短寿命气候强迫因子的自然源排放及气候反馈:IPCC AR6解读

短寿命气候强迫因子(Short-lived Climate Forcers,SLCFs)对大气污染和气候变化具有重要影响,政府间气候变化专门委员会(IPCC,2021)第六次评估报告(AR6)首次专门设立了关于SLCFs的独立章节,除了对人为源SLCFs评估以外,报告也包含了对于自然源SLCFs及其气候反馈的评估。特别地,在未来气候变暖和人为SLCFs持续减排的背景下,加深对SLCFs的自然源排放及其气候反馈的认识将更为重要。本文从自然源SLCFs排放评估、历史和未来气候情景下的排放变化、SLCFs的气候反馈几个方面解读了AR6中有关的最新结论。未来气候变暖情形下,闪电源NO_(x)、植被源BVOCs、生物质燃烧排放将会增加,土壤源NO_(x)、沙尘、海盐颗粒物和二甲基硫(Dimethlysulfide,DMS)对于气候变化的敏感性难以定量。同时,气候变化驱动着SLCFs的排放量、大气含量或寿命的改变,这些过程整体上造成的负反馈参数为-0.20 W/m^(2)/℃(-0.41~+0.01 W/m^(2)/℃),可能从一定程度上缓解气候变暖。

AMAP评估报告解读:短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响

基于北极理事会北极监测与评估计划(AMAP)工作组于2021年发布的“短寿命气候强迫因子(SLCFs)对北极气候、空气质量和人类健康的影响”科学评估报告,本文系统解读了黑碳(BC)、甲烷(CH_(4))、臭氧(O3)与硫酸盐(SO_(4)^(2-))气溶胶等短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响。报告指出:BC、O3和CH_(4)共同促进了北极地区的快速变暖,而SO_(4)^(2-)气溶胶对北极气候变化具有致冷效应,由此减缓了由CO_(2)和SLCFs导致的部分增暖效应。全球人为源CH_(4)排放量以及北极大气中的CH_(4)含量持续增加,苔原退化、泥炭地融化、森林火灾频发等导致北极地区BC和有机碳气溶胶排放日益增多,气候变暖进一步导致更大范围且更加频繁的森林火灾和冻土退化,对BC与CH_(4)等释放以及气候效应形成正反馈。因此,SLCFs减排将有利于北极地区生态环境的健康可持续发展。本文同时讨论了北极地区SLCFs评估的不确定性以及未来的研究展望。

全球年平均人为热释放气候强迫的估算

利用能源经济领域具有权威性的英国石油公司(BP)世界能源统计资料和联合国人口统计资料,通过一些简单的数值计算,初步估算了人为热释放的全球气候强迫。结果表明:当前(2008年)全球年平均人为热释放的气候强迫还不是很大,约为0.031W/m2;但随着人口及能源消费总量的增加,未来人为热释放产生的全球年平均气候强迫将有可能达0.30W/m2。

中国区域人为热释放的气候强迫

研究了1978～2008年中国地区及各省、市、自治区、特别行政区人为热释放造成的气候强迫与不同地区间的人口、能源消费状况和人为热释放的气候强迫的关系,并试图对未来人为热释放的气候强迫做出预估。结果表明,近30年中国地区平均人为热释放造成的气候强迫迅速增加,1978年其值约为0.07W·m-2,但2008年则增至0.28W·m-2。另外,中国人为热释放的气候强迫呈典型地域分布特征,华北、华东、华中和华南等经济发达地区明显高于周围其他地区,而西北地区整体上来说则很小,地区分布很不均匀。这种不均匀分布的特征,可能对区域气候、甚至全球气候造成影响。

气候自然变异与气候强迫变化对径流影响研究进展

在回顾IPCC自1990年至2007年4次关于气候变化对径流影响评价报告进展的基础上,将第一次与第二次评价报告归纳为第一代,主要以气候均值变化对径流影响及其适应为主要特征;第三次与第四次评价报告为第二代,主要突出人为强迫与气候自然变异变化对径流影响及其适应问题。分析了气候变化对水文水资源影响评价方法的发展过程与存在的问题,认为目前的气候影响评价反映了气候年代自然变异的影响,但未考虑与极端事件发生频次和强度变化密切相关的气候日、季和年际尺度变化的影响,从而低估了气候变暖对洪水、干旱以及农业灌溉需水的负面作用。在介绍国内外研究的基础上,为下次IPCC评价报告,提出了应加强水文、气候交叉学科研究气候变化与自然变异对水影响的后果及其适应等问题的建议。

