1.5℃增暖对全球和区域影响的研究进展.pdf

doi10.12006/j.issn.1673-1719.2017.159翟盘茂 , 余荣 , 周佰铨 , 等 . 1.5℃增暖对全球和区域影响的研究进展 [J]. 气候变化研究进展 , 2017, 13 5 465-4721.5℃增暖对全球和区域影响的研究进展翟盘茂1，余 荣2，周佰铨1，陈 阳1，郭建平1，卢燕宇31 中国气象科学研究院，北京 100081；2 南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044；3 安徽省气候中心，合肥 230031气候变化研究进展第 13 卷 第 5 期 2017 年 9 月 CLIMATE CHANGE RESEARCHVol. 13 No. 5September 2017摘 要 巴黎协定明确提出将全球平均升温控制在相对于工业化前水平 2 ℃以内，并努力将其控制在 1.5℃以内，以降低气候变化的风险与影响。随后，联合国气候变化框架公约（ UNFCCC）邀请 IPCC 筹备关于 1.5℃增暖影响及温室气体排放途径的特别报告，为 UNFCCC 谈判提供科学依据。通过回顾近期发表的一些成果发现，在 1.5℃到 2℃的不同升温条件下，很多极端天气事件发生的概率将增加。 2℃条件下一些易受威胁的系统，如生态系统和农业系统，将承受全球变暖带来的严重后果；海平面明显上升，珊瑚礁锐减，季风降水减弱等影响将进一步加强。同时，不同地区对全球不同程度增暖的响应也存在很大差异。总的说来，相较于 2℃增暖而言，将增暖控制在 1.5℃以内能进一步减小气候变化影响的风险。然而，要把全球增暖控制在 1.5℃内具有极大的挑战性，并且目前对 1.5℃增暖的影响认识仍然十分不足。定量分析 2℃和 1.5℃增暖对不同区域自然和人类系统造成的影响差异，需要更高分辨率的模式以及更多针对 2℃和 1.5℃增暖影响而设计的专门试验支持。关键词 1.5℃增暖；全球气候变化；区域气候变化；影响；风险收稿日期 2017-08-07； 修回日期 2017-08-31资助项目 国家自然科学基金面上项目（ 41575094；中国气象局气候变化专项（ CCSF210746）作者简介 翟盘茂，男，研究员， 引 言自 20 世纪 50 年代以来，气候系统中观测到了许多在过去几十年乃至上千年时间里前所未有的变化，如大气和海洋变暖，积雪和冰量减少，海平面上升，温室气体浓度增加等[1]。避免人类活动对气候系统的干扰是国际社会应对气候变化和国际气候谈判的目标。自 1992 年联合国气候变化框架公约（ UNFCCC）签署以来，控制和减缓温室气体排放已成为国际社会应对气候变化的优先主题。 IPCC 政策有关的评估主要集中在要将限制全球平均温度升高气 候 变 化 影 响作为 UNFCCC 各种目标背景下的具体气候目标，讨论最广泛的是将全球变暖限制在相对于工业化时代前 2℃这一目标，该目标也取得了国际社会的广泛共识[2-4]。然而，对于较为脆弱及应对全球变暖能力欠缺的一些国家联盟，如小岛国家联盟（ AOSIS）和最不发达国家联盟（ LDCs，全球增暖 2℃带来的影响可能远远超出了这些国家的应对能力[5]。 2015 年 12月， UNFCCC 近 200 个缔约方一致同意通过巴黎协定，其中明确指出把全球平均增暖控制在较工业化前水平 2℃以内，并为把增暖控制在 1.5 ℃以内而努力，以降低气候变化所引起的风险与影响[2]。气候变化研究进展 2017 年466气 候 变 化 影 响在 2015 年， UNFCCC 专门邀请 IPCC 在第六次评估报告（ AR6）准备针对全球增暖 1.5 ℃的影响及温室气体排放途径的特别报告，该特别报告将于 2018 年9月完成。