全球氣候變化的影響與后果:

閾值和極端天氣氣候事件

丁一匯中國氣象局國家氣候中心2010年9月29日全球氣候變化的影響與后果:

閾值和極端天氣氣候事件

丁一匯1內(nèi)容一、前言二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件四、結(jié)語：內(nèi)在聯(lián)系內(nèi)容一、前言2一、前言

概括起來，全球氣候變化有兩個(gè)方面的重大影響：氣候變暖和極端天氣與氣候極端事件加劇與頻發(fā)。前者是全球性和長期的，后者是區(qū)域或局地性短期的（急性發(fā)生與緩慢發(fā)生），原因不同，但相關(guān)密切。一、前言概括起來，全球氣候變化有兩個(gè)方面的重大影響3二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性氣候變化的影響和后果主要包括三個(gè)最為關(guān)注的問題：氣候變化的不穩(wěn)定性和閾值；氣候的突變和不可逆性二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性氣候變化4氣候變量對(duì)強(qiáng)迫的各種響應(yīng)的概略示意圖。上圖表明強(qiáng)迫達(dá)到一新的穩(wěn)定水平（左部），后來通過很長時(shí)間又回到原始水平（右部）。下圖表明，氣候變量的響應(yīng)能夠是平滑的（實(shí)線），或通過一分岔點(diǎn)向結(jié)構(gòu)不同的狀態(tài)過渡（虛線。過渡可能是快速的（突變，長虛線）或是逐漸的（短虛線），這決定于氣候系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)而不是強(qiáng)迫。長期行為也顯示不同的可能性。當(dāng)強(qiáng)迫回到其原來值時(shí)變化可能是不可逆的，這時(shí)系統(tǒng)處于不同的穩(wěn)定態(tài)（虛實(shí)線），或是可逆的（實(shí)線，點(diǎn)線），這時(shí)過渡又可以是逐漸的或突然的。一個(gè)明顯的例子是北大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）對(duì)輻射強(qiáng)迫逐漸變化的響應(yīng)。（IPCC，2007）氣候變量對(duì)強(qiáng)迫的各種響應(yīng)的概略示意圖。上圖表明強(qiáng)迫達(dá)到一新5全球氣候變化影響的閾值問題全球氣候變化影響的閾值問題6氣候突變和翻轉(zhuǎn)點(diǎn)臨界閾值即指翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，如有小的強(qiáng)迫改變，則可能定性地改變一個(gè)系統(tǒng)的未來狀態(tài)。而一種翻轉(zhuǎn)要素是指具有一種翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的地球系統(tǒng)的一部分，它的尺度至少是次大陸的。政策關(guān)注的翻轉(zhuǎn)要素是本世紀(jì)受人類活動(dòng)強(qiáng)迫超過其翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的那些系統(tǒng)或部分。氣候突變是翻轉(zhuǎn)點(diǎn)變化中一種特別情況，即其發(fā)生十分突然，比其原因要快。另一方面，翻轉(zhuǎn)點(diǎn)變化也包括比其原因要慢的過渡情況。（在上兩種情況下，其變化速率決定于其系統(tǒng)本身），無論哪一種情況，狀態(tài)的變化可以是可逆的，也可以是不可逆的。氣候突變和翻轉(zhuǎn)點(diǎn)臨界閾值即指翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，如有小7可逆意味著當(dāng)強(qiáng)迫又回到翻轉(zhuǎn)點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)可回到它的原始狀態(tài)，而突然的或逐漸的不可逆狀態(tài)變化意味著系統(tǒng)將不會(huì)回到原始狀態(tài)而是當(dāng)強(qiáng)迫回復(fù)以后，系統(tǒng)將具有一種更大的變化。可逆性原則上并不意味著所產(chǎn)生的變化實(shí)際是可逆的。一種翻轉(zhuǎn)要素可以落后于人類強(qiáng)迫的發(fā)生，以后一旦觀測(cè)到過渡開始了，則狀態(tài)的更大變化已經(jīng)是不可避免了。因而翻轉(zhuǎn)要素的這種響應(yīng)特征是特別值得關(guān)注。因?yàn)樗梢詭椭祟惤⒃缙陬A(yù)警系統(tǒng)。可逆意味著當(dāng)強(qiáng)迫又回到翻轉(zhuǎn)點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)可回到它的原始8地球氣候系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)

根據(jù)對(duì)氣候系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，氣候突變的研究與模式中模擬的氣候變化狀況表明地球系統(tǒng)存在著許多翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，有些模式在將來的預(yù)測(cè)中通過了翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，同時(shí)最近的觀測(cè)也表明北極已經(jīng)處于突變中。最近的研究揭示出9種政策關(guān)注的潛在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)要素，它們?cè)诒臼兰o(jì)有可能會(huì)通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，并在預(yù)測(cè)的氣候變化下在未來千年中經(jīng)歷其過渡。9種翻轉(zhuǎn)要素最為關(guān)注的有兩種：最臨近的（至少可避免的）與負(fù)面影響最大的。一般來講，過渡期愈快，可逆性愈小，則影響愈大。另外，也必須關(guān)注使全球氣候變化具有增幅反饋?zhàn)饔玫姆D(zhuǎn)要素。這種相互作用，能使一種要素的翻轉(zhuǎn)又引起另一種要素的翻轉(zhuǎn)。通過評(píng)估趨近程度,速率和可逆性并更詳細(xì)地分析其影響，目前在全球范圍內(nèi)揭示出最受關(guān)注的地區(qū)及其翻轉(zhuǎn)要素如下：北極（格陵蘭冰蓋）、南極（西南極）西非（干旱）與印度（夏季風(fēng)）。地球氣候系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)

根據(jù)對(duì)氣候系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，氣候9翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和氣候變化增幅的反饋關(guān)系

翻轉(zhuǎn)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)與氣候變化的增幅相混淆。所有翻轉(zhuǎn)點(diǎn)要素在其內(nèi)部或區(qū)域氣候動(dòng)力學(xué)中，一定具有某種強(qiáng)的增幅反饋，以顯示出一種閾值，但它們不需要對(duì)全球氣候變化有增幅反饋?zhàn)饔谩？赡軐?duì)全球氣候變化具有增幅反饋?zhàn)饔玫挠衼嗰R遜雨林，如果它一旦消亡，可變成CO2源，最終釋放出～1000億噸碳（C）溫鹽環(huán)流和多年凍土也具有全球氣候變化的增幅反饋?zhàn)饔茫罢叩臏p弱或崩潰可導(dǎo)致CO2從海洋逸出，后者消融可釋放～5000億噸碳（C）。北半球森林和撒赫勒/撒哈拉對(duì)全球氣候變化只是減弱的反饋?zhàn)饔茫@是由于前者消亡一方面可釋放CO2，另一方面這會(huì)被無遮掩的雪蓋引起的反照率增加造成的冷卻所超過；而后者是變綠吸收CO2，但可能又增加區(qū)域云蓋。翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和氣候變化增幅的反饋關(guān)系

翻轉(zhuǎn)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)與氣候變化的10是否存在一種全球性翻轉(zhuǎn)點(diǎn)？全球性的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)只能發(fā)生在凈增幅反饋?zhàn)饔米兊米銐驈?qiáng)，以使全球系統(tǒng)通過其內(nèi)部動(dòng)力學(xué)具有一種狀態(tài)變化的情況下。這是一種失控的全球氣候變化。目前還沒有足夠的證據(jù)表明地球整個(gè)是處于這樣一種閾值鄰近，因而最好用增幅的氣候變化來表述現(xiàn)在觀測(cè)到的與將來預(yù)測(cè)的氣候變化。CO2總的積累排放決定了氣候變化，因而對(duì)全球平均溫度變化十分敏感的上述翻轉(zhuǎn)要素的未來狀況是緩慢地作出響應(yīng)，并具有相距甚遠(yuǎn)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，其中關(guān)鍵的例子是大冰蓋。注意短生命期的溫室氣體（甲烷與對(duì)流層O3）也可增加北極迅速的增暖，其綜合作用（CH4，BC，減少的硫酸鹽氣溶膠，N2O,，F(xiàn)－氣體）可超過CO2的貢獻(xiàn)。接近翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的早期預(yù)警主要分析和檢驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)，如果對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)減慢，一般反應(yīng)的是系統(tǒng)接近不同類型翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的普遍特征。用古氣候記錄和模式模擬可以成功地檢測(cè)出這種信號(hào)或指標(biāo)，對(duì)于生態(tài)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)可考慮其方差，偏斜響應(yīng)等。是否存在一種全球性翻轉(zhuǎn)點(diǎn)？11可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)或閾值，一旦超過閾值，將可能出現(xiàn)不可逆事件

