黄丹青：极端天气气候事件频发：基本规律与科学应对

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黄丹青（南京大学大气科学学院教授）

国家气候中心监测显示，2023年全国区域性高温过程具有出现时间早、影响范围广、极端性显著等特征。其中，华北地区连续多次遭受大范围持续性高温过程，多地频现极端高温。6月21日—30日，区域性高温影响华北地区国土面积达50.5万平方公里，影响人口超过2亿人。6月22日—24日，北京连续三天最高温度突破40℃，最高达41.1℃，城区高温时长超40小时。高温天气造成多起高温中暑、热射病等事件发生，同时给当地电力部门造成了供电压力。实际上，不单是我国，今夏历史性高温天气席卷整了个北半球，北美、北非、地中海和亚洲部分地区都遭遇了前所未有的极端高温，甚至多地同时出现高温天气。6月21日，墨西哥新拉雷多连续三天最高温超45℃；蒙克洛瓦连续三天最高温超46℃；巴基斯坦诺昆迪最高温达49℃；伊朗扎博勒最高温达50.8℃，成为当天全球之最。6月中下旬，美国多州高温导致电力紧张，甚至出现大面积停电，其中，密西西比州的杰克逊市出现近100个小时没有电力供应的情况。7月以来，埃及开罗地区白天的最高监测气温达38℃，埃及和北部海岸地区的最高气温分别达45℃和34℃，均突破历史极值。世界气象组织指出，2023年7月前三周的平均气温达到有记录以来的最高水平，该月“极有可能”作为最炎热的月份被载入史册。7月27日，联合国秘书长古特雷斯就7月全球气温创下新高发表声明：“全球变暖的时代已经结束，全球沸腾的时代已然到来。”

与此同时，全球还有许多地区遭受了暴雨的袭击。5月中旬，意大利北部地区遭遇暴雨侵袭，引发洪水和山体滑坡，破坏或切断了500多条道路；6月25日以来，强降雨引发的洪水已造成巴基斯坦至少86人死亡、151人受伤；7月12日印度北部遭受持续性暴雨袭击，多地处于洪水警戒状态；7月11日，日本九州等地的强降雨天气还引发了泥石流等次生灾害。类似的暴雨灾害在我国也频繁发生。入汛以来，我国南方地区暴雨不断，局部地区有特大暴雨并伴有短时强降水。气象监测资料显示，5月22日桂林发生极端强降水，局部小时降雨量达到300.1毫米，从降水强度来看堪比2021年“7·20”郑州特大暴雨。7月29日至8月1日，京津冀地区出现一轮历史罕见极端暴雨过程，呈现出累计雨量大、持续时间长、影响范围广等特征：平均累计降水量175毫米，超过平均年降水量的三分之一，最大雨量出现在河北邢台临城县，达1003毫米（相当于两年的降水量）；北京降雨持续时间长达83小时。除京津冀外，山东、河南等省也遭受本轮暴雨过程影响，累计降雨量超100毫米面积有20.6万平方公里。

极端天气事件频发对经济社会和人民生活造成了严重影响。什么是极端天气气候事件？“极端天气套餐”里只有高温和暴雨么？极端天气气候事件会不会越来越频繁发生？影响极端事件的幕后主因究竟是什么？我们应如何应对？

极端天气气候事件的特征与机理

从字面意思来看，“极端”是指事物发展的端点状态，即严重偏离平均值。“极端天气气候事件”则是在特定的区域和时间内发生的十分罕见的，对国计民生造成巨大危害和损失的异常天气气候事件。通俗地讲，极端天气气候事件指的是不易发生的小概率事件。常见的极端天气气候事件有台风、暴雨、寒潮、高温热浪、低温冻害冰雹和干旱等。判断极端天气气候事件的发生需要选择合适的阈值，不同阈值的选择成为影响极端事件分析的关键。通常，高温日数定义为日平均最高气温≥35℃的天数，日降水量超过50mm/d即定义为暴雨。其中，35℃和50mm/d就是判定高温日和暴雨日的绝对阈值。此外，由于气候要素本身具有较强的时空非均一性，阈值的选取应当充分考虑局地的气候背景，因此，基于百分位或极端理论的参数估计等方法确定相对阈值的方法应用更为广泛。国际上，世界气候研究计划提出了一套基于统一框架内的27个极端气温和降水的定义指标，并广泛应用于极端天气气候事件的研究中。

