2019年7月，西欧多国遭遇高温热浪，造成近900人死亡。全球变暖似乎已经带来了越来越多、越来越严重的极端天气气候事件：热浪、暴雨、台风、干旱……
气候变化如何影响中国？是否会带来更多的极端天气气候事件？对于这些问题，大部分中国公众还没有系统、清晰的了解。
在这次nsr论坛中，多位致力于中国气候变化与极端事件研究的专家学者就全球变暖等气候变化趋势对于中国天气、气候的影响进行了探讨。他们介绍了中国正在发生的变化，讨论了当前研究中存在的问题，也对气候变化研究如何服务社会提出了自己的观点。● ● ●
中国的变化
陈德亮：在全球变暖背景下，中国的气候和天气发生了哪些变化？严中伟：过去一百年来，全球变暖是一个非常清楚的事实，而中国变暖得更厉害。定量上说，一百年中全球平均变暖了不到1摄氏度，而中国变暖了1.56摄氏度左右，明显高于全球平均。所以，全球变暖对中国的影响也更加强烈。具体来讲，在中国，热浪在增加，暴雨在增加，毛毛雨在减少。极端热浪和暴雨的增加意味着形成旱灾和洪涝灾害的气象学因素都在增长。当然，最终是否形成灾害，还与我们的预防和应对措施有关。2013年，华东地区经历了一次持续两个月的高温热浪。有研究者计算了这场热浪给南京市带来的经济损失，结果是南京市全年gdp的3.4%左右。这其中既包含直接经济损失，也包含间接经济损失。现代社会的连接性越来越强，是一个非常复杂的系统，所以一场局部灾害的影响可以通过工业产业链和社会网络蔓延到整个区域和各行各业中去，造成许多级联的间接损失。除了经济损失，高温也对人的身体健康造成影响，可能增加部分人群的患病和死亡风险。杨静：现代社会的关联性、复杂性和人口密度都在增加，这些都提高了人类社会的脆弱性，因此，相对过去，同样强度的极端天气/气候事件对国民经济生活可以带来更大的损失。另一方面，这也意味着我们对极端事件的关注不能只局限于频次、强度这些常规量，也要关注它们的时空变化的其他细节，因为这些是与下游人类社会息息相关的。比如对于极端高温，它发生的面积、持续时长、以及波动的振幅和周期等都是重要因素。目前，热浪在中高纬度发生的频次越来越高，影响面积也越来越大，我国的华北，甚至东北都开始受到影响。而且，对于人类健康，剧烈波动导致的忽冷忽热常常比持续高温的影响更大。热带气旋也是如此。比如，对西北太平洋台风而言，研究表示，虽然局地台风的生成数目在变少，但是强度却在增加。此外，上世纪90年代以来，随着整体海温的升高，台风的生成位置明显北移，西北移路径增多，更多台风会在我国渤海湾和日本登陆，甚至可以影响到我国东北地区，造成北方极端降水的显著变化。周天军：谈气候变化，首先需要界定所关注对象的时间尺度。例如，有观点认为，在地球46亿年的历史中，曾经发生过许多非常剧烈的气候变化，所以相对之下，现在全球变暖几度没什么特别。这样的数据比较本身没有错，但是问题在于现在和几亿年、几百万年前情况不同，现在有了人类社会，即使只有几度的气候变化，也足以严重影响人们正常的生产和生活。所以，在讨论气候变化问题的时候，我们首先需要明确话题的时间尺度。联合国政府间气候变化专门委员会（ipcc）把气候变化定义为 “可识别的（如使用统计检验）持续较长一段时间（典型的为几十年或更长）的气候状态的变化”，在这里气候变化的原因可能是自然的，也可能是人为的。而《联合国气候变化框架公约》则将气候变化定义为 “在可比时期内所观测到的、在自然气候变率之外的、直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化”。今天我们在这里讨论气候变化，重点关注的是工业革命以来与人类活动相关的、主要是由化石燃料燃烧排放温室气体所造成的气候变化，它已经并将继续对人类社会造成影响。归因：变化从哪里来？
