中國極端降水和高溫歷史變化及未來趨勢

一、前言自工業(yè)革命以來，大氣中的二氧化碳濃度顯著升高，2021年的二氧化碳年平均濃度為414.7ppm，相較2020年升高約2.3ppm，是現(xiàn)代儀器觀測記錄的最高值。二氧化碳等溫室氣體的持續(xù)排放已導致全球平均氣溫顯著升高，增加了全球出現(xiàn)極端氣候風險。據(jù)《全球氣候風險指數(shù)2021》顯示，過去20年全球發(fā)生了約11000次極端氣象災害事件，導致約47.5萬人死亡，帶來的經(jīng)濟損失近2.56萬億美元。由溫室氣體排放引發(fā)的全球變暖已顯著影響區(qū)域水文大氣循環(huán)過程，導致諸如極端干旱、暴雨洪澇、高溫熱浪、海平面上升、冰川退化和凍土消融等災害問題的頻繁發(fā)生，嚴重制約了區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境的平衡發(fā)展。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告指出，2011—2020年的全球平均氣溫相對于1850—1900年升高了約1.09℃；在未來持續(xù)變暖的情景下，極端氣候事件如極端降水、高溫熱浪的發(fā)生頻率和強度均將有所提升。根據(jù)Clausius-Clapeyron熱力學方程，大氣顯著升溫將導致大氣飽和水汽壓增加，從而加大極端降水事件發(fā)生的頻率和強度。極端降水事件的頻發(fā)將引發(fā)區(qū)域洪澇問題，威脅城鄉(xiāng)居民生命財產(chǎn)安全，同時因暴雨災害帶來的糧食減產(chǎn)問題也將加劇全球糧食危機，引發(fā)一系列次生災害。極端高溫熱浪事件將加大熱射病、心腦血管、呼吸道、神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病率，直接威脅人體健康。為緩解全球變暖帶來的影響，《巴黎協(xié)定》提出，將全球升溫幅度控制在1.5℃以內(nèi)，并努力限制升溫幅度在2℃以內(nèi)。已有研究指出，2011—2020年全球平均氣溫上升0.24℃；通過有限振幅脈沖響應（FalR）氣候模式模擬顯示，在2021年立即停止碳排放情景下，全球平均氣溫在2029年前后仍有42%可能性超過1.5℃溫控目標；基于多種氣候模式預估顯示，全球升溫1.5℃、2.0℃將可能分別發(fā)生在2030年、2040年前后，我國區(qū)域的溫度變化將高于全球平均水平。全球變暖已是不爭的事實，氣候變化將對我國資源、生態(tài)和經(jīng)濟社會產(chǎn)生重要影響。中國工程院咨詢項目“水平衡與國土空間協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略研究（一期）”中的子課題“重點區(qū)域水平衡關(guān)系與水循環(huán)要素演變”（2020年），重點梳理了水平衡要素演變規(guī)律，分析了氣候變化對區(qū)域水平衡的影響。其中，全球變暖下的極端事件變化直接關(guān)系我國經(jīng)濟社會和人民財產(chǎn)安全，揭示全球變暖背景下我國極端降水和高溫的歷史演變規(guī)律，預估未來極端氣候事件的可能變化對于應對氣候變化風險具有重要意義。鑒于此，本文結(jié)合CN05.1全國網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)和第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）的全球氣候模式模擬氣候數(shù)據(jù)，重點分析我國歷史極端降水和高溫變化及未來趨勢，研究提出應對極端事件和減緩氣候變化影響的政策建議。