IPCC AR6报告解读:短寿命气候强迫因子的气候及环境效应

影响气候变化的大气成分,依据其在大气中存留的时间,分为长寿命的温室气体和短寿命的气候强迫因子(SLCFs)。考虑到SLCFs在气候变化和大气环境中的重要作用,IPCC第六次评估报告(AR6)首次有了专门针对SLCFs的章节(第六章)。本文解读IPCC报告关于SLCFs的主要结论,特别强调AR5以来的最新结论,包括:SLCFs的定义、SLCFs排放和大气含量的变化特征及其对辐射强迫和全球气候的影响、不同共享社会经济路径(SSP)情景下SLCFs对未来气候变化和空气质量可能的影响,以及COVID-19疫情期间减排对气候变化的影响。文末也讨论了结论的不确定性以及结论对我国的启示。

东亚夏季风气候变迁强迫机制初探

基于反映东亚夏季风气候变迁的洛川黄土磁化率记录及一系列古气候模拟结果 ,通过统计分析研究了地球轨道参数、全球冰量及大气 CO2 含量等强迫因子对东亚夏季风气候变迁的影响。结果表明 ,在 10 5 a时间尺度上东亚夏季风气候变化大约有一半是由全球冰量消长引起的 ,约有 1/ 4归于大气温室气体含量的改变 ,而直接受到地球轨道的线性驱动作用很小。但在 10 3～ 10 4a时间尺度上 ,冰期时东亚季风边缘地区夏季气温和降水变化的70 %～ 80 %是由冰期边界条件 (包括冰量和大气温室气体含量 )造成的 ,而冰后期轨道强迫可以解释季风边缘地区夏季气候变化的 6 0 %以上。

气候自然变异与气候强迫变化对径流影响研究进展

在回顾IPCC自1990年至2007年4次关于气候变化对径流影响评价报告进展的基础上,将第一次与第二次评价报告归纳为第一代,主要以气候均值变化对径流影响及其适应为主要特征;第三次与第四次评价报告为第二代,主要突出人为强迫与气候自然变异变化对径流影响及其适应问题。分析了气候变化对水文水资源影响评价方法的发展过程与存在的问题,认为目前的气候影响评价反映了气候年代自然变异的影响,但未考虑与极端事件发生频次和强度变化密切相关的气候日、季和年际尺度变化的影响,从而低估了气候变暖对洪水、干旱以及农业灌溉需水的负面作用。在介绍国内外研究的基础上,为下次IPCC评价报告,提出了应加强水文、气候交叉学科研究气候变化与自然变异对水影响的后果及其适应等问题的建议。

CMIP6火山强迫的气候响应模拟比较计划（VolMIP）概况与评述

为揭示造成火山强迫气候响应模拟不确定性的原因,第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)设立了火山强迫的气候响应模拟比较计划(VolMIP)。该计划由基于历史火山爆发的理想火山扰动试验组成,包括三组主要的试验:第一组关注短期(季节至年际)大气动力响应;第二组关注海气耦合系统的长期(年际至年代际)响应;第三组关注气候系统对火山群的响应。VolMIP旨在通过给定相同的辐射强迫并进行多成员集合模拟,揭示模式对外强迫响应的不确定性,通过设定不同的背景气候态,阐明内部变率和外强迫对气候响应的相对贡献。

黑碳气溶胶及其在气候变化研究中的意义

简单介绍了黑碳气溶胶的一般性质 ,着重叙述黑碳气溶胶在大气辐射强迫中的特殊作用以及对气候变化的影响 ,概括介绍了国内外相关领域的研究现状 。

气候变化研究中的大气垂直结构探测述评

有关大气成分和性质的垂直廓线的观测和资料积累在气候强迫、气候反馈以及有关气候变化研究的许多方面起着关键性作用。关于温室气体、大气气溶胶、水汽、云和温度的大气垂直廓线,目前仍然有许多尚未解决的科学问题;这些问题的解决,对于理解与未来气候变化有关的多种人为和自然因素的作用,以及影响气候变化敏感性的多种复杂的物理过程十分关键。此外,大气垂直结构观测水平的提高对于气候模式的发展也具有重要意义。进一步完善整层大气的高分辨率垂直结构的观测方法在气候变化研究领域具有广阔的应用前景。