陈德亮：接下来的问题是 “归因”，这是目前的研究重点。孙颖老师在这方面做了很多工作，可以和我们分享一下。孙颖：归因研究要回答这样一些问题：观测到的气候变化的原因是什么？全球变暖是否与二氧化碳排放等人类活动有关？人类活动是否改变了极端事件的频次、强度和发生的概率？在方法学上，归因研究一方面依赖观测资料，另一方面也要用到气候模式。用气候模式来做归因的基本思路是，我们首先假定这些气候模式能够很好地模拟各种物理过程，是可以信任的，在此基础上，我们再进行不同外强迫影响下的试验结果分析，如太阳和火山爆发引起的自然强迫以及二氧化碳排放引起的人为强迫等，研究是否可以将观测到的变暖归因为不同强迫之下的响应。基于这些方法，我们的工作表明，中国20世纪中期以来的变暖主要是由于温室气体排放等人类活动造成的，极端高温事件频率、强度的增强也确实与全球变暖有关。而其他更复杂事件的归因会困难一些。比如降水。在之前很长时间，我们都很难在模拟中看到全球变暖对于降水的影响。但在近些年的很多工作中，随着人类活动的信号变强，降水变化的信噪比在逐渐上升，我们已经可以看到一些人类活动对强降水事件的贡献。按照ipcc的标准，对于某些地区的模拟结果可以达到中等信度。干旱更加复杂，它持续时间更长、涉及因素更多、评价指标也更复杂。所以我们目前对干旱的归因能力还不太好。目前国内的研究主要集中在上述这几个方面，对于台风等其他事件的归因还做得比较少。
季风与降水
翟盘茂：对于中国的极端降水事件，季风系统的影响很大。但是，对季风变化的归因工作还存在不足。不少人认为季风系统的变化主要受自然因素影响，而不能归因于人类活动的影响。这里面牵扯到很多方面，和区域性问题、下垫面影响、气溶胶变化、大气环流等都有关系。季风会影响降水。所以，如果无法确认人类活动对东亚季风的影响，也就无法确认人类活动对我国东部区域降水变化的影响。目前，不同模式给出的模拟结果都认为，气候变暖背景下中国南方和北方的降水都应该是增加的。但实际观测到的结果却是，东亚季风可能是总体减弱的，所以虽然南方降水有增加，北方降水却是减少的。如果我们不能解决季风和降水的归因问题，就没有办法将气候变化和我国极端强事件真正结合起来，气候变化就还是停留在描述性的阶段，不能令人信服地解释我国实际的天气与气候。孙颖：我也做过一些季风相关的工作。季风确实比较复杂，而且东亚季风和南亚季风也有区别。南亚夏季风降水受热力学因子的影响比较大，而东亚夏季风降水会受到更多动力学和环流的影响。我个人的观点是，最近几十年中，气候系统内部的自然变化和人类活动带来的变化会共同影响季风系统；而随着人类活动影响的不断增强，在全球变暖达到一定温升水平后，人类活动的影响将会更加凸显，明显影响到季风的活动。严中伟：在中英气候科学到服务伙伴关系计划（cssp-china）第一工作组的会议上，我们也专门讨论了季风和降水的问题。我们认为一个重要的方向是，要首先对大气环流的异常形态进行归因。目前的很多季风模式中，季风环流都不会到达华北，所以就看不到季风强弱对华北降水的影响。对大气环流进行归因之后，我们也许可以更好地对季风和降水进行归因，也可以通过降尺度工作来提高模式的空间分辨率，提高降水归因和预估的确定性。
干旱与洪水
陈德亮：干旱和洪涝是更复杂的问题，在降水的基础上，它牵涉到整个水循环，而且涉及很多下垫面上的水文学问题。我们今天也请到了一位水文方面的研究者，下面就请汤老师来谈一谈这方面的问题。汤秋鸿：在干旱相关的研究中，有一个非常重要的问题是干旱的评价指标。前些年有许多研究认为全球干旱水平在迅速上升，但是很多人认为存在争议，说这些研究中所使用的评价指标都过分强调了温度的重要性。全球变暖是一个确定的事实，所以如果把温度作为评价干旱的核心指标，那么干旱的强度和面积自然都在上升。后来有一篇 nature 文章深入探讨了该问题，指出如果我们用一个更好的、更有物理意义方法来计算蒸发，那么评估得到的干旱变化可能就会很小，至少比之前估算的小得多。干旱研究之所以如此复杂，原因之一就是干旱指标众多且各有优势和局限性，目前水文界还没有确定一个合适的指标来衡量它。洪水也很复杂，强降雨是洪水的主要诱因，但不是全部。气候变化的影响是广泛的，它可以提高极端降雨的强度，也可以提高海平面、引发风暴潮、改变河流地貌等。对于内陆城市，单纯的极端降水就可能引起内涝；对于河流沿岸地区，洪水可能来自于上游的强降水；而对于海滨城市，海平面、降雨、风暴潮对洪水都有贡献。也就是说，气候变化会对多个方面产生影响，而这些变化共同叠加，增加了灾害风险。