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1、全球气候变化的影响与后果全球气候变化的影响与后果:阈值和极端天气气候事件阈值和极端天气气候事件丁一汇丁一汇中国气象局中国气象局 国家气候中心国家气候中心20102010年年9 9月月2929日日内容内容一、前言前言二、全球性影响和后果：气候系统的二、全球性影响和后果：气候系统的阈值、突变和不可逆性阈值、突变和不可逆性三、区域性影响与后果：极端天气与三、区域性影响与后果：极端天气与气候事件气候事件四、结语：内在联系四、结语：内在联系一、前言一、前言 概括起来，全球气候变化有两个方面的概括起来，全球气候变化有两个方面的重大影响：气候变暖和极端天气与气候极端重大影响：气候变暖和极端天气与气候极端事件
2、加剧与频发。前者是全球性和长期的，事件加剧与频发。前者是全球性和长期的，后者是区域或局地性短期的（急性发生与缓后者是区域或局地性短期的（急性发生与缓慢发生），原因不同，但相关密切。慢发生），原因不同，但相关密切。二、全球性影响和后果：气候系统二、全球性影响和后果：气候系统的阈值、突变和不可逆性的阈值、突变和不可逆性气候变化的影响和后果主要包括三个最为气候变化的影响和后果主要包括三个最为关注的问题：气候变化的不稳定性和阈值；关注的问题：气候变化的不稳定性和阈值；气候的突变和不可逆性气候的突变和不可逆性 气候变量对强迫的各种响应的概略示意图。上图表明强迫达到一新的稳定气候变量对强迫的各种响应的概略
3、示意图。上图表明强迫达到一新的稳定水平（左部），后来通过很长时间又回到原始水平（右部）。下图表明，水平（左部），后来通过很长时间又回到原始水平（右部）。下图表明，气候变量的响应能够是平滑的（实线），或通过一分岔点向结构不同的状气候变量的响应能够是平滑的（实线），或通过一分岔点向结构不同的状态过渡（虚线。过渡可能是快速的（突变，长虚线）或是逐渐的（短虚线）态过渡（虚线。过渡可能是快速的（突变，长虚线）或是逐渐的（短虚线），这决定于气候系统的内部动力学而不是强迫。长期行为也显示不同的可，这决定于气候系统的内部动力学而不是强迫。长期行为也显示不同的可能性。当强迫回到其原来值时变化可能是不可逆的，这时
4、系统处于不同的能性。当强迫回到其原来值时变化可能是不可逆的，这时系统处于不同的稳定态（虚实线），或是可逆的（实线，点线），这时过渡又可以是逐渐稳定态（虚实线），或是可逆的（实线，点线），这时过渡又可以是逐渐的或突然的。一个明显的例子是北大西洋温盐环流（的或突然的。一个明显的例子是北大西洋温盐环流（MOCMOC）对辐射强迫逐渐）对辐射强迫逐渐变化的响应。（变化的响应。（IPCCIPCC，20072007）全球气候变化影响的阈值问题全球气候变化影响的阈值问题气候突变和翻转点气候突变和翻转点 临界阈值即指翻转点。在这一点上，如有小的强临界阈值即指翻转点。在这一点上，如有小的强迫改变，则可能定性地改变
5、一个系统的未来状态。迫改变，则可能定性地改变一个系统的未来状态。而一种翻转要素是指具有一种翻转点的地球系统而一种翻转要素是指具有一种翻转点的地球系统的一部分，它的尺度至少是次大陆的。的一部分，它的尺度至少是次大陆的。政策关注政策关注的翻转要素是本世纪受人类活动强迫超过其翻转的翻转要素是本世纪受人类活动强迫超过其翻转点的那些系统或部分。点的那些系统或部分。气候突变是翻转点变化中气候突变是翻转点变化中一种特别情况，即其发生十分突然，比其原因要一种特别情况，即其发生十分突然，比其原因要快。另一方面，翻转点变化也包括比其原因要慢快。另一方面，翻转点变化也包括比其原因要慢的过渡情况。（在上两种情况下，其
6、变化速率决的过渡情况。（在上两种情况下，其变化速率决定于其系统本身），无论哪一种情况，定于其系统本身），无论哪一种情况，状态的变状态的变化可以是可逆的，也可以是不可逆的。化可以是可逆的，也可以是不可逆的。可逆意味着当强迫又回到翻转点以下时，系统可可逆意味着当强迫又回到翻转点以下时，系统可回到它的原始状态，而突然的或逐渐的不可逆状回到它的原始状态，而突然的或逐渐的不可逆状态变化意味着系统将不会回到原始状态而是当强态变化意味着系统将不会回到原始状态而是当强迫回复以后，系统将具有一种更大的变化。迫回复以后，系统将具有一种更大的变化。可逆可逆性原则上并不意味着所产生的变化实际是可逆的。性原则上并不意味