二、研究數(shù)據(jù)及方法（一）研究數(shù)據(jù)本研究采用1975—2014年的CN05.1網(wǎng)格氣象數(shù)據(jù)（降水量、最高氣溫、最低氣溫）作為實測信息，分析歷史極端降水和高溫事件的變化趨勢及其空間特征。CN05.1氣象數(shù)據(jù)由全國2400多個氣象站的資料插值生成，由國家氣候中心提供。未來降水量、最高氣溫、最低氣溫數(shù)據(jù)則采用全球氣候模式預估結(jié)果，其中氣候模式選自最新發(fā)布的CMIP6計劃，包括ACCESS-CM2、ACCESS-ESM1-5、CanESM5、EC-Earth3、EC-Earth3-Veg、EC-Earth3-Veg-LR、GFDL-ESM4、KACE-1-0-G、MRI-ESM2-0、NorESM2-LM、NorESM2-MM共11個氣候模式。這些模式在極端降水和氣溫模擬方面有良好的表現(xiàn)，且CMIP6相對于CMIP5對極端氣候的模擬能力有所提升。CMIP6提供了1850—2014年的歷史氣候模擬數(shù)據(jù)和2015—2100年的未來氣候預估數(shù)據(jù)，為與我國歷史觀測信息時間對應，本文以1975—2014年作為歷史基準期，以2015—2054作為未來預估期，選取兩種不同的共享社會經(jīng)濟路徑情景（SSP1-2.6、SSP5-8.5）進行對比分析。SSP1-2.6情景表示在可持續(xù)發(fā)展路徑下，2100年的輻射強迫穩(wěn)定在2.6W/m2；SSP5-8.5情景表示在傳統(tǒng)化石燃料為主的路徑下，2100年的輻射強迫高至8.5W/m2。（二）研究方法本文涉及的歷史和未來氣候預估數(shù)據(jù)分辨率因有所差異，故采用雙線性插值將所有歷史和未來預估數(shù)據(jù)分辨率統(tǒng)一到0.5°×0.5°網(wǎng)格。氣候模式預估的原始數(shù)據(jù)在區(qū)域應用時存在較大偏差，本研究以CN05.1歷史數(shù)據(jù)為參考，采用日偏差矯正法（DBC）對氣候模式的歷史和未來數(shù)據(jù)進行偏差矯正。極端降水和高溫指標選取強降水量（R95TOT）、降水強度（SDII）、暖夜日數(shù)（TN90p）及暖晝?nèi)諗?shù)（TX90p）來分析極端氣候事件的變化情況。各極端指標含義如表1所示。其中歷史時期極端事件指標閾值通過1975—2014年CN05.1數(shù)據(jù)集確定，未來極端事件指標閾值通過上文所選氣候模式在不同排放情景下的1975—2014年模式數(shù)據(jù)確定。表1極端天氣事件指標確定

采用泰爾?森（Theil-Sen）趨勢估計法、曼?肯德爾（MK）非參數(shù)秩次檢驗法對1975—2014年歷史極端氣候指標的演變趨勢及顯著性進行分析。對于未來極端事件的趨勢預估，以未來預估期多年平均極端指標相對歷史基準期平均值的變化來表征極端事件的未來趨勢，其中極端降水采用相對百分比、極端高溫采用絕對變化；同時，通過不同氣候模式的預估結(jié)果來考慮預估不確定性。為便于比較分析，按照省級行政區(qū)地理位置，將全國劃分為西北、華北、東北、西南、華中、華東、華南七大區(qū)域，通過統(tǒng)計分區(qū)內(nèi)網(wǎng)格指標變化來反映區(qū)域極端指標差異。三、我國歷史氣候變化情況（一）歷史極端降水變化圖1為不同區(qū)域1975—2014年R95TOT、SDII指數(shù)的變化率以及MK趨勢值的箱線圖。從變化率來看，1975—2014年，R95TOT趨勢變化空間格局與我國夏季降水量變化趨勢的空間分布相似（見圖1（a）），總體上由西北向東南依次呈現(xiàn)增加?減少?增加的格局特征。具體表現(xiàn)為：西北地區(qū)超過75%的地區(qū)呈增加趨勢，每10年的增加速率在0~30mm；胡煥庸線以東的東北、華中、華東和華南等地區(qū)R95TOT增加最明顯，超過75%以上地區(qū)每10年的增加速率在10~80mm；R95TOT減少區(qū)域主要分布在華北、西南等區(qū)域，每10年的減少速率為0~40mm。