另外，从社会经济影响角度出发，我们常常更关注特定极端事件在特定时间段里对特定区域的影响。比如全球变暖导致春季物候提前，农作物种植日期提前，我们就会特别关注在早春季节发生的天气事件对特定农耕区域的影响。要让水文气候研究服务社会经济发展和灾害防范，这一点也非常重要。翟盘茂：我很赞同你的观点，对于干旱，不同指数给出的结果会很不一样。干旱是一个时间、空间尺度都比较大的气候事件，如果能找出一个能够代表干旱的好的指数，干旱归因工作应该会有很大提升。另外，对于气候变化影响（impact）的归因存在一个问题，就是不同学科对于各种因素的划分不完全一致。比如在水文研究中，不少研究只归因到局地人类用水和气候影响两方面，而没有太多考虑气候影响背后的人类活动的作用。如果只考虑局部人类活动，而不考虑大尺度人类活动的影响，比如说由二氧化碳排放造成的全球变暖大趋势，是没有办法基于目前的cimp模式结果给出可信的未来预估结果的。类似的“归因”定义上的差异，即便是在ipcc第一工作组与第二工作组之间，也有差异，还需要协调解决。汤秋鸿：我完全同意您的观点。过去水文研究通常简单地把水循环变化归因为气候变化和人类活动影响，认为气候变化是自然因素, 土地利用/覆盖变化和人类用水活动是人为因素。这样归因是有问题的，因为气候变化本身包含了自然气候波动和人为气候变化，不全是自然因素；而土地利用/覆盖变化和人类用水活动也受到气候波动的影响，不全是人为因素。所以我们现在希望发展一个新的交叉学科，叫做 “全球变化水文学”，建立一个新的、和国际接轨的研究框架。在全球变化水文学的框架里，我们把影响水循环变化的人为因素分为几个具体的类别：第一是人类活动导致的气候变化；第二是人为的土地利用/覆盖变化，比如中国植树造林工程对当地水循环和水资源造成的影响；第三是包括灌溉、水库调度等人类用水活动带来的直接影响。陈德亮：我想这是很重要的一件事，我们应该努力推动这个新框架的形成，如果它能被更多人接受，可以对国内相关学科的发展有所帮助。
西北暖湿化
翟盘茂：还有一个问题，是新疆、西藏等西北地区正在经历的气候暖湿化。这种现象到底和人类活动、和气候变暖有没有关系？这种趋势会持续多久？最终会达到什么程度？这都是值得回答的问题。对于这些地区来说，变暖变湿可能在某种程度上是有益的，可能为西部地区和高原地区的发展带来新的机遇。所以这方面的研究同时具有科学价值和社会价值。孙颖：西北暖湿化确实是需要深入研究的。这也是一个复杂的、系统性的问题，涉及温度、水循环、大气环流等各种因素和它们之间的相互作用。要搞清楚各个因素的贡献到底有多大，我们的研究工作才刚刚开始。
改进气候模式
汤秋鸿：我看到，在很多极端降水、高温热浪等事件的归因工作中，都使用了一种基于模拟的方法，也就是分别对考虑和不考虑温室气体排放等人为影响的气候系统进行模拟，如果考虑人为影响后模拟的某种极端事件发生概率升高了，从不考虑人为影响时的 “基本不可能发生” 变为 “可能发生”，那么就说明人为气候变化是该极端事件发生的原因。我觉得目前气候模式模拟极端事件还有较大的不确定性，调节模式参数可能改变模拟结果，从而得出不同的归因结论。我认为气候模拟的不确定性对极端事件归因至关重要，可能会影响到结论的可靠性。孙颖：这确实是现在用得比较多的一种方法，最早是英国气象局的 peter stott 等人在一篇2003年的 nature 文章中提出的。问题在于，使用这种方法是有前提的，要假定你所使用的模式是好的，能够比较好地模拟出实际变化。这个假定是否成立，是需要验证的。如果这个假设不完全成立，那么在解释计算结果时就需要考虑这一因素。此外，还有空间尺度、时间尺度和研究变量的差异。模式对于不同时空尺度和变量的模拟能力是不同的，对比较大的区域和比较长的时间范围进行模拟时，我们常常可以看到更明显的人类活动的影响。所以，如何正确解释归因研究的计算结果其实是一个比较大的问题，需要更多深入的思考。杨静：您说预估和归因工作的前提是假设我们所使用的模式是完美的，但是从研究结果来看，我们的模式常常还并不够完美，针对极端事件而言，目前模式有两个比较主要的问题：一是分辨率不够，二是次网格参数化的物理方案还有很大欠缺。