国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021：自然科学基础》（以下简称IPCC AR6）基于最新的数据、详实的证据和多元的方法，提供了有关全球和主要区域当前气候变化状态、归因和未来气候变化趋势的评估结论，并在报告中重点关注了极端天气气候事件，主要围绕极端温度、强降水、干旱和极端风暴（如热带气旋、大风、强对流等）。IPCC AR6评估报告指出，20世纪50年代以来，全球大部分地区极端高温事件的频率和强度在增加，城市热岛效应使城市遭受更多更强的高温热浪威胁。其中，内陆的干旱半干旱地区和冰雪覆盖的高纬度和高海拔地区，由于局地陆气反馈过程的作用，成为了极端温度变化最敏感的区域。陆地之外，全球海洋热浪的数量自1980年以来也增长了近一倍。在全球变暖背景下，近百年来，极端降水在全球大部分地区也呈增长趋势。由于极端降水增加的速度整体快于平均降水，导致降水的年内变率增加。气候变暖提高了大气的蒸发潜力，从而影响一个地区可获得的净水资源量。报告同时指出，农业和生态干旱在遍布全球所有大洲的多个地区都有增加，这包括我国所处的东亚地区；只有个别地区出现了农业和生态干旱缓解的状况。在地中海和东亚等地区也出现了水文干旱加剧的现象。局地性强、生命史短的极端风暴的发生频次也在全球各个地区呈现出不同程度地增长。如，20世纪70年代以来，北大西洋热带风暴频次和强度显著增加。

近些年，极端天气气候事件呈现出区域性、极端性和复合性等新特点。IPCC系列评估报告也首次将“多碰头”的复合极端事件纳入评估对象。该报告将极端复合事件概括为“造成社会或环境影响的不同驱动因子组合发生的状况”。IPCC AR6评估报告指出四类常见的复合极端事件：前期影响型，如前期热浪会诱发后期的强降水；多要素共生型，如极端暖干、暖湿事件；接连发生型，如持续的日间和夜间热浪；空间复合型，如单一因子关联影响了空间上多类型的极端事件。由于复合极端事件造成的影响远大于单个事件单独发生时的影响，相关研究也越来越受到重视。IPCC AR6评估报告指出，1950年以来，复合极端事件在全球多个地区变的更加频繁，包括多个流域内的复合型洪水事件，以及酷热干旱复合事件提供了诱发野火的综合天气条件等。南京大学大气科学学院丁爱军团队发表在《科学》的研究发现，在全球变暖背景下，全球不同沿海地区的极端野火事件增强，并揭示其反馈机制，实现了在当前可预报的时间窗内认识影响野火发生、发展和消亡的复杂理化机制与关键控制过程。

要理解极端天气气候事件的形成，首先需要认识气候变化的基本规律和主要事实。研究表明，不同的气候背景对应着不同的极端天气气候事件的发生规律。地球气候形成和变化的根本原因在于太阳辐射在地球上的分布差异及变化，同时，地球系统五大圈层（大气圈、岩石圈、水圈、冰雪圈和生物圈）的相互作用、反馈过程以及人类活动对地球天气气候的变化都具有重要作用。地球气候背景形成的根本原理是：赤道与高纬度地区受太阳辐射加热不均，这将导致赤道受到更多的热量，其中多余的热量会通过大气运动和海洋环流输送到高纬度地区，使得地球表面温度梯度减小，并维持着相对稳定的状态，形成特定的大气环流系统。具体表现为：假设地表性质均一，赤道大气受热上升，极地大气收缩下沉，在气压梯度力作用下，赤道大气由高空向南（北）极运动，而极地大气则由地面向赤道运动；但由于科氏力的影响，高空向极运动的大气逐渐偏转，于30°N(S)附近堆积下沉，并分别流向赤道和极地地区；同样在科氏力的影响下，与极地向赤运动的大气在60°N（S）附近相遇，辐合上升，在高空分别流向副热带和极地上空，气象上称为“三圈环流”，即大气环流的理想模式。但是，地球表面的组成非常复杂，山脉、海洋、草原、沙漠、森林、城市等不同下垫面具有不同的热力和动力特性，使得太阳辐射对地表的加热极不均匀，从而形成更为复杂的局地大气环流。此外，人类活动如森林砍伐、沙漠化、城市化等土地利用对地球表面特征的改变，也将影响大气环流系统的变化，最终导致天气气候的变化。