特别报告主要解答可持续发展背景下 1.5℃的减缓途径，给出 1.5 ℃变暖对自然和人类系统的影响，包括极端天气以及一些不可逆的缓变事件（ Slow Onset Event，譬如积雪和冰量减少，海平面上升等，进一步明确加强和实施全球气候变暖下不同的响应政策，以期建立一个消除贫困、减少不公平的可持续发展的世界。本文将从有限的研究文献入手，对全球增暖 1.5℃的确定、影响及挑战进行回顾与总结。1 1.5℃增暖的确定由于早期观测资料的严重不足，准确地评估工业革命开始时（ 1750 年）的温度比较困难，为了避免这一问题， IPCC AR5[1]提出将 1850 1900 年平均温度作为参考值，相对于这一参考值高出 1.5 ℃则定义为较工业化前增暖 1.5 ℃。 WMO 认为， 2016 年全球平均地表温度已经超过工业化革命前 1.1 ℃。需要指出的是巴黎协定所指的 1.5 ℃增暖，是人类活动引起的影响结果，不是简单的直接观测到的结果，因为直接观测的结果包含人类活动和自然变率两部分贡献，某一年的观测值受年际尺度上自然变率的影响较大。为了加强模式预估结果的研究，也有将 19862005 年的平均温度定义为较工业化前有 0.61 ℃的增暖，而比 1986 2005 年高出 0.89 ℃则定义为较工业化前增暖 1.5 ℃[1]，更高增暖的计算则依次类推。当前在 1.5 ℃增暖有关气候变化实际研究中，常与 2℃增暖进行比较，分析不同程度变暖影响的差异。本文利用 12 个 CMIP5 模 式 BCC-CSM1-1、BCC-CSM1-1-m、 CCSM4、 CNRM-CM5、 CSIRO-MK3-6-0、 IPSL-CM5A-LR、 IPSL-CM5A-MR、MIROC5、 MPI-ESM-LR、 MPI-ESM-MR、 MRI-CGCM3 和 NorESM1-M，计算在 3 种典型排放情景（ RCPs）下全球平均地表温度（图 1，从多模式集合平均的结果可以得到在 RCP2.6, RCP4.5 和 RCP8.5情景下达到 1.5 ℃增暖的时间分别为 2033 年， 2029 年和 2026 年，而 RCP4.5 和 RCP8.5 情景下达到 2 ℃增暖的时间为 2049 和 2039 年。不同情景下不同模式达到 1.5℃和 2℃的时间是不一致的[6]。模式间存在差异，这可能与模式的内部变率[7]和气候敏感性[8]有关。图 1 全球平均地表温度变化在历史时期和 3 种 RCP 情景下的演变（ 1986 2005 年为参考年，温度较工业化前有 0.61℃升高）Fig. 1 Global mean surface air temperature as simulated by the CMIP5 multi-model ensemble in historical period and under three RCPs注实线表示多模式集合的平均值，阴影表示模式间的不确定性；蓝色和红色虚线分别表示较工业化前有 1.5℃和 2℃增暖。2000 2020 2040 2060 20801960 1980 2100 年6420RCP8.5RCP4.5RCP2.6历史时期在目前 1.5 ℃气候预估和影响的研究中，由于缺乏未来低排放情景下的模式预估结果，一般利用CMIP5 的模式结果采用时间切片法，该方法主要将一段时间内的模式资料平均值作为一定增暖情况下的结果。利用该方法，有的研究采用先将多个模式结果进行集合平均，然后得到全球增暖 1.5 ℃所对应的年份，从而分析 1.5 ℃增暖的影响，这是比较传统的方法[9]。而有的研究则认为传统的切片法会增加模式结果的不确定性，因而可以通过先分别计算每个模式增暖达到 1.5 ℃的年份，然后将多个模式增暖1.5℃时的影响进行集合平均来分析 1.5℃的影响[10]。目前采用的这些方法主要是建立在气候变化主要受全球平均温度变化影响的假设上，是一种瞬变条件下的增暖响应，不是长期目标所期望的稳定状态下的增暖。