这是是我们专业上常说的次网格物理参数化的“尺度不适应” 问题，这就导致了归因和预估工作中的很多不确定性。比如说，在防灾减灾基础设施搭建中，我们需要设定极端降水的绝对阈值。但是现有模式对绝对阈值的模拟效果非常不好，大部分模式很难捕捉到100毫米以上的极端降水。而且，我们研究发现，即便是通过对模型的调试捕捉到了这些极端降水的总量，但是模拟中的许多物理细节很可能是不真实的。比如说，我们发现，两个模式都模拟出了同样的降水，但它们在温湿廓线、云层的垂直分布等方面大相径庭。那么，如果我们用这样的模型来做预估，由于高低云对温室气体增温的气候反馈非常不同，预估结果也不有很大差异，这是导致预估不确定性的一个重要因素。陈德亮：你说了很多模式本身的问题，都很有道理。我想概括起来应该是三点：分辨率、次网格，以及模式对物理过程的实际把握。这其中，如何通过降尺度方法提高空间分辨率，其实是与下游的实际问题相关的。只有把尺度降下来，能够对一个较小的区域，比如一个城市来做预估，我们的工作才可能为实际的生产生活提供指导，实现现实价值。我有很多学生毕业以后都在瑞典的公司里面工作，专门做降尺度方面的实际工作。周天军：对于降尺度研究，世界气候研究计划（wcrp）发起的 “国际区域气候降尺度试验” 计划（cordex）有望发挥重要的作用，它能够成为连接全球尺度、区域尺度和局地尺度的重要桥梁。我对区域模式的未来发展很有信心。因为伴随着高性能计算机的快速发展，气候模式的分辨率不断提高，这使得我们进行区域气候模拟的时候，已经有能力把模式的分辨率从最早的50公里尺度降到公里尺度，这样，原来在粗网格上需要通过“参数化” 来描述的一些关键物理过程，我们现在能够通过显式格式来计算；“参数化” 是造成刚才各位专家所说的模式偏差的重要来源，高分辨率的 “对流解析” 模式不再需要这些参数化过程，模式的准确度将得到极大地提高。
服务社会
周天军：目前，国内的气候变化科学研究和社会需求之间还是分离的，降尺度研究可能成为连接二者的桥梁。对于科学界来说，研究成果或者服务产品要想满足社会需求，其实需要科学家、政府决策者、利益相关者等各方的共同参与，我们首先要知道他们需要什么，随后才能做出符合他们需求的有用的产品。当前，从国际到国内，社会科学和自然科学界两者之间也是分离的，从资助体系到学术语言体系都不一样，二者之间平时很少交流，偶尔交流也很不顺畅，这是影响气候变化研究落地的重要因素。2011年，国际科学理事会（icsu）、国际社会科学理事会（issc）、联合国教科文组织（unesco）、联合国环境署（unep）、联合国大学（unu）、belmont forum 和国际全球变化研究资助机构（igfa）联合发起 “未来地球” 计划，致力于通过加强自然科学和社会科学的沟通与合作，寻求和推广增强全球可持续发展能力的理念。2018年，icsu 和 issc 这两大世界科学联合体合并成立了新的国际科学理事会（international science council），成为代表全球科学界包括所有社会与自然科学的最权威的国际组织。因此，随着科技的深入发展，自然科学和社会科学的交叉融合是大势所趋，国内的气候变化研究应该主动适应这一潮流，自觉践行 “未来地球计划” 所倡导的 “协同设计、协同实施、协同推广” 理念，更好地服务于社会。陈德亮：确实如此，在瑞典，科研部门和私营企业之间的联系是很密切的，研究者为企业提供气候培训和指导，而许多企业管理者也会参与科研基金的评审和科研项目的制定，这就为研究走向实际生活提供了很好的前提。周天军：英国牛顿基金会资助了一个中英合作项目，就是 cssp-china，它资助气候研究领域的中国和英国科学家到对方国家进行交流访问，合作开展研究。这个计划一方面打破了国际上从事东亚气候研究的科研团队格局，在此之前，国际上研究东亚气候的学者基本都是来自中日韩三国的科学家，现在英国团队加入进来，带来了不少新的技术和方法，从新的视角来看待东亚气候问题。更为重要的是，这个计划致力于推进气候预测、预估的基础研究成果在气候服务领域中的运用，推动研究者与农业、林业、水文等行业的合作和在成果应用方面的有效衔接。