7、着所产生的变化实际是可逆的。一种翻转要素可以落后于人类强迫的发生一种翻转要素可以落后于人类强迫的发生，以后，以后一旦观测到过渡开始了，则状态的更大变化已经一旦观测到过渡开始了，则状态的更大变化已经是不可避免了。因而翻转要素的这种响应特征是是不可避免了。因而翻转要素的这种响应特征是特别值得关注。因为它可以帮助人类建立早期预特别值得关注。因为它可以帮助人类建立早期预警系统。警系统。地球气候系统的翻转点地球气候系统的翻转点根据对气候系统非线性动力学的认识，气候突变的研究与根据对气候系统非线性动力学的认识，气候突变的研究与模式中模拟的气候变化状况表明地球系统存在着许多翻转模式中模拟的气候变化状况表明地
8、球系统存在着许多翻转点，有些模式在将来的预测中通过了翻转点，同时最近的点，有些模式在将来的预测中通过了翻转点，同时最近的观测也表明北极已经处于突变中。最近的研究揭示出观测也表明北极已经处于突变中。最近的研究揭示出9 9种种政策关注的潜在翻转点要素，它们在本世纪有可能会通过政策关注的潜在翻转点要素，它们在本世纪有可能会通过翻转点，并在预测的气候变化下在未来千年中经历其过渡。翻转点，并在预测的气候变化下在未来千年中经历其过渡。9 9种翻转要素最为关注的有两种：最临近的（至少可避免种翻转要素最为关注的有两种：最临近的（至少可避免的）与负面影响最大的。的）与负面影响最大的。一般来讲，过渡期愈快，可逆性
9、一般来讲，过渡期愈快，可逆性愈小，则影响愈大。愈小，则影响愈大。另外，也必须关注使全球气候变化具另外，也必须关注使全球气候变化具有增幅反馈作用的翻转要素。这种相互作用，能使一种要有增幅反馈作用的翻转要素。这种相互作用，能使一种要素的翻转又引起另一种要素的翻转。素的翻转又引起另一种要素的翻转。通过评估趋近程度通过评估趋近程度,速率和可逆性并更详细地分析其影响，速率和可逆性并更详细地分析其影响，目前在全球范围内揭示出最受关注的地区及其翻转要素如目前在全球范围内揭示出最受关注的地区及其翻转要素如下：北极（格陵兰冰盖）、南极（西南极）西非（干旱）下：北极（格陵兰冰盖）、南极（西南极）西非（干旱）与印度
10、（夏季风）。与印度（夏季风）。翻转点和气候变化增幅的反馈关系翻转点和气候变化增幅的反馈关系 翻转点经常会与气候变化的增幅相混淆。翻转点经常会与气候变化的增幅相混淆。所有翻转点要素所有翻转点要素在其内部或区域气候动力学中，一定具有某种强的增幅反在其内部或区域气候动力学中，一定具有某种强的增幅反馈，以显示出一种阈值，但它们不需要对全球气候变化有馈，以显示出一种阈值，但它们不需要对全球气候变化有增幅反馈作用。增幅反馈作用。可能对全球气候变化具有增幅反馈作用的可能对全球气候变化具有增幅反馈作用的有亚马逊雨林，如果它一旦消亡，可变成有亚马逊雨林，如果它一旦消亡，可变成COCO2 2源，最终释源，最终释放
11、出放出10001000亿吨碳（亿吨碳（C C）温盐环流和多年冻土也具有全球）温盐环流和多年冻土也具有全球气候变化的增幅反馈作用，前者的减弱或崩溃可导致气候变化的增幅反馈作用，前者的减弱或崩溃可导致COCO2 2从海洋逸出，后者消融可释放从海洋逸出，后者消融可释放50005000亿吨碳（亿吨碳（C C）。北半）。北半球森林和撒赫勒球森林和撒赫勒/撒哈拉对全球气候变化只是减弱的反馈撒哈拉对全球气候变化只是减弱的反馈作用，这是由于前者消亡一方面可释放作用，这是由于前者消亡一方面可释放COCO2 2，另一方面这，另一方面这会被无遮掩的雪盖引起的反照率增加造成的冷却所超过；会被无遮掩的雪盖引起的反照率增
12、加造成的冷却所超过；而后者是变绿吸收而后者是变绿吸收COCO2 2，但可能又增加区域云盖。，但可能又增加区域云盖。是否存在一种全球性翻转点？是否存在一种全球性翻转点？全球性的翻转点只能发生在净增幅反馈作用变得足够强，全球性的翻转点只能发生在净增幅反馈作用变得足够强，以使全球系统通过其内部动力学具有一种状态变化的情况以使全球系统通过其内部动力学具有一种状态变化的情况下。下。这是一种失控的全球气候变化。目前还没有足够的证这是一种失控的全球气候变化。目前还没有足够的证据表明地球整个是处于这样一种阈值邻近，因而最好用增据表明地球整个是处于这样一种阈值邻近，因而最好用增幅的气候变化来表述现在观测到的与将