由氣候變化變化啟動(dòng)的物理和生物某些反饋過程，當(dāng)通過某一閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)能夠變成不可逆的。一個(gè)共同認(rèn)同的科學(xué)事實(shí)是北極海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面積不斷減少），到21世紀(jì)中期，夏季可能變成完全無冰。這在很大程度上是由于海冰融化與變暖間有正反饋?zhàn)饔谩＿€可以列舉出地球系統(tǒng)中存在著不少其它可能的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和不可逆變化。其實(shí)，人類系統(tǒng)也有翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，如政治或經(jīng)濟(jì)體系的崩潰。因而存在超過這種閾值的可能性，因而由現(xiàn)在的趨勢(shì)作用簡單的外推有可能會(huì)低估將來氣候變化的影響。由于耦合的人類－環(huán)境系統(tǒng)之復(fù)雜性很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)什么時(shí)候可能會(huì)趨近翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。但隨著氣候系統(tǒng)越來越移出自然變率，通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的概率會(huì)增加。可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)或閾值，一旦超過閾值，將可能出現(xiàn)不可逆事件由12全球性接近閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)全球性接近閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)13（1）大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（溫鹽環(huán)流MOC）

和其它海洋環(huán)流的變化

古氣候研究中最確定的氣候突變型是與海洋環(huán)流變化有關(guān)的突變型。從TAR以來大多數(shù)模式研究表明，在以后100年MOC將減弱以響應(yīng)全球變暖，并且這種減弱的范圍因模式而有差異，其變化范圍到2100年從與自然變率不可區(qū)分到減弱50%以上。到2100年在SRES排放情景強(qiáng)迫下，沒有一個(gè)AOGCM模擬顯示突變。但某些長期的模擬給出，如果強(qiáng)迫大，則能發(fā)生MOC的完全中止。中等復(fù)雜的模式表明，MOC的閾值可能是存在的，但它依賴于模式中的增暖值和速率。很少一些AOGCM長期的模擬得到MOC的完全關(guān)閉，且可能是不可逆的。但在實(shí)現(xiàn)用AOGCM做千年模擬之前，潛在不可逆的重大問題仍然是得不到的。但無論是簡化模式或AOGCM都一致得到，由全球變暖引起的MOC可能的完全關(guān)閉將用幾十年到一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。并無直接的模式證明，MOC會(huì)在幾十年內(nèi)崩潰以響應(yīng)全球變暖。（1）大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（溫鹽環(huán)流MOC）

和其它海洋環(huán)流的14在未來100年中，全球變暖是否會(huì)通過北大西洋溫鹽環(huán)流的關(guān)閉導(dǎo)致氣候突變，帶來

災(zāi)難性影響？

在未來100年中，全球變暖是否會(huì)通過北大西洋溫鹽環(huán)流的關(guān)閉導(dǎo)15北極仙女木花北極仙女木花16

從格陵蘭冰芯中得到的樣本，表明該地區(qū)曾在持續(xù)變暖的過程中出現(xiàn)過突然變冷的現(xiàn)象。

圖

從格陵蘭冰芯中得到的樣本，表明該地區(qū)曾在持續(xù)變暖的過程中出17全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖海洋環(huán)流的變化對(duì)全球氣候變化的影響全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖海洋環(huán)流的變化對(duì)全球氣候變化的影響18鹽度中值年北大西洋東部丹麥海峽拉布拉多海已觀測(cè)到北大西洋北部海水鹽分在降低鹽度中值年北大西洋東部丹麥海峽拉布拉多海已觀測(cè)到北大西洋北部19緯向平均的海洋鹽度線性趨勢(shì)蘭色表示鹽度減少IPCCAR4緯向平均的海洋鹽度線性趨勢(shì)蘭色表示鹽度減少IPCCAR420IPCC9個(gè)模式模擬的溫鹽環(huán)流變化，預(yù)計(jì)在未來100年，溫鹽環(huán)流是不斷減弱的（2001年結(jié)果）氣候模式可以模擬和預(yù)測(cè)未來溫鹽環(huán)流變化IPCC9個(gè)模式模擬的溫鹽環(huán)流變化，預(yù)計(jì)在未來100年，溫21最新的結(jié)果（2007年）表明大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）將很可能減緩

(IPCC,AR4,2007)最新的結(jié)果（2007年）表明大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）將很可能22（2）北極海冰

北極海冰對(duì)全球變暖響應(yīng)很敏感，雖然冬季海冰覆蓋區(qū)變化適中，但預(yù)測(cè)表明到21世紀(jì)末海冰將幾乎完全消失。氣候系統(tǒng)中的許多正反饋加速海冰的變化。冰—反照率反饋使未凍結(jié)的海水在夏季接收到更多的太陽熱量。通過暖水平流增加向北極的海洋熱輸送，更強(qiáng)的環(huán)流以后進(jìn)一步減少冰蓋。在9月可觀測(cè)到海冰覆蓋的最低值。模式模擬表明，9月的冰蓋由于全球變暖而大量減少，一般是據(jù)變暖的時(shí)間尺度演變，由于持續(xù)增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。（2）北極海冰

北極海冰對(duì)全球變暖響應(yīng)很敏感，雖然冬季海冰覆23觀測(cè)與模擬的9月北極海冰區(qū)面積變化的比較（單位：百萬平方公里）實(shí)線是13個(gè)模式的集合預(yù)測(cè)，虛線是變化范圍，紅線是實(shí)況。（Stoeveetal.，2008）.2009年達(dá)5.10百萬平方公里是記錄中的第3個(gè)最低年，仍然低于IPCC預(yù)測(cè)的最低值之下。觀測(cè)與模擬的9月北極海冰區(qū)面積變化的比較（單位：百萬平方公里24

多年海冰和第一年海冰比例的演變趨勢(shì)（第一年海冰：形成于去年9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2009年春為例，2008年9月－2009年融化季開始為第一年冰；2007－2008年冬季的冰為第2年冰）第一年冰更薄，更易快速融化，雖然面積較大，多年老冰在快速減少。（Climatecompendium，2009）多年海冰和第一年海冰比例的演變趨勢(shì)（第一年海冰：形成于去年25（3）冰川

冰川和冰蓋對(duì)溫度和降水的變化敏感。在過去20年觀測(cè)表明，它們的體積在減少，1993-2003年減少率是0.77±0.22mmyr-1海平面當(dāng)量，而1961-1998年平均減少率為0.5±0.18mmyr-1海平面當(dāng)量。因而已經(jīng)發(fā)生了迅速的變化，并通過冰川縮小和冰川周邊區(qū)新暴露的陸面之地面能量平衡引起的正反饋機(jī)制而得到增強(qiáng)。在以后幾十年冰川可能加速損失。根據(jù)不同地區(qū)11條冰川的模擬，到2050年預(yù)測(cè)這些冰川體積損失達(dá)60%，美洲的冰川區(qū)也受到影響。7個(gè)GCMCO2加倍模擬表明，由于高度平衡線增加，許多冰川將完全消失。這些冰體的消失速度比潛在的需幾個(gè)世紀(jì)的冰川重建時(shí)間要快得多，在某些地區(qū)可能是不可逆的。（3）冰川26（4）格陵蘭與西南極冰蓋

突然氣候變化的另外例子是格陵蘭冰蓋的迅速解體與西南極冰蓋的突然崩塌。模式模擬和觀測(cè)表明，北半球高緯的增暖加速了格陵蘭冰蓋的融化，由于加強(qiáng)的水圈循環(huán)而造成的增多的積雪不能補(bǔ)償這種融化帶來的冰量損失,結(jié)果格陵蘭冰蓋在未來幾世紀(jì)可能大大縮小。此外結(jié)果還表明，存在著一個(gè)臨界溫度閾值，超過這個(gè)閾值南極冰蓋可預(yù)期完全消失。但整個(gè)格陵蘭冰蓋的完全融化是一個(gè)緩慢的過程，將用幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間完成，其結(jié)果是使全球海平面上升約7m。這個(gè)閾值為全球平均增暖1.9-4.6℃。（4）格陵蘭與西南極冰蓋

