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极端气候：观测，建模和影响

David R. Easterling¹, Gerald A. Meehl², Camille Parmesan³, Stanley A. Changnon⁴, Thomas R. Karl¹, Linda O. Mearns²

摘要: 极端气候事件是否会增加是潜在气候变化研究的一个热点问题。观测研究结果表明，在许多地区，总降水量变化在末端偏大，极端温度也发生了一些变化。模型输出的相关分析显示了未来极端气候事件发生的变化，如极端高温事件增加，极端寒冷事件减少以及强降水事件也有增加。此外，社会基础设施对极端天气和极端气候的反应更为敏感，并且气候变化将加剧这种情况。野生动植物因气候诱发的的灭绝、其在分布上和物候上的变化以及物种变化的范围正在加速记录下来。几种明显带有渐进性的生物学变化与对极端天气和极端气候事件的反应有关。

大家普遍认为极端天气和极端气候发生频率或强度的变化将对人类社会以及自然环境产生深远影响。近年来，许多天气事件造成了大量的人员伤亡，以及越来越严重的经济损失。1998年，米奇飓风在中美洲造成10000多人死亡，最近在委内瑞拉和莫桑比克也都发生了洪灾，造成大量人员伤亡。在美国，自1987年以来，有超过360个天气事件均造成了超过500万美元的损失，有几个甚至超过了有纪录以来的最严重灾难。其中包括1988-1989年的中西部干旱(390亿美元)，1992年佛罗里达南部安德鲁飓风(300亿美元)和1993年中西部洪水(190亿美元)[1]。这些生命和财产的损失引起了人们的思考，近来灾害天气事件增加的原因是是否与气候变化有关。这些灾害天气事件的增加仅仅是气候的年代际波动，还是表明了一种由人类活动引起的气候变化有关的长期趋势？在这里，我们从四个方面回顾了极端气候事件的发生：(一)观测记录可以告诉我们过去气候变化的情况；(二)通过气候模式模拟增强辐射强迫对气候极端事件的潜在影响；(三)气候极端事件对社会的潜在影响，侧重于美国；(四)自然系统对气候变化和极端气候的敏感性。

气候极端事件的识别可分为两大类：(一)基于简单气候统计的气候极端事件，包括如极低或极高的日常气温，或每年发生的日降雨量或月降雨量较大等极端事件；(二)更复杂的气候驱动性极端事件，比如干旱，洪水或飓风，而这些事件并不一定每年都在特定地点发生。

由于气候极端事件的变化预计会伴随着人为引起的气候变化而变化，因此，必须注意到，记录检测到气候变化并与能够将变化归因于某种可识别的气候强迫因子，两者之间的差异性。基于气候统计的极端变化检测比由事件驱动的极端事件检测更容易。这也适用于试图将检测到的变化归因于某些强制因素的情况。目前，气候模式是定量估算出变化的主要途径，将某些检测到的气候变化(如极端气温升高)归因于某些气候强迫因子，如增加的温室气体(GHGs)。如果没有对温室气体增加可能发生的极端气候预期变化的定量认识，就不可能将观测记录中发现的任何变化归因于观测到的温室气体增加上。

观察到的趋势

从已有的观测记录可以清楚地看到，自20世纪初以来，全球平均气温上升约0.6°C[2]，而且这种增长与日最低气温的升温的联系比日最高气温的升温更为紧密，导致昼夜温差减小[3]。中高纬度地区的地表降水量同期也有所增加，但热带和亚热带地区的降水量减少[2]。鉴于这些变化，预计对当前极端事件的定义也将发生改变[4]。因此，如果在某些极端气候事件中确实存在可识别的趋势，例如极端的温度或极端降水事件，则会更有力地证明人类对气候有明显影响，并可能对人类社会和自然系统产生重要影响。