因此，进一步的研究还需要有专门为 1.5 ℃和 2℃影响和差异而设计的模式预估试验，以便定量给出对自然和人类系统的影响[11]。目前已有很多机构正在进行更低排放情景下的气候变化预估，以便支持 1.5 ℃增暖影响的研究，也有部分研究成果即将发表。5 期 467翟盘茂，等 1.5 ℃增暖对全球和区域影响的研究进展2 1.5℃增暖对全球的影响IPCC AR5[1]指出在全球变暖背景下，观测到的极端天气的频率和强度在过去的几十年显著的增加，随着温度的增加，极端天气频率将持续增加。围绕全球增暖控制在 2℃和 1.5 ℃极端事件变化及风险研究， Knutti 等[12]研究发现降水的变化随温度升高呈现线性递增，强降水发生频次也明显增加。随着温度持续升高，超过一定阈值后的高温热浪天数随温度增加呈现出非线性增长关系。 Schleussner 等[10]分析得到在较工业化前 2℃增暖条件下，全球 50 的陆地区域暖昼日数将平均增加 1.8 个标准差；而在1.5 ℃增暖下，暖昼日数将增加 1.2 个标准差。在非洲、南美洲以及东南亚等热带地区，暖昼增加明显。同时，在 2℃增暖下，全球 50 的陆地区域持续高温日数较 1986 2005 年将增加 50 d 左右；而在 1.5℃增暖下，将增加 30 d 左右。同样持续高温日数在热带地区增加最为明显，其中，在亚马逊地区甚至能增加 90 d。持续 5 d 最大降水量在高纬度地区增加最为显著，当增暖为 2℃和 1.5 ℃时，分别增加 11 和7。对于持续干期，亚热带和热带地区 40 的陆地区域持续干期将延长，地中海地区的持续干期在增暖 2℃和 1.5 ℃下将分别增加 11 和 7。结合灾害风险研究， Alfieri等[13]则联系暴露度情况，指出在 2℃和 1.5 ℃增暖下，全球受洪水影响人口将分别增加170 和 100，而造成的财产损失将分别增加 170和 120，其中，亚洲、美国和欧洲受到的影响最大。除了极端天气外，海平面上升也是气候变化研究中至关重要的一个方面。 Schewe 等[14]指出在RCP8.5 情景下，相对于 1980 1999 年， 2100 年海洋增暖将引起海平面几乎上升 0.5 m。 Schleussner 等[10]研究得到，相对于 2000 年，在 2℃增暖下 2100 年海平面将上升 50 cm，而在 1.5 ℃增暖下则是 40 cm，在 1.5 ℃增暖下海平面上升的速率比 2℃增暖下减小30。 Schaeffer 等[15]进一步得到在 2℃增暖下，海平面会以目前 2 倍的速率持续增长，到 2300 年海平面最高将较 2000 年增加 2.7 m，在 1.5 ℃增暖条件下也将增加 1.5 m。 Knutti 等[12]研究发现虽然长期的海平面升高一般发生在百年尺度上，但当温度升高超过一定阈值后，会发生快速而突然的变化。格陵兰冰盖的融化所导致的损失和破坏将远远大于 2℃增暖。此外，也有一些对 1.5 ℃增暖条件下可利用水资源、农业产量、珊瑚礁等受到的影响进行的研究。水资源缺乏是生态系统和人类社会当今面临的最大的挑战之一。 Schleussner 等[10]发现将增暖从 2 ℃控制到 1.5 ℃，使得在高纬度地区径流量相对会减少，印度、东非和部分撒哈拉地区也会有所减少，而中海地区的径流量会增加。温度的增加也会影响农作物的产量。农作物的类别和区域不同，其预估的变化也会有所不同。温度的增加可能会给一些高纬度地区带来增产，而对于热带地区，譬如西非、东南亚、以及美国的中部和东北部地区，农作物产量将会减少，尤其是小麦和玉米。热带珊瑚礁的变化也与温度密切相关，由于温度增加引起的珊瑚礁白化现象将导致热带的珊瑚礁显著减少，在 2℃增暖条件下，几乎所有的热带珊瑚礁都会受到威胁；而在1.5℃增暖条件下，到 2050 年珊瑚礁将减少 10。