极端天气气候事件的主因是全球气候变暖

2021年1月—2月，北半球冷暖事件频发多发现象加剧，我国和欧美地区冷事件与暖事件此起彼伏，东西半球屡屡呈现“冰火两重天”的气候格局，严寒、暴雪和温暖如春在同一个时间、同一个区域穿插与轮回。这种“冷”和“暖”的剧烈反差意味着极地的冷空气和中低纬度的暖空气在空间和强度上的“较量”，其直接原因是大气环流异常，但根本原因是全球变暖加剧了气候系统的不稳定性，增加了异常环流型出现的频率和强度。受全球变暖影响，北极地区变暖的速度远快于全球其他地区。因此，大量冰川融化，海冰消融，导致北极涡旋（极涡）不稳定，进而发生分裂和移位。北极涡旋是常年盘旋在北极上空的低压天气系统，往往控制着冷空气的活动，是影响寒潮天气的重要系统。在上述事件中，1月上旬，极涡中心偏向亚洲东部至北太平洋上空，造成我国的极寒天气；2月中旬，极涡的中心转而偏向北美地区，易于引导极区冷空气南下，伴随着东太平洋热带洋面和墨西哥湾稳定输送的暖湿水汽。两股冷暖空气团对峙，触发了强烈的水汽辐合，导致了北美极寒、暴风雪天气。此外，全球变暖下大陆增温幅度将快于海洋，那么，总体上将增加不同下垫面之间的热力差异，通过加速水体的水汽蒸发，使得空气中能容纳更多的水汽（理论值为温度每升高1℃，大气水含量将增加7%），进而有利于形成降水。同时，水汽在凝结的过程中将释放出大量的潜热，这将增加大气的扰动，激发不稳定性，促发强对流，进而促发极端降水事件。总而言之，极端事件频繁发生的背后主因其实是全球气候变暖，尤其表现在增暖的时空不均匀性。

世界气象组织发布的2022年全球气候状况报告指出，2022年平均气温较1850—1900年平均值偏高1.67℃，为1850年以来第四高。2022年全球月平均气温距平，除12月偏低0.24℃外，其余月份均较常年同期偏高，其中10月气温距平为0.86℃。近百年的全球变暖呈现出独特的表现：变暖的持续时间最长以及变暖的空间覆盖最广。实际上，不仅仅是大气圈，全球变暖在地球系统的各个圈层都有体现。作为水圈主体的海洋，在过去的80年内，每十年都比前十年更暖。在2022年全球大部分海域平均海表温度接近常年或偏高，北太平洋、热带西太平洋、南太平洋中纬度、热带东印度洋、南印度洋中纬度、北大西洋中纬度、热带大西洋、南大西洋中纬度等海域的海温偏高0.5℃以上，其中北太平洋中部、南太平洋中部和西部等海域的海温偏高1.0℃以上，局部偏高1.5℃以上。此外，冰雪圈的全球变暖表现为冰川消融、冻土和积雪融化加剧。1972—2022年，北半球和欧亚大陆年平均积雪面积显著减小，平均每10年分别减小14万平方公里和11万平方公里。北极海冰的面积自2007年出现跳崖式减小后进入了持续偏小的阶段，2022年9月北极海冰范围较常年同期偏小12.7%。在陆地岩石圈和生物圈，全球变暖背景下生长季的长度有加长的趋势（主要表现为冬季变短，夏季变长），全球绿化、物种范围移动均有增加趋势。

近百年观测数据表明全球明显变暖，气候系统5个圈层都发生显著变化，与之伴随的是人类活动排放也在明显增加。IPCC AR6评估报告已证实人类活动对全球增暖的影响：以较高的信度表明，全球大部分地区极端温度变化主要源于工业革命以来人类活动排放的温室气体。评估报告也首次强调了，如果没有人类活动的影响，全球多地遭受的极端事件甚至突破历史纪录的高温事件几乎是不可能发生的。两位国际著名的气候学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）也因其在“对地球气候的物理模拟、量化变率和可靠地预测全球变暖”所做出的贡献，获得2021年度诺贝尔物理学奖，这也是历史上诺贝尔物理学奖首次授予气候学家。诺奖官方新闻稿写道：“地球在升温吗？是的。是因为大气中温室气体含量的增加吗？是的。仅仅用自然因子能解释吗？不能。人类排放的温室气体是温度升高的原因吗？是的。”答案的背后，是以真锅淑郎和哈塞尔曼为代表的气候学界百余年的努力和积累。该结论的科学依据被称为“检测归因”。