可以说，这个项目已经影响到中国学者研究东亚气候问题的视角和思维方式。汤秋鸿：我曾受英国皇家学会牛顿高级学者基金资助，考察英国的洪水预警预报系统与风险管理。在考察过程中，我们了解到英国建立了很好的洪水保险制度。在英国，洪水保险业与气候变化研究界的联系非常紧密，它们会评估气候变化对自然灾害的影响及可能造成的经济损失，在洪水风险评估的基础上为洪泛区财产和防洪基础设施建设工程提供保险服务。目前在我国，洪水等自然灾害发生后，政府灾后救助是主要的补偿手段，但尚未建立完善的洪水保险制度。随着气候风险的增加，防灾减灾可能面临越来越大的资金压力。为了应对气候变化和防范水旱灾害，亟需推动建立国家洪水保险制度或者水文气象灾害保险制度，水文气候研究可以为灾害风险管理提供科技支撑。周天军：许多基础设施建设项目都需要进行气候风险评估。其中包括城市基础设施建设，例如，一个城市的排水管道建设，到底应该按照可以承受多少年一遇的极端暴雨来设计，因为不同的设计标准，建设需要的成本大不一样；也包括沿海城市的规划，全球变暖将令海平面升高，一些特大临海城市像上海、香港等，防浪大堤到底应该修多高等，在建设之前都应该进行气候风险评估。还有一个例子是机场的建设，我们最近在《科学通报》英文版上撰文，讨论了气候变化对飞机起飞的影响。因为如果气温过高，大气能够提供的升力就会变小，这时候如果跑道不够长，载货较重的飞机就无法在现有跑道上成功起飞。西方发达国家已经报道过机场因极端高温而大量取消航班的情况。所以，现在许多西方国家都会对机场建设中的气候因素进行定量评估，包括气候变暖的潜在影响，我国在这方面的工作有待加强。孙颖：在中国，其实也有这方面的评估，但还没有形成体系，很多都停留在地方机构，评估质量也不太清楚。严中伟：在我国，大型工程的气候风险评估其实一直都有。但是近年来，很多国际投资部门新设了强制性的要求，要求在风险评估中考虑未来气候变化所导致的风险。这与以往的气候风险评估有所不同。我想我们应该呼吁有关机构制定政策，在重大工程建设过程中强制性地进行气候变化风险评估，让整个过程更加专业化，也能更好地发挥作用。杨静：除了预防性的风险评估，还有一个问题是目前我国对很多灾害相关的底层数据是不了解的。比如2019年8月台风利奇马在浙江登陆，永嘉县一个村庄直接被淹，死亡二十多人。相关调查发现，那个地方本身就具有很高的灾害风险，其实可能并不适合有村庄存在的。所以，要应对风险，我们不只要了解敌人，也要了解自己。所以从2019年4月开始，国家应急管理部开始进行一次全国灾情风险大调研，希望能够获得具体到县的真实风险底层数据，为将来的实际防灾减灾工作和科学研究提供基础。严中伟：在灾情风险领域我们可能是缺少数据，而在大气、海洋等领域，我们有时候会遇到虽然有数据，但是数据不完全公开的情况。我们希望在将来，各领域相关数据能够在允许的范围内，尽量对公众和研究者免费公开。总结：气候变化研究的愿景
陈德亮：气候系统是一个非线性系统，影响它发展运行的主要有两个因素，一是外界给与的强迫，二是内部结构对强迫的响应和反馈。我们气候变化研究要做的工作，其实是要得到在一系列不同外加强迫之下，气候系统可能发展形成的不同情景（scenario），告诉大家不同人类活动，比如不同强度的二氧化碳排放，分别可能将气候系统和人类社会引向怎样的未来。在这些不同的未来中，有些是比较好的，有些是没那么好的，我们就可以据此来选择自己的行动，从而向那些比较好的方向运行。气候变化领域常常提到 resilience 一词，中文的翻译是 “恢复力”，但这个翻译不太好，因为 resilience 的目标不是恢复到从前的状态，而是要向我们预想中的那些比较好的未来前进。本文为《国家科学评论》（national science review）forum文章“extreme weather and climate events in china under changing climate”的中文版本。
英文原文：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa069