圖11975—2014年我國極端降水R95TOT、SDII指數(shù)變化率及MK值從MK空間趨勢顯著性來看，我國大部分地區(qū)R95TOT指標變化不顯著，置信水平低于95%（MK值介于±1.96）的區(qū)域約占研究區(qū)的81.4%（見圖1（b））。R95TOT顯著升高的區(qū)域面積約占總面積的17.2%，多數(shù)分布于西北和東北地區(qū)，其中胡煥庸線以東的人口稠密區(qū)強降水量普遍增加，極端暴雨風險和危害性較大；R95TOT顯著降低的區(qū)域面積不足總面積的2%，分布于西南地區(qū)。對于SDII指數(shù)，其變化情況與R95TOT呈現(xiàn)出相似特征，總體上呈現(xiàn)出“兩增一減”的空間格局（見圖1（c））。具體來看，東北、華東和華南等地呈上升趨勢的地區(qū)較多，華北和華中呈下降趨勢的地區(qū)較多。SDII呈現(xiàn)上升趨勢的面積約占全國總面積的47.0%，其中每10年的變化率超過0.2mm/d的區(qū)域面積約占總面積的5.1%，每10年的變化率低于-0.2mm/d的區(qū)域面積約占總面積的10.9%。從MK趨勢值來看，全國大部分地區(qū)SDII變化趨勢不顯著，MK值介于±1.96的區(qū)域面積約占研究區(qū)總面積的85.5%（見圖1（d））。SDII顯著升高的區(qū)域面積約占總面積的6.3%，顯著減少的區(qū)域面積約占總面積的8.2%。總體上，我國東部沿海人口稠密區(qū)極端降水強度和總量均有所增加，極端降水風險和危險性較大，這與已有研究基本一致。（二）歷史極端高溫變化圖2為1975—2014年我國不同分區(qū)TN90p、TX90p指數(shù)的變化率及MK值的箱線圖。TN90p、TX90p指數(shù)的變化分別表征了研究時段夜晚、白晝極端高溫事件出現(xiàn)頻率的變化。從變化率來看，全國絕大部分地區(qū)TN90p與TX90p指數(shù)均有不同程度的增加，二者呈上升趨勢的面積占比分別達到99.4%、97.3%。TN90p與TX90p的變化率空間分布總體相似，均表現(xiàn)為西北、華北、西南及華南地區(qū)變化率較大，華中和華東地區(qū)變化率較小。TN90p的變化率總體上高于TX90p，我國TN90p每10年的平均變化率為5.9d，TX90p每10年的平均變化率為4.0d。TN90p和TX90p變化率的空間特征與已有研究一致：西北、青藏和西南等地TN90p變化率較大，川渝甘陜和沿海一帶TX90p變化率較大。圖21975—2014年我國TN90p、TX90p指數(shù)變化率及MK值從MK趨勢值來看，TN90p與TX90p顯著性水平同趨勢變化的速率大小具有一致性，變化率越大，顯著性水平越高；二者呈顯著上升趨勢的地區(qū)分別占82.8%與72.2%。值得注意的是，兩類極端高溫指數(shù)在新疆西北部地區(qū)同整個西北地區(qū)的總體趨勢具有較大差異，這些地區(qū)TN90p與TX90p每10年的變化率范圍分別為0~5d和?2~3d，遠小于西北地區(qū)每10年的平均變化率（TN90p、TX90p變化率上升范圍分別為5~13d、3~7d），且少數(shù)區(qū)域TX90p指數(shù)呈顯著下降趨勢（見圖2（d））。四、我國未來極端事件預估（一）未來極端降水預估圖3展示了我國不同區(qū)域未來R95TOT和SDII相對基準期的變化百分比，百分值由模式集合50%分位數(shù)確定，圖中每個箱體由區(qū)域內(nèi)各個網(wǎng)格的50%分位數(shù)預估結(jié)果組成。由圖3可知，在不同情景下，我國未來R95TOT將呈現(xiàn)增加態(tài)勢，且大多數(shù)區(qū)域均顯示了這一增多信號。