突然氣候變化的另外例子是格陵27KonradSteffenandRussellHuff,CIRES,UniversityofColoradoatBoulder格陵蘭總?cè)诨瘏^(qū)GreenlandTotalMeltArea–2007valueexceedslastmaximumby10%KonradSteffenandRussellHuf28西南極冰蓋崩潰的脆弱性灰色區(qū)域是西南極高于海平面的地形，棕色是低于海平面的地形，是受到快速冰潰的地區(qū)。它的變化范圍為0－海平面下2000米。西南極冰架未繪出。在東南極高于海平面200米的地區(qū)用藍(lán)色表示（Climatecompendium，2009）西南極冰蓋崩潰的脆弱性29西南極冰蓋（WAIS）的崩潰被認(rèn)為是全球變暖另一潛在的響應(yīng)，目前已引起新的關(guān)注，這包括完全崩潰后可引起海平面上升5m左右。在WAISAmundsen海部分的冰流在加速，這個(gè)信號(hào)向上游傳播的快速性，以及LarsenB冰架崩潰后流入該區(qū)的冰川的加速都引起了人們的關(guān)注。冰架的存在可能使冰蓋得以穩(wěn)定，至少在區(qū)域尺度上。這是由于冰蓋前緣的冰架可以支撐冰流的下滑，但目前尚不清楚，一旦對(duì)這種較小范圍冰蓋的支撐作用減弱或消失，是否會(huì)啟動(dòng)一場(chǎng)大范圍眾多冰流的發(fā)生，以后再導(dǎo)致整個(gè)西南極冰蓋的失穩(wěn)。西南極冰蓋（WAIS）的崩潰被認(rèn)為是全球變暖另一潛在的響30（5）植被覆蓋

過去經(jīng)常發(fā)生植被覆蓋及其組成不可逆的比較迅速的變化。最突出的例子是4-6千年前撒哈拉地區(qū)的沙漠化。其原因被認(rèn)為是植物群落受到了溫度和降水的嚴(yán)重影響，一旦臨界水平被超過，某些物種在其生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部將喪失競(jìng)爭(zhēng)力。接近植被邊界的地區(qū)將具有特別大而迅速的變化，這是由于全球變暖會(huì)引起這些邊界發(fā)生緩慢的遷移。氣候模式對(duì)將來的模擬還表明，南美的干暖化將導(dǎo)致亞馬遜森林的不斷減少。雖然在21世紀(jì)是連續(xù)演變的。但這種變化和最終的消失可能是不可逆的。但這個(gè)結(jié)果取決于模式，因11個(gè)AOGCM的分析表明，亞馬遜地區(qū)將來的可能降雨變化范圍甚廣。（5）植被覆蓋

過去經(jīng)常發(fā)生植被覆蓋及其組成31在全球變暖背景下，土壤在全球碳循環(huán)中作用的變化可能導(dǎo)致發(fā)生“氣候意外”：隨著CO2濃度增加，從全球平均看，土壤作為碳匯累計(jì)起碳，這是由于陸地生物圈能加速增長。但是約到2050年，模式模擬表明，通過呼吸作用增加而釋放以前積累的碳可使土壤變成碳源。呼吸作用增加是由于溫度和降水增加引起。這代表了使大氣CO2增加的一種正反饋過程。各模式的反饋符號(hào)是一致的，只是強(qiáng)度有不確定性。但是這種呼吸的增加是由更為暖濕的氣候引起。由中等程度的匯轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大氣碳源是相當(dāng)迅速的，20年內(nèi)可以發(fā)生，但是開始或爆發(fā)的時(shí)間是不肯定的。模式比較揭示，一旦這種過程開始，呼吸的增加，即使在CO2水平保持不變情況也會(huì)繼續(xù)下去。十分清楚，陸地生物圈與物理氣候系統(tǒng)之間的反饋機(jī)制是存在的，它能定性和定量地改變對(duì)輻射強(qiáng)迫增加的響應(yīng)。在全球變暖背景下，土壤在全球碳循環(huán)中作用的變化可能導(dǎo)致發(fā)32（6）大氣和海—?dú)鉅顩r

天氣型和狀況的變化能夠是一種自發(fā)發(fā)生的突然過程。這是由氣—冰—海洋系統(tǒng)中的動(dòng)力相互作用造成，或由緩慢外強(qiáng)迫作用超過系統(tǒng)閾值的一種顯示，這種突變表現(xiàn)熱帶太平洋SST中，如ENSO有更多的正位相，也表現(xiàn)在平流層極地渦旋的變化，將使AO或NAO出現(xiàn)向負(fù)位相發(fā)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致更經(jīng)常的經(jīng)向環(huán)流發(fā)生。氣候的冷暖變幅將更大。（6）大氣和海—?dú)鉅顩r

天氣型和狀況的變化能夠是一種自33由大氣環(huán)流（諸如NAO）變化引起的溫度變化在某些地區(qū)（如北歐）能超過長期的全球變暖，而變暖又是引起這種年代際狀態(tài)改變的原因。因而人類活動(dòng)引起的強(qiáng)迫與系統(tǒng)的氣候內(nèi)部變率可能有一定的相互作用，這是近年來提出的人類產(chǎn)生的氣候變化下的自然變率及其相互作用問題。全球氣候變化的影響與后果課件34太平洋年代/年代際振蕩（PDO/IPO）。上圖：1901-2004年EOF主模態(tài)分布，下圖：年時(shí)間序列，從1978年開始處于正位相階段。IPCC,2007太平洋年代/年代際振蕩（PDO/IPO）。上圖：1901-2353）AO或NAO處于負(fù)位相冬季標(biāo)準(zhǔn)化NAO（北大西洋濤動(dòng)）指數(shù)長期變化。3）AO或NAO處于負(fù)位相冬季標(biāo)準(zhǔn)化NAO（北大西洋濤動(dòng)）指361866-2005年南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）紅線代表厄爾尼諾事件IPCC,20071866-2005年南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）紅線代表厄爾尼諾事37上圖說明為什么正AO帶來溫暖氣候，負(fù)AO帶來寒冷氣候

（引自www.SEPP.org,2010）正AO負(fù)AO上圖說明為什么正AO帶來溫暖氣候，負(fù)AO帶來寒冷氣候38負(fù)的AO指數(shù)2009-2010冬季是近50年最冷的冬天阻塞高壓在兩大洋強(qiáng)烈地伸向北極，使北極的平流層和中上對(duì)流層極為溫暖，而中緯度出現(xiàn)嚴(yán)寒負(fù)的AO指數(shù)2009-2010冬季是近50年最冷的冬天阻塞高39閾值提出的原因

UNFCCC中第二條指出：公約以及任何相關(guān)的法律條文的最終目的是把大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在一定水平上，以防止對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生危險(xiǎn)的人類干擾，使生態(tài)系統(tǒng)有足夠的時(shí)間自然地適應(yīng)氣候變化，確保糧食生產(chǎn)不受威脅，和經(jīng)濟(jì)得到可持續(xù)發(fā)展。因而需要確定：什么構(gòu)成了危險(xiǎn)的人類干擾？這涉及價(jià)值判斷問題；但科學(xué)能夠?yàn)榇颂峁┬畔⒒瘺Q策，即主要提出關(guān)鍵脆弱性判據(jù)。因而關(guān)鍵脆弱性是確定氣候變化閾值的前提和條件。閾值提出的原因UNFCCC中第二條指出：公約以及40關(guān)鍵脆弱性的判據(jù)與閾值

關(guān)鍵脆弱性與許多氣候敏感系統(tǒng)有關(guān)。包括糧食供應(yīng)，基礎(chǔ)設(shè)施，健康，水資源，沿岸系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)，全球地球化學(xué)循環(huán)，冰蓋以及海洋和大氣環(huán)流模態(tài)。判據(jù)是：影響的量值影響的時(shí)間影響的持續(xù)性和可逆性影響與脆弱性發(fā)生的可能性與估算的信度

