导致的全球海平面平均升高幅度在RCP2.6中要远高于RCP4.5,表面增温的空间结构也存在重要差异.在CMIP5使用的大多数未来情景中,多模式平均预估的1.5和2℃温升目标到达时间都远远早于2100年,这意味着如果利用这些情景下的结果来类比21世纪末低温升目标下的情况,会严重低估海洋慢响应过程的气候效应.

温度和二氧化碳浓度升高对青稞生长的影响

采用开顶式气室(OTC)模拟温度和二氧化碳(CO_2)浓度升高的生长环境,以模拟大田环境为对照(CK),通过大田原位模拟试验对"藏青2000"青稞品种在增温2℃(T2)、增温4℃(T4)和增温2℃同时增加CO_2浓度100μL·L-1(T2+CO_2)环境下进行观测,分析气候变化环境下青稞的生育期、光合作用、农艺性状及其耕层土壤养分的变化。结果表明:增温处理(T2、T4、T2+CO_2)下青稞的生育期缩短5～7d。其中,T4处理的生育期最短,为92d,T2和T2+CO_2处理为94d。增温处理中青稞叶片光合作用降低,其净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)均显著低于CK。增温处理使土壤耕层有机质和速效钾含量显著降低,速效磷含量提高。与CK相比,T2、T4和T2+CO_2各处理青稞产量分别下降31.4%、46.9%和39.4%;增温2℃使青稞农艺性状(株高、干物质量、穗长)有所提高,在增温的基础上增加CO_2浓度对青稞的影响并不显著,增温4℃严重影响青稞的正常生长和产量。