在SSP1-2.6情景下，2015—2054年，我國西北和西南青藏高原地區(qū)R95TOT增幅最大，多數(shù)地區(qū)增幅達到15%以上；其次是我國華北和東北等地區(qū)，R95TOT增幅為10%~20%；華中地區(qū)增幅為5%~15%；華東和華南地區(qū)R95TOT增幅為0~10%，其中云南、廣西和廣東等地強降水量增幅最小，為0~5%。圖3SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下2015—2054年我國極端降水相對變化百分比（相對于1975—2014年）SSP5-8.5情景預估的R95TOT強降水量變化空間模態(tài)與SSP1-2.6情景基本一致，總體上呈現(xiàn)出西北、華北、東北和西南青藏高原地區(qū)增幅較大，南方地區(qū)增幅較小的分布特征。相較于SSP1-2.6情景，SSP5-8.5情景下我國北方地區(qū)的極端強降水將進一步增加，尤其是西北、青藏、東北等寒冷干旱地區(qū)增幅明顯。這也表明高碳排放將進一步加劇極端事件發(fā)生風險，威脅我國寒旱生態(tài)脆弱區(qū)和經(jīng)濟核心區(qū)安全。對于SDII指數(shù)，不同發(fā)展情景下我國大多數(shù)地區(qū)未來降水強度將呈現(xiàn)增加態(tài)勢，僅西北和西南局部地區(qū)呈現(xiàn)減少態(tài)勢。SSP1-2.6情景顯示，2015—2054年，我國華北和東北地區(qū)SDII增幅最大，幅度約為6%~12%；其次是華中和華東等地區(qū)，增幅為2%~6%；華南地區(qū)增幅最小，幅度為0~4%。SSP5-8.5情景預估的SDII降水強度變化空間模態(tài)與SSP1-2.6情景基本一致，總體上呈現(xiàn)華北和東北地區(qū)增幅較大、華南增幅最小、西北局部地區(qū)減少的分布特征。相比SSP1-2.6情景，SSP5-8.5情景下我國北方地區(qū)的降水強度將進一步增大，西北局部地區(qū)的SDII的減少態(tài)勢也更為明顯，但不同氣候模式在西北地區(qū)預估的結(jié)果差異較大，預估存在較大的不確定性。近年來，相關(guān)觀測資料顯示，西北地區(qū)呈現(xiàn)出一定的暖濕化趨勢，西北西部自1961年以來持續(xù)變濕，西北東部于1997年由干化趨勢轉(zhuǎn)為濕潤趨勢，這與21世紀以來西風環(huán)流東亞夏季風環(huán)流協(xié)同增強有關(guān)。氣候模式模擬也顯示，未來西北地區(qū)將持續(xù)暖濕化，降水事件將增多趨強。已有研究表明，在全球升溫2.0℃下，我國西北地區(qū)連續(xù)干日將顯著減少，尤其是塔里木和柴達木盆地等地區(qū)。SDII為年降水總量與濕潤日數(shù)的比值，由于西北地區(qū)本就干旱少雨，降水事件稀少，但受全球氣候變化影響，西北降水事件和超95%分位數(shù)閾值事件將明顯增多，因而導致未來西北局部地區(qū)降水強度相對基準期有所降低。

（二）未來極端高溫預估圖4顯示了2015—2054年不同情景極端高溫指數(shù)（TN90p和TX90p）相對于基準期的絕對變化。由圖4可知，不同情景下我國未來TN90p將呈增加態(tài)勢，且全國各地均顯示了這一增加信號。SSP1-2.6情景顯示，我國西南和華南地區(qū)TN90p增幅最大，多數(shù)地區(qū)增幅將超過40d；其次是西北、華北和華中等地區(qū)，TN90p增幅為20~45d；東北和華東等地區(qū)增加幅度最小，為20~30d。圖4SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下2015—2054年我國極端高溫指數(shù)相對變化（相對于1975—2014年）SSP5-8.5情景預估的TN90p變化空間模態(tài)與SSP1-2.6情景基本一致，總體上呈現(xiàn)華南、西南、西北、華北和華中增幅較大的空間特征。