目前，全球及区域尺度平均温度变化方面的归因研究已经证实了20世纪的温度长期变化主要受到人类活动的影响。这是基于最新观测数据及最先进的气候模式的模拟“计算”出来的结果。科学家们利用气候模式进行模拟，把所有情况都考虑进去，但只有把人为原因加上时，得出的结果才与实际观测结果相符。这就说明，化石燃料和土地利用等人类活动导致了地球表面温度升高。在IPCC AR6评估报告中，气候学家们在数值模式方面，逐步考虑了更多影响因子（气溶胶、土地利用和土地覆盖、碳循环、动态植被过程、平流层臭氧、自然强迫等），对人类活动的影响有了更深入的认识。在降水方面，由于降水观测资料及模式模拟的局限性以及内部变率在降水变化中的较大影响，使得降水变化的归因相比温度要复杂得多。但可以确定，在亚洲、欧洲和美洲，人类活动极大程度上引发了极端降水的增加。而在更小的区域尺度上，人类活动影响极端降水的证据还相对有限。且极端降水的自然波动大，当前模式模拟极端降水的不确定性大，限制了归因结论的可靠性。总体而言，极端降水的归因信度相对极端温度较低。就归因结果的可信度而言，有关极端温度事件的人类活动归因结果可信度最高，其次为极端降水事件和干旱事件。值得关注的是，由于降水观测资料有限，并且其物理过程较气温更复杂，极端降水增加与人类活动影响之间关系的说法，需指明空间范围、时间尺度和结论的置信度，这也是IPCC AR6评估报告所特别强调的。

科学应对全球气候变化的思考与建议

值得警惕的是，预估的极端天气气候事件呈现出时空非均匀变化的特征，这将导致未来极端事件变得更加反复无常。与此同时，“小概率高影响”事件的极端值被频繁地打破，这将极大地增加防范极端天气气候事件风险的难度。当前的变暖趋势不可能被停止或逆转，但是可以减慢，使得生物系统和人类社会有更多的时间去适应。因此，我们必须立即采取行动应对气候变化。

国际上一直在探索解决气候变化问题的途径。1992年联合国环发大会开放签署《联合国气候变化框架公约》，公约于1994年生效，成为国际应对气候变化谈判的主渠道，并达成一系列成果。1997年达成《京都议定书》，要求发达国家承担量化的减排指标。2015年12月在第21届联合国气候变化大会上达成《巴黎协定》，并于2016年生效，进一步明确了全球绿色低碳发展的大方向和2020年后全球治理的相关制度框架。2017年12月达成了《巴黎协定》实施细则，为各方履行《巴黎协定》提供了明确指导。《巴黎协定》的主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并将力争控制在工业化时期水平之上1.5℃以内；在不威胁粮食生产的情况下，增强适应气候变化负面影响的能力，促进气候恢复力和温室气体低排放的发展；使资金流动与温室气体低排放和气候恢复力的发展相适应。2020年各缔约方正式开始实施《巴黎协定》。

作为应对气候变化国际行动的一部分，我国积极参与全球治理，充分彰显了负责任的大国形象。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”

中国一贯坚持减缓和适应并重，实施积极应对气候变化国家战略。为统筹推进适应气候变化工作，2013年我国首次发布《国家适应气候变化战略》，明确了2014至2020年适应气候变化的总体要求、重点任务、区域格局和保障措施，为开展适应气候变化工作提供了指导和依据。2022年6月生态环境部印发的《国家适应气候变化战略2035》指出，减缓和适应是应对气候变化的两大策略，二者相辅相成，缺一不可。“减缓”是指通过能源、工业等经济系统和自然生态系统较长时间的调整，减少温室气体排放，增加碳汇，以稳定和降低大气温室气体浓度，减缓气候变化速率；“适应”是指通过加强自然生态系统和经济社会系统的风险识别与管理，采取调整措施，充分利用有利因素、防范不利因素，以减轻气候变化产生的不利影响和潜在风险。简言之，“减缓”即采取措施减慢或减少温室气体的排放源或增加碳汇；“适应”即对于已经发生或预期的气候变化及影响做出及时的、全方位的响应。《国家适应气候变化战略2035》发布以来，我国适应气候变化工作取得积极成效，但面对气候变化长期性、复杂性等特点，当前对气候变化影响和风险的分析评估仍然不足，对适应气候变化的重视程度和行动力度仍亟待提升。

