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%)。

全球2℃温升背景下青藏高原植被对气候变化的响应

《巴黎协定》提出全球暖化程度在21世纪末相对工业革命前控制在2℃以内的目标。青藏高原高寒植被对全球变暖非常敏感,在2℃温升这个边界增温条件下研究高原植被对气候变化的响应关系到高原生态安全问题,有重大现实意义。本文基于CMIP5多模式模拟预测结果研究了高原植被对2℃温升的响应,并探讨了高原植被对于气候因子变化的敏感性,得到主要结论如下:在全球2℃温升背景下,高原植被叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)较历史参考期显著增加,高原变绿,其中高原中部LAI和植被碳存储增加最为显著,三江源是植被LAI增加较快的区域。增温后裸地面积迅速减少,植被覆盖率总体增加,大部分地区草地呈增加趋势,森林减少趋势变缓,说明在2℃温升期高原植被有所改善。在全球2℃温升背景下,高原植被覆盖率表现出对温度和降水率等气候因子更强的依赖性和敏感性,在增暖环境中,气温仍是影响高原植被生态系统变化的主控因子。

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℃目标对中国国家自主贡献和长期排放路径的影响

在《巴黎协定》设置的混合减排机制下,中国的INDC尽管自主提出,但也受全球气候目标及全球减排进展的影响。本文基于气候公平的不同原则,建立了公平分配未来碳排放空间的综合性框架,并利用最新情景研究数据,分析了2℃和1.5℃目标对中国INDC力度以及长期排放路径的影响。研究结果表明:第一,相比2℃目标,1.5℃目标对本世纪内全球累积碳排放空间、关键时点的减排目标、近期减排力度以及碳中和时间等都提出了更高要求。第二,根据公平分配方案的评估结果表明,2℃目标下,中国现有INDC在责任方案下能够满足减排要求,而在其他方案下存在排放差距。而在1.5℃目标下,中国在四个方案下均无法满足减排要求,且排放差距进一步扩大。第三,2℃和1.5℃目标对中国确定长期排放目标以及碳中和时间,也会产生显著影响。相比2℃目标,1.5℃目标下,中国2050年排放相对2010年下降率需要再增加约15个百分点,实现碳中和的时间需要提前15年左右。因此,中国需要根据公平分配研究给出的提高INDC力度要求的区间,提前准备《巴黎协定》后关于全球盘点和INDC更新议题新一轮谈判的应对策略,同时应尽早启动制定长期低碳发展战略的政策研究进程。

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℃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.

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。

全球升温控制在2℃以内目标下中国能源与排放情景研究

近几年来,全球到2100年将自工业化以来温度上升控制在2℃的目标已经达成共识。但是未来如何实现全球2℃升温控制目标是目前各国研究机构需要答复的问题,也是IPCC第五次评估报告的重点。近期全球几个研究项目已经着重利用模型分析全球2℃目标排放途径。中国在全球眼中的角色很重要。本文给出了我们利用模型分析中国在全球框架下实现2℃目标的排放情景的主要因素,同时讨论了中国实现2℃排放情景的可行性。研究发现,如果全球要实现2℃升温控制目标,中国需要将CO2排放在2025年之前达到峰值,而且中国实现这样的排放途径也是可能的。近期技术进步、对低碳发展的投资潜力、中国走向低碳发展的政策环境,为中国在2025年实现排放峰值提供了基础。

CMIP5模式对辽宁省气温模拟能力及未来2℃升温阈值出现时间评估

利用全球气候模式、多模式集合和辽宁省气象观测数据,评估了不同典型浓度路径下19个全球气候模式和多模式集合对辽宁省气温变化模拟能力和可信度。结果表明:最优模式模拟结果优于多模式集合,具有较高的可信度。随着全球二氧化碳排放浓度增加,气温变化率和可信度呈增加趋势,首次达到2℃年份呈提前趋势,大部分站点出现在2011年之前,且出现年份越晚,升幅往往越高,反之亦然。大部分站点首次稳定到达2℃阈值开始年份在2022年之前,结束年份出现在2019—2026年,持续时间在13 a以下,开始年份均呈西早—东晚分布形势,结束时间和持续时间分布较均匀,且随着全球二氧化碳排放浓度增加,升温幅度呈上升趋势。不同典型浓度路径下各区域最高温、最低温和平均气温出现年份和变化特征均比较一致。