关于气候变化的反馈机制

我们曾经指出,根据美国科学院的意见,完整的气候系统包括五个物理组成部分,即大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈。 现已查明,与内部气候系统有关的气候变化过程,包括了大气、海洋和冰雪的内部驱动机制的大范围分布上的变化,并且在内部系统的各个变量之间存在着相互作用和反馈机制。这种过程可以对气候系统起到内部调节的作用,其时间尺度从一个季节到数千年不等,表现为气候系统内部所固有的各个物理变量之间的相互耦合作用。

全球极端降水对不同外强迫的敏感性响应:基于PDRMIP模拟试验

全球增暖背景下极端降水变化受到了温室气体、太阳辐射、气溶胶等自然与人为强迫因素的共同影响.本文基于“降水驱动与响应模式间比较计划”(A Precipitation Driver and Response Model Intercomparison Project,PDRMIP)提供的9个全球气候模式模拟的针对5种不同因子(加倍二氧化碳、增加2%的太阳辐射、10倍黑碳、5倍硫酸盐、3倍甲烷)高强迫情景下的理想试验,利用气候变化检测和指数专家组(Expert Team on Climate Change Detection and Indices,ETCCDI)定义的4个降水指数,详细分析了不同外部强迫因子作用下全球极端降水的响应.结果表明,相比于平均降水,在5种强迫因子作用下极端降水指数均表现出更大的变化.与加倍二氧化碳相比,增加2%的太阳辐射、5倍硫酸盐气溶胶和3倍甲烷强迫下全球极端降水对温度变化的响应更加强烈,而10倍黑碳气溶胶强迫下的降水变化则表现出较强的模式间差异.在加倍二氧化碳、增加2%的太阳辐射和3倍甲烷强迫下,极端降水的变化表现相似的纬向分布特征,最强的降水响应出现在赤道地区;10倍黑碳、5倍硫酸盐气溶胶强迫下则表现出明显的南北半球差异.水汽收支诊断结果揭示了在高强迫情景下,二氧化碳、太阳辐射和甲烷强迫下热带地区更强烈的降水变化主要与热力作用有关,而动力作用可能是导致黑碳、硫酸盐气溶胶强迫下降水变化的主要原因.

中国地区人为热分布特征研究

利用中国统计年鉴中全国各省份的非再生能源消费资料和2.5min×2.5min分辨率的人口格点数据,对中国地区人为热排放的时空分布进行研究,讨论了其分布特征和影响因素.结果表明,中国地区人为热通量随时间持续增长,特别是在2000年后增长加速,1985年到2000年从0.09W/m2增长到0.16W/m2,而到2013年已经增长到0.38W/m2.中国地区的人为热排放具有显著的地域特征,在华北、华东和华南,由于人口密度大、经济发达,人为热的污染很严重;在华中地区,人为热污染较严重的区域主要分布在以武汉为中心的经济圈;在东北地区,以大连、沈阳、长春和哈尔滨为中心的城市区域人为热污染也较为严重;而在西北和西南的大部分地区,人为热排放量很小,仅在以成都、重庆为中心的区域较大.历年来全国年均人为热的最大值都出现在上海,其中2010年最大,为113.5W/m2,上海人为热排放的年均值增长明显,可达到0.6W/m2/a.随着城市化进程的加快,人为热的排放愈来愈强,热污染对城市和区域的气候以及空气污染的影响也会越来越重要.

江苏省人为热排放现状及未来变化趋势分析

依据1990~2013年江苏省能源消费统计资料和1990、1995、2000、2005、2010年的人口空间分布数据,估计江苏省人为热排放量、探讨其时空分布特征并预测其未来变化趋势。研究结果表明,20多年来江苏省的人为热排放量持续增长,从1990年全省平均的0.59 W/m^2增加到2013年的2.85 W/m^2。排放的空间分布也不均匀,总体上江苏南部地区的排放通量高于江苏北部。近些年江苏省的人为热排放已成为区域问题,高值区已连接成片,2010年江苏省大部分地区的人为热排放高于2.5 W/m^2,南部主要城市排放通量大于10 W/m^2、北部城市也多大于5 W/m^2。江苏各城市的城区人为热排放通量稳步增长,2002年后增长加速、增量最高可达到2 W m^(-2) a^(-1)。在2030年和2050年江苏省的平均人为热排放通量将分别达到5.7 W/m^2和9.1 W/m^2,可能对中国东部的气候和大气环境产生重要影响。