適應(yīng)的潛力關(guān)鍵脆弱性的判據(jù)與閾值關(guān)鍵脆弱性與許多氣候敏感系41如果全球平均增溫幅度超過2～3℃，在目前所評(píng)估到的物種中，約20%～30%可能會(huì)滅絕

升溫1～1.5℃，缺水人口增加4-11億升溫3～4℃，缺水人口增加11-32億全球升溫1.5-2oC，糧食減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)增大；如果全球平均溫度升高大約3oC，全球糧食生產(chǎn)的潛力可能隨之增大，但是如果升溫超過3oC，潛力則會(huì)隨之變小(IPCCWGIITS)2℃以下的升溫都很可能對(duì)健康造成不利影響

未來氣候變化對(duì)不同部門的影響比工業(yè)化前升溫2℃甚至2℃以下的升溫都會(huì)導(dǎo)致極端事件強(qiáng)度、頻度和位置發(fā)生改變?nèi)蛏郎?～3℃以上的話，冬季降水強(qiáng)烈增加而積雪減少，許多地區(qū)洪水多發(fā)如果全球平均增溫幅度超過2～3℃，在目前所評(píng)估到的物種中，約42日本氣象廳，2010假ElNino（motoki型）的影響日本氣象廳，2010假ElNino（motoki型）的影響43三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件

極端事件是指某個(gè)和某些氣象變量出現(xiàn)極值的事件，如它經(jīng)常造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，如暴雨/洪水，強(qiáng)風(fēng)（如溫帶和熱帶氣旋引起）高溫（如熱浪）等。極值一般被定義為達(dá)到最大值或超過已有的閾值的高值。這些事件一般是罕見的。可用概率和重現(xiàn)期表示。如0.01的出現(xiàn)概率對(duì)應(yīng)100年為重現(xiàn)期（百年一遇）。極端事件與前面討論的氣候的閾值有密切關(guān)系，但又明顯不同：（1）它不是全球性的，而是區(qū)域和局地的現(xiàn)象；（2）它的時(shí)間尺度是短的，只是發(fā)生在某一時(shí)間和某一時(shí)段內(nèi)。而氣候閾值是指長期變化（幾十年和幾百年）趨勢(shì)中超過某一臨界值的現(xiàn)象。(D.B.Stephenson,2008)三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件極端事件是指某44極端事件有多方面的特性（1）發(fā)生的速率（單位時(shí)間的概率）；（2）量值（強(qiáng)度）（3）時(shí)間長度（和生命史）和發(fā)生時(shí)間（4）空間尺度（印痕）（5）多變量相互關(guān)系IPCC（2001）定義了“復(fù)雜極端事件，即與某種特定現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)天氣，經(jīng)常要求多變量的關(guān)鍵性組合。極端事件有多方面的特性（1）發(fā)生的速率（單位時(shí)間的概率）；45極端天氣和氣候事件的分類罕見的天氣/氣候事件罕見的天氣/氣候事件罕見和強(qiáng)烈事件罕見和非強(qiáng)烈事件罕見和強(qiáng)烈快速事件，如暴雨、雷暴罕見和強(qiáng)烈慢性事件，如干旱罕見和非強(qiáng)烈，急性（快速）事件，如臺(tái)風(fēng)的天氣/氣候事件罕見和非強(qiáng)烈慢性事件，如低溫期罕見性強(qiáng)烈程度快速性(D.B.Stephenson,2008)極端天氣和氣候事件的分類罕見的天氣/氣候事件罕見的天氣/氣候46簡單極端事件的點(diǎn)過程診斷

IPCC定義簡單極端事件為個(gè)別局地天氣變量連續(xù)地超過臨界水平（或閾值）的事件。這是復(fù)雜極端事件的一個(gè)高度簡化情況。由于超過臨界值的現(xiàn)象是在不規(guī)則的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生，并且超過的量值趨于明顯，呈偏斜分布，所以由此組成的時(shí)間序列不適于用通常的時(shí)間序列分析方法。但可把超過臨界值的現(xiàn)象看作是一種標(biāo)記性點(diǎn)過程的隨機(jī)過程，即具有隨機(jī)量標(biāo)記（超過臨界值的多余量）的過程，它隨時(shí)間發(fā)生在隨機(jī)點(diǎn)上。簡單極端事件的點(diǎn)過程診斷IPCC定義簡單極端事件為個(gè)47閾值的選取（1）最簡單的方法是據(jù)影響程度選一個(gè)常數(shù)閾值。如最低溫度25℃為熱浪閾值（日本），但這種常值閾值隨氣候變化要變化的。（2）更相對(duì)的方法是根據(jù)每一地點(diǎn)某些變量的經(jīng)驗(yàn)分布選取常數(shù)閾值。如90%分位，這確保10%的事件是極端的，因而它是根據(jù)罕見性定義極端性的。（3）時(shí)變閾值。如可選取閾值為所有從觀測(cè)到的值的最大值，以此可定義該事件是破紀(jì)錄的。也可選趨勢(shì)閾值以考慮氣候變化的非定常性和非穩(wěn)定性。如由全球變暖引起的氣候基態(tài)發(fā)生了變化，則應(yīng)選擇新的閾值來進(jìn)行計(jì)算。這可避免目前常說的一種現(xiàn)象，即極端事件將變成常態(tài)的說法。極端事件的量值：需要用長尾概率分布去擬合觀測(cè)的超出值，即用廣義Pareto分布（GPD）閾值的選取（1）最簡單的方法是據(jù)影響程度選一個(gè)常數(shù)閾值。如最48極端事件的起源（1）演變性原理，極端事件并不是自發(fā)產(chǎn)生的，而是由于不太極端的事件連續(xù)演變而來，以后由于某種原因停止演變而變成較為極端的事件。（2）定常性原理：諸如局地最大和最小值的極值是定常狀態(tài)的，其振幅變化率是零。這種特征意味著，對(duì)于這些極值其強(qiáng)迫與耗散傾向是平衡的，引起極端事件的各種過程如下：（1）由正反饋引起的不穩(wěn)定性造成的迅速增長（2）天氣系統(tǒng)移入一新的地點(diǎn)和進(jìn)入不同的時(shí)期（3）一些非極端事件的同時(shí)發(fā)生（4）活動(dòng)集中在間斷地區(qū)（如ITCZ的降水）（5）天氣的持續(xù)性和頻繁再現(xiàn)（6）自然的隨機(jī)/混沌變化極端事件的起源（1）演變性原理，極端事件并不是自發(fā)產(chǎn)生的，49四、結(jié)語：內(nèi)在聯(lián)系

全球變暖和極端天氣氣候事件雖然空間和時(shí)間尺度不同，但有內(nèi)在的聯(lián)系，現(xiàn)以與降水有關(guān)的極端天氣氣候事件說明。氣候變化通過兩種方式改變水循環(huán)：1、通過海洋蒸發(fā)增加大氣中的實(shí)際水汽含量；又通過氣溫升高增加大氣的持水能力。2、通過改變大氣環(huán)流的區(qū)域模態(tài)使水汽重新再分配。在經(jīng)向環(huán)流型盛行的情況下，水汽的緯向輸送受阻，產(chǎn)生異常的水汽輻合、輻散區(qū)，從而導(dǎo)致暴雨和干旱區(qū)的并存。四、結(jié)語：內(nèi)在聯(lián)系全球變暖和極端天氣氣候事件雖然空50溫室氣體增加輻射強(qiáng)迫增加（全球變暖）地面加熱地面潛熱（取決于水汽多少）溫度增加蒸發(fā)增加大氣持水量增加（飽和比濕增加）大氣水汽含量增加（實(shí)際比濕增加，RH不增）云雷暴冷鋒熱帶氣旋颶風(fēng)與臺(tái)風(fēng)溫帶氣旋雪暴徑流增加洪水增加所有降水系統(tǒng)依靠可用水汽量維持并導(dǎo)致降水率和反饋增加總降水量？(系統(tǒng)生命期和大小，垂直熱量輸送使系統(tǒng)穩(wěn)定)降水率增加潛熱加熱增加風(fēng)暴強(qiáng)度增強(qiáng)氣候變暖與水循環(huán)及其與極端天氣氣候事件關(guān)系的示意圖（Trenberth,1998)溫室氣體增加輻射強(qiáng)迫增加地面加熱溫度增加蒸發(fā)增加大氣持水量增512009年7月日本梅雨季多云雨的原因：絲綢之路遙相關(guān)的作用