相較于SSP1-2.6情景，SSP5-8.5情景下我國夜間極端高溫將進一步加劇，夜間高溫風險將顯著增加。對于暖晝?nèi)諗?shù)TX90p，不同發(fā)展情景下我國全域未來暖晝?nèi)諗?shù)將呈現(xiàn)增加態(tài)勢。SSP1-2.6情景顯示，2015—2054年，我國西北、西南和華南地區(qū)TX90p增幅最大，幅度約在20~45d；其次是華北、東北等地區(qū)，暖晝?nèi)諗?shù)增加約20~30d。華中和華東等地區(qū)增幅最小，約為15~30d。相較于SSP1-2.6情景，SSP5-8.5情景預估的TX90p空間模態(tài)與SSP1-2.6情景基本一致，均顯示華中和華東等地區(qū)暖晝?nèi)諗?shù)增加幅度最低。相對于SSP1-2.6情景，SSP5-8.5情景下我國白天極端高溫風險將進一步加大，尤其是西南和華南等地局部暖晝?nèi)諗?shù)將增加超過50d。對比不同情景下的TN90p、TX90p可知，不同情景下TN90p的增溫幅度明顯大于TX90p的增溫幅度，這與歷史極端高溫的變化規(guī)律基本一致。在高碳排放的SSP5-8.5情景下，極端高溫升溫更明顯，這意味著在全球變暖背景下我國夜間升溫幅度明顯高于白天升溫幅度。已有研究表明，歷史最低氣溫相對于最高氣溫升溫更顯著，升溫速率更快。這也從側(cè)面顯示，全球變暖對區(qū)域最低氣溫的影響更為明顯，而晝夜極端高溫風險的同步增加和溫室氣體的持續(xù)高排放將更大程度地加劇未來高溫熱浪風險，進一步威脅人類生存和地球生態(tài)。五、極端降水、高溫事件的應對與減緩建議在全球氣候變化背景下，我國極端降水和高溫事件呈現(xiàn)一定時空差異性。研究結(jié)果顯示，1975—2014年，我國強降水量總體呈現(xiàn)兩增一減的空間格局，即由西北向東南呈現(xiàn)出增加?減少?增加；我國西北天山以北、東北、華東和華南等地區(qū)的降水強度和強降水量均呈增加態(tài)勢。2015—2054年，受全球變暖的影響，我國極端降水情況將進一步增多趨強。對于極端高溫事件，1975—2014年，全國晝夜極端高溫事件發(fā)生頻率普遍增多，其中北方和西南地區(qū)暖晝和暖夜日數(shù)變化率較大，高溫熱浪事件顯著增強；2015—2054年，我國晝夜極端高溫事件將進一步增多趨強，高溫熱浪事件發(fā)生風險增加，尤其是晝夜極端高溫的同步增加將進一步加劇未來極端氣候事件的災害程度。全球變暖加劇了區(qū)域極端降水和高溫事件的發(fā)生概率，從而導致洪澇災害和高溫熱浪災害頻發(fā)。一方面，對于洪澇和熱浪極端災害的應對，可從工程措施（基礎(chǔ)建設(shè)）和非工程措施（信息化建設(shè)、應急管理）兩個角度開展。另一方面，氣候變化深刻影響著全球氣候，是全人類共同面臨的難題，其引發(fā)的災害鏈對人類社會產(chǎn)生著巨大影響，應對氣候變化更需要國家與國家、地區(qū)與地區(qū)之間協(xié)同合作，共同應對。因此，本研究結(jié)合具體的工程和非工程措施，從應對洪澇災害、應對高溫熱浪災害和應對氣候變化3個角度提出以下建議（見圖5）。圖5極端降水、高溫事件的影響和應對建議（一）提升洪澇風險應對和應急管理能力全球氣候變化將加大區(qū)域極端暴雨事件的發(fā)生概率，導致流域超標準洪水、水庫潰壩、山洪滑坡、城市內(nèi)澇等多災并發(fā)風險加大，威脅國家水安全和公共安全。針對洪澇災害，首先應加強工程設(shè)計、流域防洪工程建設(shè)和城市防洪基礎(chǔ)建設(shè)等工程措施；其次，應加強流域、城市和工程災害防御信息化和流域安全管理等非工程措施，全面建設(shè)韌性流域和韌性城市。一是加強變化環(huán)境下的防災減災基礎(chǔ)建設(shè)。