CMIP5对东北地区气温评估和2℃/4℃升温阈值出现时间研究

利用全球气候模式、多模式集合和东北三省观测数据,评估了不同典型浓度路径下全球气候模式和多模式集合对东北区域气温变化模拟能力和可信度,结果发现最优模式模拟结果优于多模式集合,具有较高的可信度。2℃升温阈值结果分析表明:大部分地区首次稳定到达2℃阈值开始年份分别出现在2025年之前(RCP2.6),在2015年之前(RCP4.5)和在2033年(RCP8.5)之前;其中RCP2.6情景下出现最早,RCP8.5情景下最晚,各情景下大体呈西晚-东早分布形势。4℃升温阈值结果分析表明:随着情景增加,首次达到4℃阈值的年份呈提前趋势,其中RCP4.5下出现最早,大部分站点出现在2048年之前,RCP8.5下出现最晚,大部分站点出现在2073年之前。东北三省气温预估结果分析表明:东北三省未来气温呈同步一致变化特征,随着情景增加,各省升温速率均呈上升趋势。

2℃低温下冬小麦幼苗质膜Ca^(2+)-ATPase的活性变化

用氯化铈 (CeCl3 )沉淀的电镜细胞化学方法 ,对常温下及 2℃低温处理后的冬小麦 (TriticumaestiviumL .)幼苗质膜Ca2 + ATPase活性进行定位 .结果显示 :(1)常温下生长的冬小麦幼苗 ,质膜上有部分Ca2 + ATPase活性反应 .(2 )冬小麦幼苗经 2℃低温处理 1h ,质膜上Ca2 + ATPase活性增加 .处理 3h ,活性进一步加强 .2℃下处理 12h ,有强的酶活性反应 .处理 2 4h后 ,活性反应达到最强 .2℃处理 3d ,Ca2 + ATPase活性有所下降 ,但仍高于CK .细胞结构完整 .据结果推测 ,质膜Ca2 + ATPase活性受细胞内Ca2 + 浓度反馈调节 .图 1参

1.5和2℃升温阈值下中国温度和降水变化的预估

基于CMIP5耦合气候模式模拟结果对1.5和2℃升温阈值时中国温度和降水变化的分析表明,1.5℃升温阈值时,中国年平均升温由南向北加强且在青藏高原地区有所放大,季节尺度上升温的空间分布与其类似,就区域平均而言,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均气温分别升高1.83、1.75和1.88℃,气温的季节变幅以冬季升高最为显著;除华南和西南地区外中国大部分地区年平均降水量增多,降水的季节差异明显,以夏季降水的分布模态与年平均降水量的分布最为相似,区域平均的年降水量分别增加5.03%、2.82%和3.27%,季节尺度上以冬季降水增幅最大。2℃升温阈值时,RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均温度的空间分布与1.5℃升温阈值基本一致,中国年平均气温分别升高2.49和2.54℃,季节尺度上气温的变化以秋、冬季增幅最大;中国范围内年平均降水量基本表现为增多趋势,其中,西北和长江中下游部分地区表现为明显的季节差异,区域平均的年降水量分别增加6.26%和5.86%。与1.5℃升温阈值相比较,2℃升温阈值时中国年平均温度在RCP4.5和RCP8.5情景下分别升高0.74和0.76℃,降水则分别增加3.44%和2.59%,空间上温度升高以东北、西北和青藏高原最为显著,降水则在东北、华北、青藏高原和华南地区增加最为明显。

基于CMIP5耦合气候模式的1.5℃和2℃升温阈值出现时间研究

利用CMIP5耦合气候模式的模拟结果,分析了不同排放情景下1.5℃和2℃升温阈值出现的时间。多模式集合平均结果表明:RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下,全球地表温度将分别在2029年、2028年和2025年达到1.5℃升温阈值;RCP2.6情景下直至21世纪末期都未达到2℃升温阈值,RCP4.5和RCP8.5排放情景下达到2℃升温阈值的时间分别为2048年和2040年。伴随着排放情景的升高,完成从1.5℃升温阈值到2℃升温阈值所需要的时间缩短。区域尺度上,达到同一升温阈值的时间主要表现为陆地比海洋早,且陆地对排放情景差异的敏感性相对较差,而海洋达到升温阈值的时间则随着排放情景的升高而明显提前。中国达到相应升温阈值的时间要早于全球,且以东北和西北地区出现的时间最早。

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℃。

模式内部变率引起的1.5℃和2℃升温阈值出现时间模拟的不确定性研究

模式内部变率是模拟结果不确定性的重要来源,然而它对于1.5℃和2℃升温阈值出现时间不确定性的影响尚不清楚。因此,基于耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的多模式数据研究了模式内部变率对1.5℃和2℃升温阈值出现时间不确定性的影响以及对未来排放情景的敏感性。结果表明,模式内部变率对升温阈值出现时间模拟的影响与外强迫的影响相当,单个模式内部不同成员达到全球平均1.5℃或2℃增温的年份相差2 ~ 12 年;其影响具有明显的空间差异,影响极大值出现在欧亚大陆以北洋面、白令海峡周围区域、北美东北部及其与格陵兰岛之间的海域、南半球高纬地区等;低排放情景下模式内部变率的影响大于高排放情景。