（JMA，2010）2009年7月日本梅雨季多云雨的原因：絲綢之路遙相關(guān)的作用52/

t;

LFO;

Monsoon;Forced夏季亞洲區(qū)域極端氣候事件可能機(jī)理概念圖/t;LFO;Monsoon;Force53Monthlymean500-hPaheightandanomalyintheNorthernHemisphere(August2010)Contoursshowheightsatanintervalof60m.Shadedpatternsshowheightanomalies.Baseperiodforthenormalis1979-20042010年8月月平均500hpa高度場(chǎng)（JMA，2010）Monthlymean500-hPaheightan54Three-monthmeantemperatureanomaly(normalized)category(June2010-August2010)（JMA，2010）2010年夏季（6－8月）溫度等級(jí)分布Three-monthmeantemperaturea55Three-monthmean500-hPaheightandanomaly(left)and850-hPatemperatureandanomaly(right)intheNorthernHemisphere(June2010-August2010)Contourintervalsare60m(left)and3degreeC(right).Shadedpatternsshowanomalies.Baseperiodfornormalis1979-2004.（JMA，2010）2010年500hpa高度場(chǎng)和850hpa溫度場(chǎng)分布Three-monthmean500-hPaheigh562009年6~7月500hpa高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）、溫度場(chǎng)(虛線，單位：)、30年高度距平場(chǎng)（陰影，單位：gpm）分布（梅其珍等，2010）2009年6~7月500hpa高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）、572009冬季與2008年冬季溫度距平場(chǎng)分布（柳艷菊等，2010）2009冬季與2008年冬季溫度距平場(chǎng)分布（柳艷菊等，201582008年1月10日-2月3日2009年12月11日-2010年1月20日

500hPa高度場(chǎng)異常（柳艷菊等，2010）2008年1月10日-2月3日2009年12月11日-20159AO的變化正AO負(fù)AO（柳艷菊等，2010）AO的變化正AO負(fù)AO（柳艷菊等，2010）60-完--完-61全球氣候變化的影響與后果:

閾值和極端天氣氣候事件

丁一匯中國氣象局國家氣候中心2010年9月29日全球氣候變化的影響與后果:

閾值和極端天氣氣候事件

丁一匯62內(nèi)容一、前言二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件四、結(jié)語：內(nèi)在聯(lián)系內(nèi)容一、前言63一、前言

概括起來，全球氣候變化有兩個(gè)方面的重大影響：氣候變暖和極端天氣與氣候極端事件加劇與頻發(fā)。前者是全球性和長期的，后者是區(qū)域或局地性短期的（急性發(fā)生與緩慢發(fā)生），原因不同，但相關(guān)密切。一、前言概括起來，全球氣候變化有兩個(gè)方面的重大影響64二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性氣候變化的影響和后果主要包括三個(gè)最為關(guān)注的問題：氣候變化的不穩(wěn)定性和閾值；氣候的突變和不可逆性二、全球性影響和后果：氣候系統(tǒng)的閾值、突變和不可逆性氣候變化65氣候變量對(duì)強(qiáng)迫的各種響應(yīng)的概略示意圖。上圖表明強(qiáng)迫達(dá)到一新的穩(wěn)定水平（左部），后來通過很長時(shí)間又回到原始水平（右部）。下圖表明，氣候變量的響應(yīng)能夠是平滑的（實(shí)線），或通過一分岔點(diǎn)向結(jié)構(gòu)不同的狀態(tài)過渡（虛線。過渡可能是快速的（突變，長虛線）或是逐漸的（短虛線），這決定于氣候系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)而不是強(qiáng)迫。長期行為也顯示不同的可能性。當(dāng)強(qiáng)迫回到其原來值時(shí)變化可能是不可逆的，這時(shí)系統(tǒng)處于不同的穩(wěn)定態(tài)（虛實(shí)線），或是可逆的（實(shí)線，點(diǎn)線），這時(shí)過渡又可以是逐漸的或突然的。一個(gè)明顯的例子是北大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）對(duì)輻射強(qiáng)迫逐漸變化的響應(yīng)。（IPCC，2007）氣候變量對(duì)強(qiáng)迫的各種響應(yīng)的概略示意圖。上圖表明強(qiáng)迫達(dá)到一新66全球氣候變化影響的閾值問題全球氣候變化影響的閾值問題67氣候突變和翻轉(zhuǎn)點(diǎn)臨界閾值即指翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，如有小的強(qiáng)迫改變，則可能定性地改變一個(gè)系統(tǒng)的未來狀態(tài)。而一種翻轉(zhuǎn)要素是指具有一種翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的地球系統(tǒng)的一部分，它的尺度至少是次大陸的。政策關(guān)注的翻轉(zhuǎn)要素是本世紀(jì)受人類活動(dòng)強(qiáng)迫超過其翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的那些系統(tǒng)或部分。氣候突變是翻轉(zhuǎn)點(diǎn)變化中一種特別情況，即其發(fā)生十分突然，比其原因要快。另一方面，翻轉(zhuǎn)點(diǎn)變化也包括比其原因要慢的過渡情況。（在上兩種情況下，其變化速率決定于其系統(tǒng)本身），無論哪一種情況，狀態(tài)的變化可以是可逆的，也可以是不可逆的。氣候突變和翻轉(zhuǎn)點(diǎn)臨界閾值即指翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。在這一點(diǎn)上，如有小68可逆意味著當(dāng)強(qiáng)迫又回到翻轉(zhuǎn)點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)可回到它的原始狀態(tài)，而突然的或逐漸的不可逆狀態(tài)變化意味著系統(tǒng)將不會(huì)回到原始狀態(tài)而是當(dāng)強(qiáng)迫回復(fù)以后，系統(tǒng)將具有一種更大的變化。可逆性原則上并不意味著所產(chǎn)生的變化實(shí)際是可逆的。一種翻轉(zhuǎn)要素可以落后于人類強(qiáng)迫的發(fā)生，以后一旦觀測(cè)到過渡開始了，則狀態(tài)的更大變化已經(jīng)是不可避免了。因而翻轉(zhuǎn)要素的這種響應(yīng)特征是特別值得關(guān)注。因?yàn)樗梢詭椭祟惤⒃缙陬A(yù)警系統(tǒng)。可逆意味著當(dāng)強(qiáng)迫又回到翻轉(zhuǎn)點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)可回到它的原始69地球氣候系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)

根據(jù)對(duì)氣候系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，氣候突變的研究與模式中模擬的氣候變化狀況表明地球系統(tǒng)存在著許多翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，有些模式在將來的預(yù)測(cè)中通過了翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，同時(shí)最近的觀測(cè)也表明北極已經(jīng)處于突變中。最近的研究揭示出9種政策關(guān)注的潛在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)要素，它們?cè)诒臼兰o(jì)有可能會(huì)通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，并在預(yù)測(cè)的氣候變化下在未來千年中經(jīng)歷其過渡。9種翻轉(zhuǎn)要素最為關(guān)注的有兩種：最臨近的（至少可避免的）與負(fù)面影響最大的。一般來講，過渡期愈快，可逆性愈小，則影響愈大。另外，也必須關(guān)注使全球氣候變化具有增幅反饋?zhàn)饔玫姆D(zhuǎn)要素。這種相互作用，能使一種要素的翻轉(zhuǎn)又引起另一種要素的翻轉(zhuǎn)。通過評(píng)估趨近程度,速率和可逆性并更詳細(xì)地分析其影響，目前在全球范圍內(nèi)揭示出最受關(guān)注的地區(qū)及其翻轉(zhuǎn)要素如下：北極（格陵蘭冰蓋）、南極（西南極）西非（干旱）與印度（夏季風(fēng)）。地球氣候系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)

根據(jù)對(duì)氣候系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，氣候70翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和氣候變化增幅的反饋關(guān)系