13、来预测的气候变化。幅的气候变化来表述现在观测到的与将来预测的气候变化。COCO2 2总的积累排放决定了气候变化，因而对全球平均温度总的积累排放决定了气候变化，因而对全球平均温度变化十分敏感的上述翻转要素的未来状况是缓慢地作出响变化十分敏感的上述翻转要素的未来状况是缓慢地作出响应，并具有相距甚远的翻转点，其中关键的例子是大冰盖。应，并具有相距甚远的翻转点，其中关键的例子是大冰盖。注意短生命期的温室气体（甲烷与对流层注意短生命期的温室气体（甲烷与对流层O O3 3）也可增加北）也可增加北极迅速的增暖，其综合作用（极迅速的增暖，其综合作用（CHCH4 4，BCBC，减少的硫酸盐气，减少的硫酸盐气溶胶
14、，溶胶，N N2 2O,O,，F F气体）可超过气体）可超过COCO2 2的贡献。的贡献。接近翻转点的早期预警主要分析和检验相关指标，接近翻转点的早期预警主要分析和检验相关指标，如果对如果对扰动的响应减慢，一般反应的是系统接近不同类型翻转点扰动的响应减慢，一般反应的是系统接近不同类型翻转点的普遍特征。的普遍特征。用古气候记录和模式模拟可以成功地检测出用古气候记录和模式模拟可以成功地检测出这种信号或指标，对于生态翻转点可考虑其方差，偏斜响这种信号或指标，对于生态翻转点可考虑其方差，偏斜响应等。应等。可能出现翻转点或阈值，一旦超过阈值，可能出现翻转点或阈值，一旦超过阈值，将可能出现不可逆事件将可能
15、出现不可逆事件 由气候变化变化启动的物理和生物某些反馈过程，当通过由气候变化变化启动的物理和生物某些反馈过程，当通过某一阈值或翻转点时能够变成不可逆的。一个共同认同的某一阈值或翻转点时能够变成不可逆的。一个共同认同的科学事实是北极海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面积不科学事实是北极海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面积不断减少），到断减少），到2121世纪中期，夏季可能变成完全无冰。这在世纪中期，夏季可能变成完全无冰。这在很大程度上是由于海冰融化与变暖间有正反馈作用。还可很大程度上是由于海冰融化与变暖间有正反馈作用。还可以列举出地球系统中存在着不少其它可能的翻转点和不可以列举出地球系统中存在着不少其
16、它可能的翻转点和不可逆变化。其实，人类系统也有翻转点，如政治或经济体系逆变化。其实，人类系统也有翻转点，如政治或经济体系的崩溃。因而存在超过这种阈值的可能性，因而的崩溃。因而存在超过这种阈值的可能性，因而由现在的由现在的趋势作用简单的外推有可能会低估将来气候变化的影响。趋势作用简单的外推有可能会低估将来气候变化的影响。由于耦合的人类环境系统之复杂性很难准确地预测什么由于耦合的人类环境系统之复杂性很难准确地预测什么时候可能会趋近翻转点。但随着气候系统越来越移出自然时候可能会趋近翻转点。但随着气候系统越来越移出自然变率，通过翻转点的概率会增加。变率，通过翻转点的概率会增加。全球性接近阈值或翻转点的
17、系统全球性接近阈值或翻转点的系统（1 1）大西洋经向翻转环流（温盐环流）大西洋经向翻转环流（温盐环流MOCMOC）和其它海洋环流的变化和其它海洋环流的变化古气候研究中最确定的气候突变型是与海洋环流变化有关古气候研究中最确定的气候突变型是与海洋环流变化有关的突变型。的突变型。从从TAR以来大多数模式研究表明，在以后以来大多数模式研究表明，在以后100年年MOC将减弱以响应全球变暖，并且这种减弱的范围因将减弱以响应全球变暖，并且这种减弱的范围因模式而有差异，其变化范围到模式而有差异，其变化范围到2100年从与自然变率不可区年从与自然变率不可区分到减弱分到减弱50%以上。到以上。到2100年在年在S
18、RES排放情景强迫下，排放情景强迫下，没有一个没有一个AOGCM模拟显示突变。但某些长期的模拟给出，模拟显示突变。但某些长期的模拟给出，如果强迫大，则能发生如果强迫大，则能发生MOC的完全中止。中等复杂的模的完全中止。中等复杂的模式表明，式表明，MOC的阈值可能是存在的，但它依赖于模式中的阈值可能是存在的，但它依赖于模式中的增暖值和速率。很少一些的增暖值和速率。很少一些AOGCM长期的模拟得到长期的模拟得到MOC的完全关闭，且可能是不可逆的。但在实现用的完全关闭，且可能是不可逆的。但在实现用AOGCM做做千年模拟之前，潜在不可逆的重大问题仍然是得不到的。千年模拟之前，潜在不可逆的重大问题仍然是
19、得不到的。但无论是简化模式或但无论是简化模式或AOGCM都一致得到，由全球变暖引都一致得到，由全球变暖引起的起的MOC可能的完全关闭将用几十年到一个世纪的时间。可能的完全关闭将用几十年到一个世纪的时间。并无直接的模式证明，并无直接的模式证明，MOC会在几十年内崩溃以响应全会在几十年内崩溃以响应全球变暖。球变暖。在未来在未来100100年中，全球变暖是否会通过北大年中，全球变暖是否会通过北大西洋温盐环流的关闭导致气候突变，带来西洋温盐环流的关闭导致气候突变，带来灾难性影响？灾难性影响？北极仙女木花从格陵兰冰芯中得到的样本，表明该地区曾在持从格陵兰冰芯中得到的样本，表明该地区曾在持续变暖的过程中出