3 1.5℃增暖对区域的影响全球气候变暖背景下，不同地区的响应存在差异，各个区域关注的重点问题也会有所不同。地中海地区是人类活动和气候变化影响最脆弱的区域之一， Koutroulis 等[16]通过研究发现在全球持续增暖的背景下，该区域降水量会趋于减少而平均径流量也会逐步的减少，使得可利用水资源减少 10 ～ 30，导致地中海区域大部分地区遭受严峻的水资源压力。而对于一些本身就受限于可利用水资源的小岛国，这一压力无疑会更加突出。在澳大利亚[17]， 1.5 ℃增暖下澳大利亚南部和中部的极端高温日数将会是每年两周，而北部则会在每年一个月左右，并且随着增暖的加剧会进一步增加。同样，全球变暖也会对澳大利亚的珊瑚礁、可利用水资源以及海平面上升等方面产生影响。对比 1.5 ℃和 2℃增暖发现，将增暖控制在 1.5 ℃以内，能有效减少澳大利亚极端高温事件的频率。并且，对于类似 2016 年大堡礁白化的极端事件，其概率也能减少 25[18]。同时， James等[19]通过对不同强度增暖影响的研究，发现非洲地气候变化研究进展 2017 年468气 候 变 化 影 响区在增暖 1℃时降水增加不显著，而随着温度的增加，东非降水会增加，而南非、几内亚湾和撒哈拉西部降水却会减少。中国近期也有很多研究关注了这一热点问题。值得关注的是，无论是观测还是预估结果都得出中国地表温度增暖速度要快于全球[20-21]。陈晓晨等[22]指出，在不同增暖阈值下未来中国极端暖事件明显增多，极端冷事件减少。 Guo 等[9]研究指出在 RCP8.5情景下，增暖从 5℃控制到 1.5 ℃，能使得我国热浪从每年 3.2 次减少到每年 1.0 次。王安乾等[23]研究得到将增暖从 2℃控制到 1.5 ℃时，在华东与华北等地暴露在最强极端低温事件的耕地面积会有所减少。在 RCP8.5 情景下增暖 4 ℃和 3 ℃，中国平均 5 d 最大降水量将增加 17.0 mm 和 12.5 mm。 Su 等[24]发现长江上游年平均径流和峰值径流等在 21 世纪都将增加。从空间分布上看，中国北方平均降水增多，西南地区极端降水强度的增幅高于其他地区。 Chen 等[25]发现将增暖控制 1.5 ℃内比 2℃更能有效减弱长江上游流域的径流量，从而减少洪涝事件的发生。同时，李红梅等[26]分析全球变暖背景下青藏高原极端事件的情况，发现全球变暖 2℃背景下青藏高原霜冻日数、冰封日数减少，暖夜日数、暖昼日数增加；同时，中雨日数、强降水量、降水强度均增加，持续干期天数减少。综上可知，相比较更高的增暖， 1.5 ℃增暖能在全球和区域尺度进一步减少气候变化的灾害和风险。而中国作为最大的发展中国家，目前对 2 ℃及更高增暖的影响已有不少的研究[9,21-26]，而对 1.5 ℃增暖影响的研究仍较欠缺，对 1.5 ℃增暖在中国不同地区可能造成的影响也很不明确。本文利用前述 12个 CMIP5 模式的结果，给出了在 RCP2.6 情景下全球 1.5 ℃增暖对 10 个与温度和降水密切相关的极端指数较 1986 2005 年的变化（图 2。由图可知，在全球 1.5 ℃增暖下，中国地表温度呈现出一致性的增加，其中北方增加幅度大于南方。地表温度的增加，进一步导致了极端温度和降水的增加，对于极端温度指标而言，其空间分布具有一致性，均为正距平。其中，暖日（ TXx）的强度显著增加，而冷夜（ TNn）的强度将减弱，极端低温日数（ TN90p）也比极端高温（ TX90p）增加明显，持续高温日数（ WSDI）在中国也一致地增加。而对于极端降水指标，由于降水不仅仅受温度的影响，还与辐射排放等因素有关，所以其存在空间差异。总体而言，雨日降水强度（ SDII、持续 5 d 最大降水量（ RX5day）以及极端降水总量（ R95p）都呈现增加趋势，而持续干期（ CDD）在中国南方地区却呈现出增加趋势，这将对南方的农业生产造成影响，最大持续降水天数（ CWD）在中国东部地区呈现出显著的增加。