全球2℃温升碳约束下中国煤电搁浅资产研究

作为全球煤电装机规模最大且仍在扩张的国家,中国需要慎重评估兑现《巴黎协定》温室气体减排承诺带来的潜在煤电资产搁浅问题。研究运用“上下交互”的碳锁定曲线模型,识别不同产能扩张情景下(无新增、新增200、300和400 GW)的搁浅煤电机组。首先,从“自上而下”角度匡算中国煤电行业2℃温升目标下的碳配额。然后,从“自下而上”角度,根据高精度的燃煤电站信息核算煤电累积CO2排放量。最后基于“上下交互”模式筛选出搁浅燃煤电站,在此基础上运用现金流量法估算其潜在的搁浅价值,并对其关键因素进行敏感性分析。结果表明,在无新增情景下,煤电搁浅资产规模约为0.38万亿元;若继续增加200~400 GW煤电装机,则搁浅价值将较无新增情景增加3.7~8.2倍。因此,建议“十四五”期间应树立煤电规模峰值意识,严控煤电新增产能,避免错过最佳减排时机。

1.5℃与2℃温升目标下“一带一路”主要陆域气温和降水变化的CMIP6多模式预估

基于CMIP6的16个全球模式试验数据,多模式集合预估了《巴黎协定》1.5℃/2℃温升目标下“一带一路”倡议的主要陆域未来气温和降水变化。与观测相比较,多模式集合能够比较准确地刻画“一带一路”主要陆域1995~2014年气温和降水的空间结构特征。在SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种不同路径情景下,相对于工业革命前(1850~1900年),全球升温1.5℃与2℃分别将发生在2020年代中后期与2040年左右。全球1.5℃与2℃温升目标下,预计“一带一路”陆域平均的气温分别显著升高1.84℃和2.43℃,两者相差0.59℃,模式间标准差分别为0.18℃和0.21℃;区域平均的降水分别显著增加20.14 mm/a和30.02 mm/a,相差9.88 mm/a,模式间标准差分别为10.79 mm/a和13.72 mm/a。两种温升目标下,“一带一路”主要陆域气温空间上均表现为一致性显著增暖,高纬度的增温幅度普遍比低纬度大;降水变化具有明显的空间差异性,地中海与黑海地区、中国南部至中南半岛地区减少,其他地区的降水普遍增加。P-E指数表征的干旱化未来在欧洲地区、中国南部至中南半岛地区、南亚印度东部地区、东南亚和赤道非洲中部地区达到最大。

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℃低温下抗寒冬小麦与冷敏感春小麦幼苗细胞质膜Ca^(2+)-ATPase活性比较

通过氯化铈 (Ce Cl3)沉淀的电镜细胞化学法 ,对比观察了抗寒冬小麦幼苗和冷敏感春小麦幼苗质膜 Ca2 + -ATPase活性的变化 ,结果显示 :2 0℃下生长的冬小麦幼苗 ,Ca2 + - ATPase活性主要定位于质膜上。2℃下 ,随处理时间的延长 (3h、12 h) ,质膜 Ca2 + - ATPase活性反应逐步增强。2℃下处理 3d,质膜上仍存在酶反应产物 ,质膜 Ca2 + - ATPase活性高于对照。2 0℃下生长的春小麦幼苗 ,其质膜 Ca2 + - ATPase活性水平高于同样条件处理下的冬小麦幼苗的酶活性水平。2℃处理 3h,春小麦幼苗质膜上酶活性反应明显增强。2℃处理 12 h,酶活性反应迅速降低。2℃下处理 3d,春小麦幼苗质膜上酶反应产物明显少于对照 ,质膜 Ca2 + - ATPase已接近失活。结果表明 ,低温逆境下质膜 Ca2 + - ATPase活性的大小及其稳定性 。

1.5℃和2℃目标下中国交通部门2050年的节能减排协同效益

利用能源系统模型IMED|TEC,构建可实现2℃和1.5℃温升目标的碳约束情景(2度情景和1.5度情景),分析中国交通部门低碳化的能源结构变化和空气污染改善的协同效益。研究结果表明, 2℃和1.5℃温升目标下,2050年能源消耗比基准情景分别下降12%和33%,能源结构从传统的油制品占主导转变成使用更清洁的生物质能,甚至电能和氢能。2度情景下生物质能占总能耗的35%,而在1.5度情景下,氢能、电能和生物质能占总能耗的67%以上。同时,中国交通部门脱碳能够带来显著的空气污染物减排协同效益。2度情景下,到2050年CO2排放量减少38%,对应交通部门主要排放空气污染物NOx,SO2和PM2.5分别减排35%,34%和38%。1.5度情景下,污染物减排量是2度情景的两倍以上,但对于航空部门和水运部门,其污染物减排量较小。