20、现过突然变冷的现象。续变暖的过程中出现过突然变冷的现象。图全球温盐环流输送带示意图全球温盐环流输送带示意图海洋环流的变化对全球气候变化的影响海洋环流的变化对全球气候变化的影响盐度中值年北大西洋东部丹麦海峡拉布拉多海已观测到北大西洋北部海水盐分在降低已观测到北大西洋北部海水盐分在降低纬向平均的海洋盐度线性趋势纬向平均的海洋盐度线性趋势兰色表示盐度减少兰色表示盐度减少IPCC AR4IPCC 9IPCC 9个模式模拟的温盐环流变化，预计在未来个模式模拟的温盐环流变化，预计在未来100100年，温盐年，温盐环流是不断减弱的（环流是不断减弱的（20012001年结果）年结果）气候模式可以模拟和预测未来
21、温盐环流变化气候模式可以模拟和预测未来温盐环流变化最新的结果（最新的结果（20072007年）表明大西洋温盐环年）表明大西洋温盐环流（流（MOCMOC）将很可能）将很可能 减缓减缓(IPCC,AR4,2007)（2 2）北极海冰）北极海冰北极海冰对全球变暖响应很敏感，虽然冬季海冰北极海冰对全球变暖响应很敏感，虽然冬季海冰覆盖区变化适中，但预测表明到覆盖区变化适中，但预测表明到2121世纪末海冰将世纪末海冰将几乎完全消失。几乎完全消失。气候系统中的许多正反馈加速海气候系统中的许多正反馈加速海冰的变化。冰的变化。冰冰反照率反馈使未冻结的海水在夏反照率反馈使未冻结的海水在夏季接收到更多的太阳热量。通
22、过暖水平流增加向季接收到更多的太阳热量。通过暖水平流增加向北极的海洋热输送，更强的环流以后进一步减少北极的海洋热输送，更强的环流以后进一步减少冰盖。在冰盖。在9 9月可观测到海冰覆盖的最低值。模式模月可观测到海冰覆盖的最低值。模式模拟表明，拟表明，9 9月的冰盖由于全球变暖而大量减少，一月的冰盖由于全球变暖而大量减少，一般是据变暖的时间尺度演变，由于持续增暖，夏般是据变暖的时间尺度演变，由于持续增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。末大量海冰的消失是永久性的。观测与模拟的观测与模拟的9 9月北极海冰区面积变化的比较（单位：百万平方公里）实月北极海冰区面积变化的比较（单位：百万平方公里）实线是线是
23、1313个模式的集合预测，虚线是变化范围，红线是实况。（个模式的集合预测，虚线是变化范围，红线是实况。（StoeveStoeve et et al.al.，20082008）.2009.2009年达年达5.105.10百万平方公里是记录中的第百万平方公里是记录中的第3 3个最低年，仍然个最低年，仍然低于低于IPCCIPCC预测的最低值之下。预测的最低值之下。多年海冰和第一年海冰比例的演变趋势（第一年海冰：形成于去年多年海冰和第一年海冰比例的演变趋势（第一年海冰：形成于去年9 9月，直到今年的月，直到今年的融化季（冬季）第二年冰指前一年冬季形成的冰。以融化季（冬季）第二年冰指前一年冬季形成的冰。
24、以20092009年春为例，年春为例，20082008年年9 9月月20092009年融化季开始为第一年冰；年融化季开始为第一年冰；2007200720082008年冬季的冰为第年冬季的冰为第2 2年冰）第一年冰更薄，年冰）第一年冰更薄，更易快速融化，虽然面积较大，多年老冰在快速减少。更易快速融化，虽然面积较大，多年老冰在快速减少。（Climate compendium，2009）（3 3）冰川）冰川 冰川和冰盖对温度和降水的变化敏感。冰川和冰盖对温度和降水的变化敏感。在过去在过去2020年观测表年观测表明，它们的体积在减少，明，它们的体积在减少，1993-20031993-2003年减少率是
25、年减少率是0.770.22mmyr-10.770.22mmyr-1海平面当量，而海平面当量，而1961-19981961-1998年平均减少年平均减少率为率为0.50.18mmyr-10.50.18mmyr-1海平面当量。因而已经发生了迅速海平面当量。因而已经发生了迅速的变化，并通过冰川缩小和冰川周边区新暴露的陆面之地的变化，并通过冰川缩小和冰川周边区新暴露的陆面之地面能量平衡引起的正反馈机制而得到增强。在以后几十年面能量平衡引起的正反馈机制而得到增强。在以后几十年冰川可能加速损失。根据不同地区冰川可能加速损失。根据不同地区1111条冰川的模拟，到条冰川的模拟，到20502050年预测这些冰川