翻轉(zhuǎn)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)與氣候變化的增幅相混淆。所有翻轉(zhuǎn)點(diǎn)要素在其內(nèi)部或區(qū)域氣候動(dòng)力學(xué)中，一定具有某種強(qiáng)的增幅反饋，以顯示出一種閾值，但它們不需要對(duì)全球氣候變化有增幅反饋?zhàn)饔谩？赡軐?duì)全球氣候變化具有增幅反饋?zhàn)饔玫挠衼嗰R遜雨林，如果它一旦消亡，可變成CO2源，最終釋放出～1000億噸碳（C）溫鹽環(huán)流和多年凍土也具有全球氣候變化的增幅反饋?zhàn)饔茫罢叩臏p弱或崩潰可導(dǎo)致CO2從海洋逸出，后者消融可釋放～5000億噸碳（C）。北半球森林和撒赫勒/撒哈拉對(duì)全球氣候變化只是減弱的反饋?zhàn)饔茫@是由于前者消亡一方面可釋放CO2，另一方面這會(huì)被無遮掩的雪蓋引起的反照率增加造成的冷卻所超過；而后者是變綠吸收CO2，但可能又增加區(qū)域云蓋。翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和氣候變化增幅的反饋關(guān)系

翻轉(zhuǎn)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)與氣候變化的71是否存在一種全球性翻轉(zhuǎn)點(diǎn)？全球性的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)只能發(fā)生在凈增幅反饋?zhàn)饔米兊米銐驈?qiáng)，以使全球系統(tǒng)通過其內(nèi)部動(dòng)力學(xué)具有一種狀態(tài)變化的情況下。這是一種失控的全球氣候變化。目前還沒有足夠的證據(jù)表明地球整個(gè)是處于這樣一種閾值鄰近，因而最好用增幅的氣候變化來表述現(xiàn)在觀測(cè)到的與將來預(yù)測(cè)的氣候變化。CO2總的積累排放決定了氣候變化，因而對(duì)全球平均溫度變化十分敏感的上述翻轉(zhuǎn)要素的未來狀況是緩慢地作出響應(yīng)，并具有相距甚遠(yuǎn)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，其中關(guān)鍵的例子是大冰蓋。注意短生命期的溫室氣體（甲烷與對(duì)流層O3）也可增加北極迅速的增暖，其綜合作用（CH4，BC，減少的硫酸鹽氣溶膠，N2O,，F(xiàn)－氣體）可超過CO2的貢獻(xiàn)。接近翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的早期預(yù)警主要分析和檢驗(yàn)相關(guān)指標(biāo)，如果對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)減慢，一般反應(yīng)的是系統(tǒng)接近不同類型翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的普遍特征。用古氣候記錄和模式模擬可以成功地檢測(cè)出這種信號(hào)或指標(biāo)，對(duì)于生態(tài)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)可考慮其方差，偏斜響應(yīng)等。是否存在一種全球性翻轉(zhuǎn)點(diǎn)？72可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)或閾值，一旦超過閾值，將可能出現(xiàn)不可逆事件

由氣候變化變化啟動(dòng)的物理和生物某些反饋過程，當(dāng)通過某一閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)能夠變成不可逆的。一個(gè)共同認(rèn)同的科學(xué)事實(shí)是北極海冰的融化（每年夏季海冰冰源和面積不斷減少），到21世紀(jì)中期，夏季可能變成完全無冰。這在很大程度上是由于海冰融化與變暖間有正反饋?zhàn)饔谩＿€可以列舉出地球系統(tǒng)中存在著不少其它可能的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)和不可逆變化。其實(shí)，人類系統(tǒng)也有翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，如政治或經(jīng)濟(jì)體系的崩潰。因而存在超過這種閾值的可能性，因而由現(xiàn)在的趨勢(shì)作用簡單的外推有可能會(huì)低估將來氣候變化的影響。由于耦合的人類－環(huán)境系統(tǒng)之復(fù)雜性很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)什么時(shí)候可能會(huì)趨近翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。但隨著氣候系統(tǒng)越來越移出自然變率，通過翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的概率會(huì)增加。可能出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)點(diǎn)或閾值，一旦超過閾值，將可能出現(xiàn)不可逆事件由73全球性接近閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)全球性接近閾值或翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的系統(tǒng)74（1）大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（溫鹽環(huán)流MOC）

和其它海洋環(huán)流的變化

古氣候研究中最確定的氣候突變型是與海洋環(huán)流變化有關(guān)的突變型。從TAR以來大多數(shù)模式研究表明，在以后100年MOC將減弱以響應(yīng)全球變暖，并且這種減弱的范圍因模式而有差異，其變化范圍到2100年從與自然變率不可區(qū)分到減弱50%以上。到2100年在SRES排放情景強(qiáng)迫下，沒有一個(gè)AOGCM模擬顯示突變。但某些長期的模擬給出，如果強(qiáng)迫大，則能發(fā)生MOC的完全中止。中等復(fù)雜的模式表明，MOC的閾值可能是存在的，但它依賴于模式中的增暖值和速率。很少一些AOGCM長期的模擬得到MOC的完全關(guān)閉，且可能是不可逆的。但在實(shí)現(xiàn)用AOGCM做千年模擬之前，潛在不可逆的重大問題仍然是得不到的。但無論是簡化模式或AOGCM都一致得到，由全球變暖引起的MOC可能的完全關(guān)閉將用幾十年到一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。并無直接的模式證明，MOC會(huì)在幾十年內(nèi)崩潰以響應(yīng)全球變暖。（1）大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（溫鹽環(huán)流MOC）

和其它海洋環(huán)流的75在未來100年中，全球變暖是否會(huì)通過北大西洋溫鹽環(huán)流的關(guān)閉導(dǎo)致氣候突變，帶來

災(zāi)難性影響？

在未來100年中，全球變暖是否會(huì)通過北大西洋溫鹽環(huán)流的關(guān)閉導(dǎo)76北極仙女木花北極仙女木花77

從格陵蘭冰芯中得到的樣本，表明該地區(qū)曾在持續(xù)變暖的過程中出現(xiàn)過突然變冷的現(xiàn)象。

圖

從格陵蘭冰芯中得到的樣本，表明該地區(qū)曾在持續(xù)變暖的過程中出78全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖海洋環(huán)流的變化對(duì)全球氣候變化的影響全球溫鹽環(huán)流輸送帶示意圖海洋環(huán)流的變化對(duì)全球氣候變化的影響79鹽度中值年北大西洋東部丹麥海峽拉布拉多海已觀測(cè)到北大西洋北部海水鹽分在降低鹽度中值年北大西洋東部丹麥海峽拉布拉多海已觀測(cè)到北大西洋北部80緯向平均的海洋鹽度線性趨勢(shì)蘭色表示鹽度減少IPCCAR4緯向平均的海洋鹽度線性趨勢(shì)蘭色表示鹽度減少IPCCAR481IPCC9個(gè)模式模擬的溫鹽環(huán)流變化，預(yù)計(jì)在未來100年，溫鹽環(huán)流是不斷減弱的（2001年結(jié)果）氣候模式可以模擬和預(yù)測(cè)未來溫鹽環(huán)流變化IPCC9個(gè)模式模擬的溫鹽環(huán)流變化，預(yù)計(jì)在未來100年，溫82最新的結(jié)果（2007年）表明大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）將很可能減緩

(IPCC,AR4,2007)最新的結(jié)果（2007年）表明大西洋溫鹽環(huán)流（MOC）將很可能83（2）北極海冰

北極海冰對(duì)全球變暖響應(yīng)很敏感，雖然冬季海冰覆蓋區(qū)變化適中，但預(yù)測(cè)表明到21世紀(jì)末海冰將幾乎完全消失。氣候系統(tǒng)中的許多正反饋加速海冰的變化。冰—反照率反饋使未凍結(jié)的海水在夏季接收到更多的太陽熱量。通過暖水平流增加向北極的海洋熱輸送，更強(qiáng)的環(huán)流以后進(jìn)一步減少冰蓋。在9月可觀測(cè)到海冰覆蓋的最低值。模式模擬表明，9月的冰蓋由于全球變暖而大量減少，一般是據(jù)變暖的時(shí)間尺度演變，由于持續(xù)增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。（2）北極海冰