4 将全球增暖控制在 1.5℃的可能与挑战IPCC AR5 表明，相对于 1850 1900 年的平均气候状态，在 RCP4.5、 RCP6.0 和 RCP8.5 情景下， 2081 2100 年间的全球平均温度的预估可能比1850 1900 年间的平均值都要高 1.5 ℃（高信度 ，并在 RCP6.0 和 RCP8.5 情景下可能比 1850 1900 年均值高 2 ℃（高信度 。在 RCP2.6 情景下，相对于1850 1900年，温度变化不可能超过 2℃（中等信度）。根据气候变化评估模式（ MAGICC）模拟的结果，即便将 CO2的浓度限制在 430 10-6～ 480 10-6的排放情景，也只有不到 50 的可能性在 21 世纪将增暖保持低于 1.5 ℃[27]。 Rogelj 等[28]认为将增暖从 2℃严格限制到 1.5 ℃显然需要世界各国更大努力减排，而按现在观测到的实际情况来看，目前大气 CO2浓度已经超过 400 10-6，留下的把全球增暖控制在 1.5℃的时间空间也越来越少。有研究指出，即便是对于2℃增暖目标，也需要现在开始实施逐年至少 2 的减排[29]。截至目前，只有有限的研究报告了 2100 年增温不超过 1.5 ℃的模拟情景[30-33]，其中一些研究表明很可能在增暖超过 1.5 ℃并达到一个峰值，出现过冲（ Overshoot）之后，在 21 世纪末之后又回落至 1.5℃。与此情景相关的有限的文献大致有以下共同建议1 立刻实施减排行动； 2 迅速加强多种减排技术；3 沿着低能耗轨迹发展[34]； 4 采用太阳辐射管理或者地球工程技术。同时， Rogelj 等[28]采用多模式综合影响评估（ IAM）的方法，分析了将增暖限制在1.5 ℃时能源 - 经济 - 环境综合的排放情景，发现1.5℃情景时虽然能量系统转型与 2℃排放情景类似，5 期 469翟盘茂，等 1.5 ℃增暖对全球和区域影响的研究进展图 2 中国地区 10 个极端温度和降水指数在全球 1.5℃增暖背景下（ RCP2.6）较 1986 2005 年的变化Fig. 2 The distribution of ten extreme temperature and precipitation indices in China under the 1.5℃ global warming for scenario RCP2.6 relative to 1986-200550˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E50˚N40˚N30˚N20˚N90˚E 120˚E0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 ℃ 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 ℃ 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 ℃4 8 12 16 20 24 d 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 -0.05 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 mm/d 1 3 5 7 9 mm-1 4 12 20 28 36 mm-4-1.2 0.4 1.2 2.0 d-2.0 -0.4-3 1 3 5 d-5 -1a Tas b TXx c TNnd TX90p e TN90p f WSDIg SDII h RX5day i R95pj CDD k CWD但这时大部分领域和行业的排放需要大幅度减少，2030 2050 年减排与 2℃时有很明显的不同。