26、体积损失达年预测这些冰川体积损失达60%60%，美洲的冰川区也受，美洲的冰川区也受到影响。到影响。7 7个个GCM COGCM CO2 2加倍模拟表明，由于高度平衡线增加，加倍模拟表明，由于高度平衡线增加，许多冰川将完全消失。这些冰体的消失速度比潜在的需几许多冰川将完全消失。这些冰体的消失速度比潜在的需几个世纪的冰川重建时间要快得多，在某些地区可能是不可个世纪的冰川重建时间要快得多，在某些地区可能是不可逆的。逆的。（4 4）格陵兰与西南极冰盖）格陵兰与西南极冰盖 突然气候变化的另外例子是格陵兰冰盖的迅速解突然气候变化的另外例子是格陵兰冰盖的迅速解体与西南极冰盖的突然崩塌。模式模拟和观测表体与西
27、南极冰盖的突然崩塌。模式模拟和观测表明，北半球高纬的增暖加速了格陵兰冰盖的融化，明，北半球高纬的增暖加速了格陵兰冰盖的融化，由于加强的水圈循环而造成的增多的积雪不能补由于加强的水圈循环而造成的增多的积雪不能补偿这种融化带来的冰量损失偿这种融化带来的冰量损失,结果格陵兰冰盖在未结果格陵兰冰盖在未来几世纪可能大大缩小。此外结果还表明，存在来几世纪可能大大缩小。此外结果还表明，存在着一个临界温度阈值，超过这个阈值南极冰盖可着一个临界温度阈值，超过这个阈值南极冰盖可预期完全消失。预期完全消失。但整个格陵兰冰盖的完全融化是但整个格陵兰冰盖的完全融化是一个缓慢的过程，将用几个世纪的时间完成，其一个缓慢的过
28、程，将用几个世纪的时间完成，其结果是使全球海平面上升约结果是使全球海平面上升约7m7m。这个阈值为全球。这个阈值为全球平均增暖平均增暖1.9-4.61.9-4.6。Konrad Steffen and Russell Huff,CIRES,University of Colorado at Boulder格陵兰总融化区格陵兰总融化区Greenland Total Melt Area 2007 value exceeds last maximum by 10%Greenland Total Melt Area 2007 value exceeds last maximum by 10%西南极冰盖
29、崩溃的脆西南极冰盖崩溃的脆弱性弱性灰色区域是西南极高于海灰色区域是西南极高于海平面的地形，棕色是低于平面的地形，棕色是低于海平面的地形，是受到快海平面的地形，是受到快速冰溃的地区。它的变化速冰溃的地区。它的变化范围为范围为0 0海平面下海平面下20002000米。西南极冰架未绘出。米。西南极冰架未绘出。在东南极高于海平面在东南极高于海平面200200米的地区用蓝色表示米的地区用蓝色表示（Climate compendiumClimate compendium，20092009）西南极冰盖（西南极冰盖（WAISWAIS）的崩溃被认为是全球变暖另）的崩溃被认为是全球变暖另一潜在的响应，目前已引起新
30、的关注，这包括完一潜在的响应，目前已引起新的关注，这包括完全崩溃后可引起海平面上升全崩溃后可引起海平面上升5m5m左右。左右。在在WAIS WAIS AmundsenAmundsen海部分的冰流在加速，这个信号向上游海部分的冰流在加速，这个信号向上游传播的快速性，以及传播的快速性，以及Larsen BLarsen B冰架崩溃后流入该冰架崩溃后流入该区的冰川的加速都引起了人们的关注。区的冰川的加速都引起了人们的关注。冰架的存冰架的存在可能使冰盖得以稳定，至少在区域尺度上。这在可能使冰盖得以稳定，至少在区域尺度上。这是由于冰盖前缘的冰架可以支撑冰流的下滑，但是由于冰盖前缘的冰架可以支撑冰流的下滑，
31、但目前尚不清楚，一旦对这种较小范围冰盖的支撑目前尚不清楚，一旦对这种较小范围冰盖的支撑作用减弱或消失，是否会启动一场大范围众多冰作用减弱或消失，是否会启动一场大范围众多冰流的发生，以后再导致整个西南极冰盖的失稳。流的发生，以后再导致整个西南极冰盖的失稳。（5）植被覆盖）植被覆盖 过去经常发生植被覆盖及其组成不可逆的比较迅速的变过去经常发生植被覆盖及其组成不可逆的比较迅速的变化。最突出的例子是化。最突出的例子是4-64-6千年前撒哈拉地区的沙漠化。其千年前撒哈拉地区的沙漠化。其原因被认为是植物群落受到了温度和降水的严重影响，原因被认为是植物群落受到了温度和降水的严重影响，一一旦临界水平被超过，某