北極海冰對(duì)全球變暖響應(yīng)很敏感，雖然冬季海冰覆84觀測(cè)與模擬的9月北極海冰區(qū)面積變化的比較（單位：百萬平方公里）實(shí)線是13個(gè)模式的集合預(yù)測(cè)，虛線是變化范圍，紅線是實(shí)況。（Stoeveetal.，2008）.2009年達(dá)5.10百萬平方公里是記錄中的第3個(gè)最低年，仍然低于IPCC預(yù)測(cè)的最低值之下。觀測(cè)與模擬的9月北極海冰區(qū)面積變化的比較（單位：百萬平方公里85

多年海冰和第一年海冰比例的演變趨勢(shì)（第一年海冰：形成于去年9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2009年春為例，2008年9月－2009年融化季開始為第一年冰；2007－2008年冬季的冰為第2年冰）第一年冰更薄，更易快速融化，雖然面積較大，多年老冰在快速減少。（Climatecompendium，2009）多年海冰和第一年海冰比例的演變趨勢(shì)（第一年海冰：形成于去年86（3）冰川

冰川和冰蓋對(duì)溫度和降水的變化敏感。在過去20年觀測(cè)表明，它們的體積在減少，1993-2003年減少率是0.77±0.22mmyr-1海平面當(dāng)量，而1961-1998年平均減少率為0.5±0.18mmyr-1海平面當(dāng)量。因而已經(jīng)發(fā)生了迅速的變化，并通過冰川縮小和冰川周邊區(qū)新暴露的陸面之地面能量平衡引起的正反饋機(jī)制而得到增強(qiáng)。在以后幾十年冰川可能加速損失。根據(jù)不同地區(qū)11條冰川的模擬，到2050年預(yù)測(cè)這些冰川體積損失達(dá)60%，美洲的冰川區(qū)也受到影響。7個(gè)GCMCO2加倍模擬表明，由于高度平衡線增加，許多冰川將完全消失。這些冰體的消失速度比潛在的需幾個(gè)世紀(jì)的冰川重建時(shí)間要快得多，在某些地區(qū)可能是不可逆的。（3）冰川87（4）格陵蘭與西南極冰蓋

突然氣候變化的另外例子是格陵蘭冰蓋的迅速解體與西南極冰蓋的突然崩塌。模式模擬和觀測(cè)表明，北半球高緯的增暖加速了格陵蘭冰蓋的融化，由于加強(qiáng)的水圈循環(huán)而造成的增多的積雪不能補(bǔ)償這種融化帶來的冰量損失,結(jié)果格陵蘭冰蓋在未來幾世紀(jì)可能大大縮小。此外結(jié)果還表明，存在著一個(gè)臨界溫度閾值，超過這個(gè)閾值南極冰蓋可預(yù)期完全消失。但整個(gè)格陵蘭冰蓋的完全融化是一個(gè)緩慢的過程，將用幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間完成，其結(jié)果是使全球海平面上升約7m。這個(gè)閾值為全球平均增暖1.9-4.6℃。（4）格陵蘭與西南極冰蓋

突然氣候變化的另外例子是格陵88KonradSteffenandRussellHuff,CIRES,UniversityofColoradoatBoulder格陵蘭總?cè)诨瘏^(qū)GreenlandTotalMeltArea–2007valueexceedslastmaximumby10%KonradSteffenandRussellHuf89西南極冰蓋崩潰的脆弱性灰色區(qū)域是西南極高于海平面的地形，棕色是低于海平面的地形，是受到快速冰潰的地區(qū)。它的變化范圍為0－海平面下2000米。西南極冰架未繪出。在東南極高于海平面200米的地區(qū)用藍(lán)色表示（Climatecompendium，2009）西南極冰蓋崩潰的脆弱性90西南極冰蓋（WAIS）的崩潰被認(rèn)為是全球變暖另一潛在的響應(yīng)，目前已引起新的關(guān)注，這包括完全崩潰后可引起海平面上升5m左右。在WAISAmundsen海部分的冰流在加速，這個(gè)信號(hào)向上游傳播的快速性，以及LarsenB冰架崩潰后流入該區(qū)的冰川的加速都引起了人們的關(guān)注。冰架的存在可能使冰蓋得以穩(wěn)定，至少在區(qū)域尺度上。這是由于冰蓋前緣的冰架可以支撐冰流的下滑，但目前尚不清楚，一旦對(duì)這種較小范圍冰蓋的支撐作用減弱或消失，是否會(huì)啟動(dòng)一場(chǎng)大范圍眾多冰流的發(fā)生，以后再導(dǎo)致整個(gè)西南極冰蓋的失穩(wěn)。西南極冰蓋（WAIS）的崩潰被認(rèn)為是全球變暖另一潛在的響91（5）植被覆蓋

過去經(jīng)常發(fā)生植被覆蓋及其組成不可逆的比較迅速的變化。最突出的例子是4-6千年前撒哈拉地區(qū)的沙漠化。其原因被認(rèn)為是植物群落受到了溫度和降水的嚴(yán)重影響，一旦臨界水平被超過，某些物種在其生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部將喪失競(jìng)爭(zhēng)力。接近植被邊界的地區(qū)將具有特別大而迅速的變化，這是由于全球變暖會(huì)引起這些邊界發(fā)生緩慢的遷移。氣候模式對(duì)將來的模擬還表明，南美的干暖化將導(dǎo)致亞馬遜森林的不斷減少。雖然在21世紀(jì)是連續(xù)演變的。但這種變化和最終的消失可能是不可逆的。但這個(gè)結(jié)果取決于模式，因11個(gè)AOGCM的分析表明，亞馬遜地區(qū)將來的可能降雨變化范圍甚廣。（5）植被覆蓋

過去經(jīng)常發(fā)生植被覆蓋及其組成92在全球變暖背景下，土壤在全球碳循環(huán)中作用的變化可能導(dǎo)致發(fā)生“氣候意外”：隨著CO2濃度增加，從全球平均看，土壤作為碳匯累計(jì)起碳，這是由于陸地生物圈能加速增長。但是約到2050年，模式模擬表明，通過呼吸作用增加而釋放以前積累的碳可使土壤變成碳源。呼吸作用增加是由于溫度和降水增加引起。這代表了使大氣CO2增加的一種正反饋過程。各模式的反饋符號(hào)是一致的，只是強(qiáng)度有不確定性。但是這種呼吸的增加是由更為暖濕的氣候引起。由中等程度的匯轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大氣碳源是相當(dāng)迅速的，20年內(nèi)可以發(fā)生，但是開始或爆發(fā)的時(shí)間是不肯定的。模式比較揭示，一旦這種過程開始，呼吸的增加，即使在CO2水平保持不變情況也會(huì)繼續(xù)下去。十分清楚，陸地生物圈與物理氣候系統(tǒng)之間的反饋機(jī)制是存在的，它能定性和定量地改變對(duì)輻射強(qiáng)迫增加的響應(yīng)。在全球變暖背景下，土壤在全球碳循環(huán)中作用的變化可能導(dǎo)致發(fā)93（6）大氣和海—?dú)鉅顩r

天氣型和狀況的變化能夠是一種自發(fā)發(fā)生的突然過程。這是由氣—冰—海洋系統(tǒng)中的動(dòng)力相互作用造成，或由緩慢外強(qiáng)迫作用超過系統(tǒng)閾值的一種顯示，這種突變表現(xiàn)熱帶太平洋SST中，如ENSO有更多的正位相，也表現(xiàn)在平流層極地渦旋的變化，將使AO或NAO出現(xiàn)向負(fù)位相發(fā)展的趨勢(shì)，導(dǎo)致更經(jīng)常的經(jīng)向環(huán)流發(fā)生。氣候的冷暖變幅將更大。（6）大氣和海—?dú)鉅顩r