①加強變化環(huán)境下工程水文計算基礎(chǔ)研究，全面復核水庫大壩設(shè)計洪水；在工程設(shè)計中，考慮極端暴雨和高溫事件對水利工程的影響，提高工程設(shè)計標準。②立足流域和城鄉(xiāng)整體，加快推進大江大河防洪控制性工程和流域蓄滯洪區(qū)建設(shè)，強化中小河流治理和山洪災害防治，針對已建水庫，加快推進病險水庫除險加固工作。③推進新老城區(qū)海綿城市建設(shè)，通過擴大綠地面積、建設(shè)人工濕地等措施充分調(diào)動城市蓄水能力，在生態(tài)保底的同時，實現(xiàn)源頭減排和暴雨徑流調(diào)蓄。全面排查解決疏通排洪堵點，針對超標準城市洪澇災害，建設(shè)大型排水設(shè)施和城市深邃工程，提升城市排水除澇能力。二是加強洪澇災害防御信息化建設(shè)。①提升水利信息化水平，應用先進傳感、通信等現(xiàn)代信息技術(shù)，建立空天地立體水文氣象防汛抗旱系統(tǒng)；應用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)，聯(lián)合流域梯級水庫多目標聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，開發(fā)復雜流域防洪預報調(diào)度一體化系統(tǒng)，構(gòu)建集成預報、預警、預案、預演于一體的“四預”指揮體系。②健全城市極端天氣研判機制，實現(xiàn)城市極端暴雨洪澇全過程動態(tài)監(jiān)測，建立集成城市暴雨內(nèi)澇預報預警云平臺，強化預報預警信息發(fā)布能力。③加快水利工程安全監(jiān)測的信息化建設(shè)，做到監(jiān)測實時，上報及時。提升通信、計算、控制水平，結(jié)合大數(shù)據(jù)系統(tǒng)搭建大型水利工程的數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)水利工程管理監(jiān)督平臺信息化，強化水庫大壩安全保障能力，提升水庫大壩抗暴雨承災和應災能力。三是提升流域安全管理和全民防災意識。①加強水庫大壩日常管理，提升應急搶險水平，加強防洪除澇緊急預案編制。以“安全第一、預防為主、全面搶險”為基本原則，提前規(guī)避風險并提升應對突發(fā)災害事件的能力，全方位降低可能的災后影響。②加強適應洪水思想的城市規(guī)劃建設(shè)，超前規(guī)避和限制洪澇災害易發(fā)區(qū)的開發(fā)建設(shè)，提升通信、交通、供電、供水等生命線的防災和搶修能力，保障城市的正常運轉(zhuǎn)及搶險救災的通暢性。③加強日常防災減災科普宣傳工作，提升全民防災意識。（二）加強高溫熱浪的緩解和應對措施溫室氣體的持續(xù)排放導致全球氣溫顯著升高，引發(fā)大氣環(huán)流異常，致使天氣系統(tǒng)的高溫熱浪事件頻發(fā)，加之城鎮(zhèn)建設(shè)引起的熱島效應推波助瀾，使人口集中的城鎮(zhèn)地區(qū)在熱浪災害下具有更高的熱暴露度和危險性，所引發(fā)的生命財產(chǎn)威脅遠高于其他極端事件。應對高溫熱浪災害，首先，應在優(yōu)化城鎮(zhèn)布局和降低城市熱暴露風險的工程措施上著手；其次，應加強熱浪監(jiān)測預警信息化水平和健全高溫政策等非工程措施。一是加強緩解城市熱浪風險的基礎(chǔ)建設(shè)。①合理規(guī)劃城市建設(shè)布局，控制人口和建筑物密度；科學規(guī)劃城市通風廊道，向城區(qū)引入郊外冷空氣。②提高城市綠化覆蓋率，降低城市熱暴露度；構(gòu)建環(huán)市水系，調(diào)節(jié)市區(qū)氣候；創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，推廣公共區(qū)集中供冷技術(shù)。③減少人為散熱，提高能源利