32、些物种在其生态系统内部将丧失竞旦临界水平被超过，某些物种在其生态系统内部将丧失竞争力。接近植被边界的地区将具有特别大而迅速的变化，争力。接近植被边界的地区将具有特别大而迅速的变化，这是由于全球变暖会引起这些边界发生缓慢的迁移。这是由于全球变暖会引起这些边界发生缓慢的迁移。气候模式对将来的模拟还表明，南美的干暖化将导致气候模式对将来的模拟还表明，南美的干暖化将导致亚马逊森林的不断减少。虽然在亚马逊森林的不断减少。虽然在2121世纪是连续演变的。但世纪是连续演变的。但这种变化和最终的消失可能是不可逆的。但这个结果取决这种变化和最终的消失可能是不可逆的。但这个结果取决于模式，因于模式，因1111个个
33、AOGCMAOGCM的分析表明，亚马逊地区将来的可的分析表明，亚马逊地区将来的可能降雨变化范围甚广。能降雨变化范围甚广。在全球变暖背景下，土壤在全球碳循环中作用的变化可能在全球变暖背景下，土壤在全球碳循环中作用的变化可能导致发生导致发生“气候意外气候意外”：随着：随着COCO2 2浓度增加，从全球平均浓度增加，从全球平均看，土壤作为碳汇累计起碳，这是由于陆地生物圈能加速看，土壤作为碳汇累计起碳，这是由于陆地生物圈能加速增长。但是约到增长。但是约到20502050年，年，模式模拟表明，通过呼吸作用增模式模拟表明，通过呼吸作用增加而释放以前积累的碳可使土壤变成碳源。加而释放以前积累的碳可使土壤变成
34、碳源。呼吸作用增加呼吸作用增加是由于温度和降水增加引起。这代表了使大气是由于温度和降水增加引起。这代表了使大气COCO2 2增加的增加的一种正反馈过程。各模式的反馈符号是一致的，只是强度一种正反馈过程。各模式的反馈符号是一致的，只是强度有不确定性。但是这种呼吸的增加是由更为暖湿的气候引有不确定性。但是这种呼吸的增加是由更为暖湿的气候引起。由中等程度的汇转变为强大气碳源是相当迅速的，起。由中等程度的汇转变为强大气碳源是相当迅速的，2020年内可以发生，但是开始或爆发的时间是不肯定的。模式年内可以发生，但是开始或爆发的时间是不肯定的。模式比较揭示，一旦这种过程开始，呼吸的增加，即使在比较揭示，一旦
35、这种过程开始，呼吸的增加，即使在COCO2 2水平保持不变情况也会继续下去。十分清楚，陆地生物圈水平保持不变情况也会继续下去。十分清楚，陆地生物圈与物理气候系统之间的反馈机制是存在的，它能定性和定与物理气候系统之间的反馈机制是存在的，它能定性和定量地改变对辐射强迫增加的响应。量地改变对辐射强迫增加的响应。（6 6）大气和海）大气和海气状况气状况 天气型和状况的变化能够是一种自发发生天气型和状况的变化能够是一种自发发生的突然过程。的突然过程。这是由气这是由气冰冰海洋系统中海洋系统中的动力相互作用造成，或由缓慢外强迫作的动力相互作用造成，或由缓慢外强迫作用超过系统阈值的一种显示，这种突变表用超过系
36、统阈值的一种显示，这种突变表现热带太平洋现热带太平洋SSTSST中，如中，如ENSOENSO有更多的正位有更多的正位相，也表现在平流层极地涡旋的变化，将相，也表现在平流层极地涡旋的变化，将使使AOAO或或NAONAO出现向负位相发展的趋势，导致出现向负位相发展的趋势，导致更经常的经向环流发生。气候的冷暖变幅更经常的经向环流发生。气候的冷暖变幅将更大。将更大。由大气环流（诸如由大气环流（诸如NAONAO）变化引起的温度变）变化引起的温度变化在某些地区（如北欧）能超过长期的全化在某些地区（如北欧）能超过长期的全球变暖，而变暖又是引起这种年代际状态球变暖，而变暖又是引起这种年代际状态改变的原因。因而
37、改变的原因。因而人类活动引起的强迫与人类活动引起的强迫与系统的气候内部变率可能有一定的相互作系统的气候内部变率可能有一定的相互作用，用，这是近年来提出的人类产生的气候变这是近年来提出的人类产生的气候变化下的自然变率及其相互作用问题。化下的自然变率及其相互作用问题。太平洋年代太平洋年代/年代际振荡（年代际振荡（PDO/IPOPDO/IPO）。上图：）。上图：1901-20041901-2004年年EOFEOF主模态分布，下图：年时间序列，从主模态分布，下图：年时间序列，从19781978年开始处于正年开始处于正位相阶段。位相阶段。IPCC,20073）AO或NAO处于负位相冬季标准化NAO（北大