所以，将增暖从 2 ℃严格限制到 1.5 ℃明显需要世界各国更大力地减排，也意味着世界范围内零排放时代需要提前到来。提高能源的使用效率以及尽早严格控制排放是 21 世纪末以前将增暖限制在 1.5 ℃的重要条件。5 总结与讨论对于 1.5 ℃有关科学和技术问题， UNFCCC 专门邀请 IPCC 在 AR6 周期内准备全球增暖 1.5 ℃的影响及温室气体排放途径的特别报告，该报告拟主要在 IPCC AR5 的基础上评估可持续发展背景下 1.5 ℃的减缓途径，给出 1.5 ℃增暖对自然和人类系统的影气候变化研究进展 2017 年470气 候 变 化 影 响响，包括极端天气以及一些不可逆转的缓变事件，譬如积雪和冰量减少，海平面上升等，进一步明确加强和实施全球气候不同程度变暖下的响应对策，以期建立一个消除贫困、减少不公平的可持续发展的世界。通过回顾目前已有的全球变暖对气候变化影响研究，可以得到在进一步增暖条件下，一些极端天气事件，如极端暖事件、强降水等将明显增多，增暖幅度加大，极端天气事件发生的概率将大大增加；一些易受威胁的系统，如生态系统和农业系统将受到全球变暖带来的严重后果；同时，海平面上升，珊瑚礁锐减，季风降水减弱等影响也都将加剧。不同地区对全球变暖的响应也会存在差异，岛屿国家比较关注海平面上升，农耕国家更关注农作物的生长条件，而城市化高度集中的国家则会更关注高温热浪和极端降水等影响。但是，总的说来，将增暖控制在 1.5 ℃以内较 2℃能减少一定的风险。当然，考虑到历史累积碳排放和含碳能源基础设施的锁定作用导致全球碳排放稳定增加[27,35]，进而不可避免地会导致温度增加。因此，人类要实现 1.5 ℃这一增温目标具有很大的挑战性。同时，需要加强对 1.5 ℃增暖影响以及 1.5 ℃相对于 2℃减少风险的科学研究。首先，目前研究领域比较集中在极端事件和海平面上升等，而在积雪和冰量等方面的研究还不是很多，这距全面回答 1.5 ℃增暖对自然和人类系统的影响仍有差距。其次，除了直接将增暖控制在 1.5 ℃之外， 1.5 ℃的实现还有一种可能就是先出现一个峰值时期，然后再回落到1.5 ℃（ Overshoot，而达到 1.5 ℃的路径不同，其相关的气候影响以及相对应的气候政策也会不同，而目前关于这两种实现 1.5 ℃增暖的路径所导致的不同影响还需要进一步深入的研究。同时，未来 1.5 ℃和2℃增暖在不同气溶胶和温室气体排放的情景下的结果也有不同[36]。在东亚地区，气溶胶对极端温度的影响比温室气体排放要大一点，而对于极端降水，气溶胶的影响也很明显。因此，评估 1.5 ℃和 2℃增暖的影响，特别在区域层面上，不仅要考虑总的二氧化碳辐射强迫及所导致的增暖程度，还需要考虑排放情景中化学成分组成所造成的不同影响。值得注意的是，目前大部分研究是利用 CMIP5情景驱动的试验结果来完成的，而且，研究区域气候变化，尤其是区域极端天气，仅目前的 CMIP5 情景还是不够的。深入分析这些变化，需要提高模式的分辨率，需要大量的专为研究 1.5 ℃和 2℃影响和差异而设计的试验，以便定量的给出对自然和人类系统的影响[11]。目前，半度额外增暖和预估影响计划（ HAPPI）正为加快 1.5 ℃和 2 ℃影响和差异研究开展大量的试验，以期为 IPCC 1.5 ℃增暖特别报告提供依据[37]，另外还有其他许多研究机构也都在不断的更新试验设计并对其输出的资料进行分析研究，但更加完善的研究结果只能依靠 CMIP6 中专门为1.5 ℃增暖而设计的极低排放情景下的模式结果来提供支持。参考文献IPCC. 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