在“减缓”方面，要高度重视气候科学认知并深化国际合作。深入参与《联合国气候变化框架公约》及其《巴黎协定》等主渠道下的全球适应治理进程，做好国际国内工作统筹协调。要深度参与IPCC评估工作，发挥建设性作用。加强国际合作，讲好中国适应气候变化故事，积极推动适应气候变化南南合作，帮助更多的发展中国家提高适应气候变化能力，彰显负责任的大国形象。我国提出碳达峰和碳中和的“双碳”目标，一方面，它体现了我们主动承担应对气候变化的国际责任的担当；另一方面，碳中和政策的实施作为历史上规模空前的有序适应气候变化的行动，将对我国经济社会发展产生深远影响。面对“双碳”目标，丁仲礼院士提出构建一个三端共同发力的体系：第一端是能源供应端，尽可能用非碳能源替代化石能源发电、制氢，构建“新型电力系统或能源供应系统”；第二端是能源消费端，力争在居民生活、交通、工业、农业、建筑等绝大多数领域中，实现电力、氢能、地热、太阳能等非碳能源对化石能源消费的替代；第三端是人为固碳端，通过生态建设、土壤固碳、碳捕集封存等组合工程去除不得不排放的二氧化碳。通过构建多学科、跨部门的科学政策共同体，推动“双碳行动”的有序实施，应对气候变化的挑战。

在“适应”方面，要持续加强气候变化相关的基础科学问题研究，借助现代科技水平提升应对气候变化的能力。尽管气候变暖及其对人类的影响已经成为毋庸置疑的事实，但这其中依然存在着诸多悬而未决的科学问题，包括地球气候系统的碳循环规律、碳循环与气候变化的反馈关系、二氧化碳排放和全球温升之间的敏感度、气候变化对极端事件的影响机制、高影响极端天气气候事件预测预报的能力提高等问题。为此，首先要加强极端事件引发的复杂风险监测预警能力的建设。加强对极端事件的频发特征、极端灾害事件连锁效应的研究，提高监测、预报、预警和响应的有效性、准确性和针对性。我们要进一步深化细化并推动跨专业部门多灾种监测预报预警能力的提升和全覆盖。其次，加强气候变化对经济和社会影响的风险评估。重点加强健康评估、精准预估，科学规划、超前布局，强化区域适应能力，构建适应气候变化韧性城市，提高避免未来气候变化所造成的重大损失和破坏的区域适应能力。此外，要努力提升和增强人民适应气候变化的意识。高校和科研机构要充分利用世界气象日、国际减灾日、全国防灾减灾日等契机，全方位多渠道开展适应气候变化相关培训和宣传教育，形成全社会广泛参与的良好局面。如南京大学大气科学学院“涂长望讲师团”以“讲好气象故事”为核心，深入开展气象科普，积极传播生态文明，取得了良好社会效果。

当前至2035年，是我国基本实现社会主义现代化和建设美丽中国的关键时期。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出要“加强全球气候变暖对我国承受力脆弱地区影响的观测和评估，提升城乡建设、农业生产、基础设施适应气候变化能力”。为落实党中央国务院决策部署，强化我国适应气候变化行动举措，提高气候风险防范和抵御能力，《国家适应气候变化战略2035》在深入评估气候变化影响风险和适应气候变化工作成效与挑战机遇的基础上，提出新时期我国适应气候变化工作的指导思想、基本原则和主要目标，明确我国适应气候变化工作重点领域、区域格局和保障措施，为我国有效应对气候变化提供了科学指南。

习近平总书记多次强调，“降低二氧化碳排放、应对气候变化不是别人要我们做，而是我们自己要做”。这是中国可持续发展的内在需求，也是推动构建人类命运共同体的责任担当。过去已然发生，未来可以改变。在可靠的科学认知的基础之上，我们要勇于直面极端天气气候事件，“减缓”和“适应”气候变化迫在眉睫。（来源：《国家治理》2023年9月上）