38、西洋涛动）指数长期变化。1866-20051866-2005年南方涛动指数（年南方涛动指数（SOISOI）红线代表厄尔尼诺事件）红线代表厄尔尼诺事件IPCC,2007上图说明为什么正上图说明为什么正AOAO带来温暖气候，负带来温暖气候，负AOAO带来寒冷气候带来寒冷气候 （引自（引自www.SEPP.org,2010www.SEPP.org,2010）正正AOAO负负AOAO负的负的AOAO指数指数2009-20102009-2010冬季是近冬季是近5050年最冷的冬天年最冷的冬天阻塞高压在两大洋强烈地伸向北极，使北极的平流层和中上阻塞高压在两大洋强烈地伸向北极，使北极的平流层和中上对流层极为
39、温暖，而中纬度出现严寒对流层极为温暖，而中纬度出现严寒阈值提出的原因阈值提出的原因 UNFCCCUNFCCC中第二条指出：公约以及任何相关的法中第二条指出：公约以及任何相关的法律条文的最终目的是把大气中温室气体的浓度稳定律条文的最终目的是把大气中温室气体的浓度稳定在一定水平上，以防止对气候系统产生危险的人类在一定水平上，以防止对气候系统产生危险的人类干扰，使生态系统有足够的时间自然地适应气候变干扰，使生态系统有足够的时间自然地适应气候变化，确保粮食生产不受威胁，和经济得到可持续发化，确保粮食生产不受威胁，和经济得到可持续发展。展。因而需要确定：什么构成了危险的人类干扰因而需要确定：什么构成了危
40、险的人类干扰？这涉及价值判断问题；但科学能够为此提供信息？这涉及价值判断问题；但科学能够为此提供信息化决策，即主要提出关键脆弱性判据。因而关键脆化决策，即主要提出关键脆弱性判据。因而关键脆弱性是确定气候变化阈值的前提和条件。弱性是确定气候变化阈值的前提和条件。关键脆弱性的判据与阈值关键脆弱性的判据与阈值 关键脆弱性与许多气候敏感系统有关关键脆弱性与许多气候敏感系统有关。包括粮。包括粮食供应，基础设施，健康，水资源，沿岸系统，生食供应，基础设施，健康，水资源，沿岸系统，生态系统，全球地球化学循环，冰盖以及海洋和大气态系统，全球地球化学循环，冰盖以及海洋和大气环流模态。判据是：环流模态。判据是：影
41、响的影响的量值量值 影响的影响的时间时间 影响的影响的持续性和可逆性持续性和可逆性 影响与脆弱性发生的影响与脆弱性发生的可能性与估算的信度可能性与估算的信度 适应的潜力适应的潜力如果全球平均增温幅度超过如果全球平均增温幅度超过2 233，在目前，在目前所评估到的物种中，约所评估到的物种中，约20%20%30%30%可能会灭绝可能会灭绝 升温升温1 11.51.5，缺水人口增加，缺水人口增加4-114-11亿亿升温升温3 344，缺水人口增加，缺水人口增加11-3211-32亿亿全球升温全球升温1.5-21.5-2C C，粮食减产的风险增大；，粮食减产的风险增大；如果全球平均温度升高大约如果全球
42、平均温度升高大约3 3C C，全球粮食生，全球粮食生产的潜力可能随之增大，但是如果升温超过产的潜力可能随之增大，但是如果升温超过3 3C C，潜力则会随之变小，潜力则会随之变小(IPCC WGII TS)(IPCC WGII TS)22以下的升温都很可能对健康造成不利影响以下的升温都很可能对健康造成不利影响 未来气候变化对不同部门的影响未来气候变化对不同部门的影响比工业化前升温比工业化前升温22甚至甚至22以下的升温都会导致极端事件强度、以下的升温都会导致极端事件强度、频度和位置发生改变频度和位置发生改变全球升温全球升温2 233以上的话，冬季降水强烈增以上的话，冬季降水强烈增加而积雪减少，许
43、多地区洪水多发加而积雪减少，许多地区洪水多发日本气象厅，日本气象厅，20102010假假El NinoEl Nino（motokimotoki型）的影响型）的影响三、区域性影响与后果：极端天气三、区域性影响与后果：极端天气与气候事件与气候事件 极端事件是指某个和某些气象变量出现极值的事极端事件是指某个和某些气象变量出现极值的事件，如它经常造成严重的气象灾害，如暴雨件，如它经常造成严重的气象灾害，如暴雨/洪水，洪水，强风（如温带和热带气旋引起）高温（如热浪）等。强风（如温带和热带气旋引起）高温（如热浪）等。极值一般被定义为达到最大值或超过已有的阈值的极值一般被定义为达到最大值或超过已有的阈值的高
44、值。这些事件一般是罕见的。可用概率和重现期高值。这些事件一般是罕见的。可用概率和重现期表示。如表示。如0.010.01的出现概率对应的出现概率对应100100年为重现期（百年年为重现期（百年一遇）。极端事件与前面讨论的一遇）。极端事件与前面讨论的 气候的阈值有密切气候的阈值有密切关系，但又明显不同关系，但又明显不同：（：（1 1）它不是全球性的，而是）它不是全球性的，而是区域和局地的现象；（区域和局地的现象；（2 2）它的时间尺度是短的，只）它的时间尺度是短的，只是发生在某一时间和某一时段内。而气候阈值是指是发生在某一时间和某一时段内。而气候阈值是指长期变化（几十年和几百年）趋势中超过某一临界