天氣型和狀況的變化能夠是一種自94由大氣環(huán)流（諸如NAO）變化引起的溫度變化在某些地區(qū)（如北歐）能超過長期的全球變暖，而變暖又是引起這種年代際狀態(tài)改變的原因。因而人類活動(dòng)引起的強(qiáng)迫與系統(tǒng)的氣候內(nèi)部變率可能有一定的相互作用，這是近年來提出的人類產(chǎn)生的氣候變化下的自然變率及其相互作用問題。全球氣候變化的影響與后果課件95太平洋年代/年代際振蕩（PDO/IPO）。上圖：1901-2004年EOF主模態(tài)分布，下圖：年時(shí)間序列，從1978年開始處于正位相階段。IPCC,2007太平洋年代/年代際振蕩（PDO/IPO）。上圖：1901-2963）AO或NAO處于負(fù)位相冬季標(biāo)準(zhǔn)化NAO（北大西洋濤動(dòng)）指數(shù)長期變化。3）AO或NAO處于負(fù)位相冬季標(biāo)準(zhǔn)化NAO（北大西洋濤動(dòng)）指971866-2005年南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）紅線代表厄爾尼諾事件IPCC,20071866-2005年南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）紅線代表厄爾尼諾事98上圖說明為什么正AO帶來溫暖氣候，負(fù)AO帶來寒冷氣候

（引自www.SEPP.org,2010）正AO負(fù)AO上圖說明為什么正AO帶來溫暖氣候，負(fù)AO帶來寒冷氣候99負(fù)的AO指數(shù)2009-2010冬季是近50年最冷的冬天阻塞高壓在兩大洋強(qiáng)烈地伸向北極，使北極的平流層和中上對(duì)流層極為溫暖，而中緯度出現(xiàn)嚴(yán)寒負(fù)的AO指數(shù)2009-2010冬季是近50年最冷的冬天阻塞高100閾值提出的原因

UNFCCC中第二條指出：公約以及任何相關(guān)的法律條文的最終目的是把大氣中溫室氣體的濃度穩(wěn)定在一定水平上，以防止對(duì)氣候系統(tǒng)產(chǎn)生危險(xiǎn)的人類干擾，使生態(tài)系統(tǒng)有足夠的時(shí)間自然地適應(yīng)氣候變化，確保糧食生產(chǎn)不受威脅，和經(jīng)濟(jì)得到可持續(xù)發(fā)展。因而需要確定：什么構(gòu)成了危險(xiǎn)的人類干擾？這涉及價(jià)值判斷問題；但科學(xué)能夠?yàn)榇颂峁┬畔⒒瘺Q策，即主要提出關(guān)鍵脆弱性判據(jù)。因而關(guān)鍵脆弱性是確定氣候變化閾值的前提和條件。閾值提出的原因UNFCCC中第二條指出：公約以及101關(guān)鍵脆弱性的判據(jù)與閾值

關(guān)鍵脆弱性與許多氣候敏感系統(tǒng)有關(guān)。包括糧食供應(yīng)，基礎(chǔ)設(shè)施，健康，水資源，沿岸系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)，全球地球化學(xué)循環(huán)，冰蓋以及海洋和大氣環(huán)流模態(tài)。判據(jù)是：影響的量值影響的時(shí)間影響的持續(xù)性和可逆性影響與脆弱性發(fā)生的可能性與估算的信度

適應(yīng)的潛力關(guān)鍵脆弱性的判據(jù)與閾值關(guān)鍵脆弱性與許多氣候敏感系102如果全球平均增溫幅度超過2～3℃，在目前所評(píng)估到的物種中，約20%～30%可能會(huì)滅絕

升溫1～1.5℃，缺水人口增加4-11億升溫3～4℃，缺水人口增加11-32億全球升溫1.5-2oC，糧食減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)增大；如果全球平均溫度升高大約3oC，全球糧食生產(chǎn)的潛力可能隨之增大，但是如果升溫超過3oC，潛力則會(huì)隨之變小(IPCCWGIITS)2℃以下的升溫都很可能對(duì)健康造成不利影響

未來氣候變化對(duì)不同部門的影響比工業(yè)化前升溫2℃甚至2℃以下的升溫都會(huì)導(dǎo)致極端事件強(qiáng)度、頻度和位置發(fā)生改變?nèi)蛏郎?～3℃以上的話，冬季降水強(qiáng)烈增加而積雪減少，許多地區(qū)洪水多發(fā)如果全球平均增溫幅度超過2～3℃，在目前所評(píng)估到的物種中，約103日本氣象廳，2010假ElNino（motoki型）的影響日本氣象廳，2010假ElNino（motoki型）的影響104三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件

極端事件是指某個(gè)和某些氣象變量出現(xiàn)極值的事件，如它經(jīng)常造成嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，如暴雨/洪水，強(qiáng)風(fēng)（如溫帶和熱帶氣旋引起）高溫（如熱浪）等。極值一般被定義為達(dá)到最大值或超過已有的閾值的高值。這些事件一般是罕見的。可用概率和重現(xiàn)期表示。如0.01的出現(xiàn)概率對(duì)應(yīng)100年為重現(xiàn)期（百年一遇）。極端事件與前面討論的氣候的閾值有密切關(guān)系，但又明顯不同：（1）它不是全球性的，而是區(qū)域和局地的現(xiàn)象；（2）它的時(shí)間尺度是短的，只是發(fā)生在某一時(shí)間和某一時(shí)段內(nèi)。而氣候閾值是指長期變化（幾十年和幾百年）趨勢(shì)中超過某一臨界值的現(xiàn)象。(D.B.Stephenson,2008)三、區(qū)域性影響與后果：極端天氣與氣候事件極端事件是指某105極端事件有多方面的特性（1）發(fā)生的速率（單位時(shí)間的概率）；（2）量值（強(qiáng)度）（3）時(shí)間長度（和生命史）和發(fā)生時(shí)間（4）空間尺度（印痕）（5）多變量相互關(guān)系IPCC（2001）定義了“復(fù)雜極端事件，即與某種特定現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)的強(qiáng)天氣，經(jīng)常要求多變量的關(guān)鍵性組合。極端事件有多方面的特性（1）發(fā)生的速率（單位時(shí)間的概率）；106極端天氣和氣候事件的分類罕見的天氣/氣候事件罕見的天氣/氣候事件罕見和強(qiáng)烈事件罕見和非強(qiáng)烈事件罕見和強(qiáng)烈快速事件，如暴雨、雷暴罕見和強(qiáng)烈慢性事件，如干旱罕見和非強(qiáng)烈，急性（快速）事件，如臺(tái)風(fēng)的天氣/氣候事件罕見和非強(qiáng)烈慢性事件，如低溫期罕見性強(qiáng)烈程度快速性(D.B.Stephenson,2008)極端天氣和氣候事件的分類罕見的天氣/氣候事件罕見的天氣/氣候107簡單極端事件的點(diǎn)過程診斷

IPCC定義簡單極端事件為個(gè)別局地天氣變量連續(xù)地超過臨界水平（或閾值）的事件。這是復(fù)雜極端事件的一個(gè)高度簡化情況。由于超過臨界值的現(xiàn)象是在不規(guī)則的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生，并且超過的量值趨于明顯，呈偏斜分布，所以由此組成的時(shí)間序列不適于用通常的時(shí)間序列分析方法。但可把超過臨界值的現(xiàn)象看作是一種標(biāo)記性點(diǎn)過程的隨機(jī)過程，即具有隨機(jī)量標(biāo)記（超過臨界值的多余量）的過程，它隨時(shí)間發(fā)生在隨機(jī)點(diǎn)上。簡單極端事件的點(diǎn)過程診斷IPCC定義簡單極端事件為個(gè)108閾值的選取（1）最簡單的方法是據(jù)影響程度選一個(gè)常數(shù)閾值。如最低溫度25℃為熱浪閾值（日本），但這種常值閾值隨氣候變化要變化的。（2）更相對(duì)的方法是根據(jù)每一地點(diǎn)某些變量的經(jīng)驗(yàn)分布選取常數(shù)閾值。如90%分位，這確保10%的事件是極端的，因而它是根據(jù)罕見性定義極端性的。（3）時(shí)變閾值。如可選取閾值為所有從觀測(cè)到的值的最大值，以此可定義該事件是破紀(jì)錄的。也可選趨勢(shì)閾值以考慮氣候變化的非定常性和非穩(wěn)定性。如由全球變暖引起的氣候基態(tài)發(fā)生了變化，則應(yīng)選擇