长三角地区人为热时空分布特征研究

根据中国统计年鉴中各地区能源消费资料和人口数据,研究了长三角城市群的人为热排放,对其进行了时间和空间上的分析,讨论了长三角地区的人为热分布特点及影响因素.结果表明,长三角地区的人为热释放量是随时间持续增长的,上海地区的年均人为热通量从1990年的5.47W·m-2到2010年增加为14.46 W·m-2,江苏和浙江也分别从0.68、0.33 W·m-2增加到2.61、1.63W·m-2;人为热释放空间分布不均匀,总体上来说还是以城区为高值中心,向郊区逐渐减小,这种分布与人口密度、工业和经济发展程度密切相关.此外,长三角整个区域的人为热通量都高出全国平均值一个量级以上,而且高值区域已经初步连成一片,人为热将对区域气候造成一定影响.从1990年到2000年,长三角16个城市的城区的人为热通量都是稳步增长的;2000年后人为热通量开始快速增长,增长速度最高可达2 W·m-2·yr-1.城市人为热排放愈来愈强,对城市局地小气候和空气污染影响将越来越重要.

华南地区人为热排放特征

利用1990—2015年《中国统计年鉴》和《中国能源年鉴》中海南、广东、广西以及香港的能源消费与人口数据,分析上述地区人为热排放在时间和空间上的分布特征及其影响因素。结果表明,海南、广东和广西的人为热排放呈持续增长态势,1995—2014年其年均人为热通量分别从0.09、0.47和0.16 W·m^(-2)逐步增长到0.49、1.68和0.44 W·m^(-2)。人为热排放的空间分布不均匀,2010年在珠三角、潮汕地区主要城市、湛江以及海口形成了以城区为中心的相对人为热高值区,其中广州等大城市最大值约为50 W·m~^(-2),香港超过100 W·m~^(-2)。这种分布与工商业发展程度以及人口密度密切相关。随着人为热排放的快速增长,其对该区域局地气候以及空气质量将造成愈来愈大的影响。

过去千年中国东部气温变化的数值模拟研究

已有工作对中国过去千年气候做了大量研究,然而对其成因分析尚比较欠缺.本文采用中等复杂程度的UVic地球系统气候模式模拟了气候强迫因子(太阳辐射、火山灰、太阳轨道、陆表植被变化、温室气体和人为排放的硫酸盐气溶胶)对中国东部地区过去千年气候变化的贡献.结果表明,考虑所有气候强迫因子的数值试验可以较好地再现北半球和中国东部地区中世纪暖期、小冰期和20世纪暖期这三个特征时期,与重建的气温在百年尺度上也具有较好的一致性.模拟结果很好地反映了中国东部气温异常在中世纪暖期和20世纪上半叶比全球气温异常偏高,以及小冰期气温异常比全球偏低的事实.根据中国东部气温的冷暖程度和气候强迫因子的相对贡献大小,将过去千年中国东部地区气温分为8个阶段:中世纪暖期3个、小冰期4个和20世纪暖期1个,并揭示了气候强迫因子对这些子阶段维持及其转换的贡献.结果表明,中国东部地区中世纪暖期的主要贡献来自于太阳辐射,火山灰次之;小冰期各个子阶段的转换过程中,主要取决于温室气体、火山灰和太阳辐射的相对贡献大小.温室气体和火山灰的贡献在小冰期的最后两个阶段中分别为最主要的贡献因子.本文发现了不同自然气候强迫因子之间和不同人为气候强迫因子之间的非线性响应,太阳轨道变化和火山灰气溶胶强迫的非线性响应与温室气体和陆表植被(或者硫酸盐气溶胶)强迫的非线性响应对中国东部地区20世纪末的增温贡献都达到了约0.2℃,而自然气候强迫因子和人为气候强迫因子之间不存在明显的非线性响应.自然气候强迫因子之间和人为气候强迫因子之间的非线性响应对中国东部地区20世纪变暖大约分别贡献了0.09和0.18℃,二者之和约占中国东部地区20世纪末增暖的一半,其余的增温来自于气候强迫因子本身的贡献(即线性响应).