45、长期变化（几十年和几百年）趋势中超过某一临界值的现象。值的现象。(D.B.Stephenson,2008)极端事件有多方面的特性极端事件有多方面的特性（1 1）发生的速率（单位时间的概率）；）发生的速率（单位时间的概率）；（2 2）量值（强度）量值（强度）（3 3）时间长度（和生命史）和发生时间）时间长度（和生命史）和发生时间（4 4）空间尺度（印痕）空间尺度（印痕）（5 5）多变量相互关系）多变量相互关系IPCCIPCC（20012001）定义了）定义了“复杂极端事件，即与复杂极端事件，即与某种特定现象相关联的强天气，经常要求多某种特定现象相关联的强天气，经常要求多变量的关键性组合变量的关键
46、性组合。极端天气和气候事件的分类极端天气和气候事件的分类罕见的天气/气候事件罕见的天气/气候事件罕见和强烈事件罕见和非强烈事件罕见和强烈快速事件，如暴雨、雷暴罕见和强烈慢性事件，如干旱罕见和非强烈，急性（快速）事件，如台风的天气/气候事件罕见和非强烈慢性事件，如低温期罕见性罕见性强烈程度强烈程度快速性快速性(D.B.Stephenson,2008)简单极端事件的点过程诊断简单极端事件的点过程诊断 IPCCIPCC定义简单极端事件为个别局地天气定义简单极端事件为个别局地天气变量连续地超过临界水平（或阈值）的事件。变量连续地超过临界水平（或阈值）的事件。这是复杂极端事件的一个高度简化情况。由这是复
47、杂极端事件的一个高度简化情况。由于超过临界值的现象是在不规则的时间点发于超过临界值的现象是在不规则的时间点发生，并且超过的量值趋于明显，呈偏斜分布，生，并且超过的量值趋于明显，呈偏斜分布，所以由此组成的时间序列不适于用通常的时所以由此组成的时间序列不适于用通常的时间序列分析方法。但可把超过临界值的现象间序列分析方法。但可把超过临界值的现象看作是一种标记性点过程的随机过程，即具看作是一种标记性点过程的随机过程，即具有随机量标记（超过临界值的多余量）的过有随机量标记（超过临界值的多余量）的过程，它随时间发生在随机点上。程，它随时间发生在随机点上。阈值的选取阈值的选取（1 1）最简单的方法是据影响程
48、度选一个常数阈值。如最低）最简单的方法是据影响程度选一个常数阈值。如最低温度温度2525为热浪阈值（日本），但这种常值阈值随气候变化为热浪阈值（日本），但这种常值阈值随气候变化要变化的。要变化的。（2 2）更相对的方法是根据每一地点某些变量的经验分布选）更相对的方法是根据每一地点某些变量的经验分布选取常数阈值。如取常数阈值。如90%90%分位，这确保分位，这确保10%10%的事件是极端的，因而的事件是极端的，因而它是根据罕见性定义极端性的。它是根据罕见性定义极端性的。（3 3）时变阈值。如可选取阈值为所有从观测到的值的最大）时变阈值。如可选取阈值为所有从观测到的值的最大值，以此可定义该事件是破
49、纪录的。也可选趋势阈值以考虑值，以此可定义该事件是破纪录的。也可选趋势阈值以考虑气候变化的非定常性和非稳定性。如由全球变暖引起的气候气候变化的非定常性和非稳定性。如由全球变暖引起的气候基态发生了变化，则应选择新的阈值来进行计算。这可避免基态发生了变化，则应选择新的阈值来进行计算。这可避免目前常说的一种现象，即极端事件将变成常态的说法。目前常说的一种现象，即极端事件将变成常态的说法。极端事件的量值：需要用长尾概率分布去拟合观测的超出值，极端事件的量值：需要用长尾概率分布去拟合观测的超出值，即用广义即用广义ParetoPareto分布（分布（GPDGPD）极端事件的起源极端事件的起源（1 1）演变
50、性原理，极端事件并不是自发产生的，而是由于）演变性原理，极端事件并不是自发产生的，而是由于不太极端的事件连续演变而来，以后由于某种原因停止演不太极端的事件连续演变而来，以后由于某种原因停止演变而变成较为极端的事件。变而变成较为极端的事件。（2 2）定常性原理：诸如局地最大和最小值的极值是定常状）定常性原理：诸如局地最大和最小值的极值是定常状态的，其振幅变化率是零。这种特征意味着，对于这些极态的，其振幅变化率是零。这种特征意味着，对于这些极值其强迫与耗散倾向是平衡的，引起极端事件的值其强迫与耗散倾向是平衡的，引起极端事件的 各种过各种过程如下：程如下：（1 1）由正反馈引起的不稳定性造成的迅速增