极端温度

出于各种原因，我们在高频极端温度事件，如热浪，寒潮以及超过各种温度阈值的天数的变化等方面所做的工作相对较少。但是有两项针对美国东北部的研究明确表明了一种观点——超过那些阈值的天数在发生变化。其中一个研究表示，美国东北部无霜季节的开始时间比20世纪90年代中期发生的时间早11天，比20世纪50年代发生的时间早5天。另一个研究则显示出极端寒冷和极端高温天气减少的重要趋势[6]。美国超过0°C和32.2°C(90°F)的天数的趋势表明，在1910-1998年间，整个美国的冻结天数略有下降[7]，但各个地区的趋势差异很大。最高气温同时超过32.2°C和第90百分位值的天数的趋势主要受过去大的气候异常条件的影响，一部分原因是20世纪30年代和20世纪50年代的大旱，那场大旱影响了陆地表面条件。尽管平均气温整体上升，但在美国东南部温度有所下降，因此，总体而言，在美国极端气候事件的数量略有下降 [8]。

在世界其他地区则表现出不同的趋势。在澳大利亚和新西兰，低于冻结温度天数的频率与日最低气温升高的频率表现一致[9]。在新西兰，这种趋势的下降以及气温超过30°C的天数的少量增加似乎是对该区域大气环流变化的响应；这些变化与年平均气温升高呈正相关[9]。在欧洲北部和中部，有证据表明，自20世纪30年代以来霜冻天数逐渐减少，而这似乎与冬季最低气温的大幅度增加有关[10]。

表观温度将温度和湿度对人体的影响结合起来，是另一个重要的衡量标准，特别是在人类健康方面。自1948年以来，美国夏季表观温度的最低、平均和最高温度超过第85百分位值的天数都有所增加。由于表观温度包括湿度效应，其中一部分可能是由水汽增加所致，并且确实有证据表明，1973-1993年期间北美地区的可降水蒸汽有所增加[12]。

1995年，发生在美国中西部芝加哥地区的热浪造成了数百人的死亡[13]，这表明极端高温或低温在短时间内发生会对身体健康有着重大影响。虽然这次热浪是20世纪最严重的短时热浪之一[14,15]，但是1931-1997年关于大于10年重现期的多日极端高温和极端低温接连发生的分析并没有显示出任何整体上的趋势[16]。这些极端热浪在时间分布上最显著的特征是20世纪30年代发生频率明显高于其他时候。

美国和前苏联每年和每月的日最高温度及最低温度的极端情况的变化趋势通常表现得与最高温度的变化趋势略有相同或者大不相同，但是从1951年到1989年，最低温度[17]却表现出明显的增长。此外，在中国，除春季外，每个季节的日极端最高气温略有下降，但每个季节极端最低气温呈现出明显的增长趋势[18]。

显然，对于需要监测霜冻天数的国家来说，霜冻天数的数量已经减少了。这种趋势与各国平均最低温度升高的趋势表现一致[3]，但与其他极端温度的趋势不太一致，特别是极端最高温度，不过该趋势与平均最高温度[3]的趋势基本一致。

极端降水

美国及其他国家一日及多日强降水事件的趋势表明，在20世纪[18-20]，降水总量大的天数日趋增加。自1910年以来，美国每年超过50.8毫米(2英寸)和101.6毫米(4英寸)降水量的天数有所增加[8,21]。 此外，一至七天的降水总量超过特定站点阈值的频率(重现期为一年一遇和五年一遇，及95百分位点)自20世纪30年代以来不断增加[18,20]。美国南部密西西比河流域，西南部，中西部和大湖地区的增幅最大，极端降水事件的增加导致自20世纪初以来观测到的年总降水量增加了5％至10％ [20]。

大多数月降水量或季降水量显著增加或减少的国家，在极端降水事件发生期间降水量也有着不成比例的变化[7,22](如图1)。此外，在某些地区季节性降水总量没有增加，但一日强降水事件的频率却在增加，比如日本[23]。

图1 各个国家季节降水总量和强降水事件频率的线性趋势[7]。

根据技术分析，研究人员注意到，除澳大利亚西南部地区的降水天数和强降水活动均有所减少外，20世纪以来澳大利亚其他地区强降水情况都有增加[24]。在英国，冬季极端降水事件增加，夏季极端降水事件减少[25]，在尼日利亚萨赫勒地区和近乎整个苏丹诺-萨赫勒地区，包括阿比西尼亚高原，日最大降水量及年总降水量均有所下降[26]。近期有研究表明，在过去的40年里，加拿大草原年雨量和强降水量在增加，但增加的原因似乎是日降雨量每日在少量增加(5毫米)[27]。然而其他研究降水趋势的结果表示，20世纪以来的大部分时间，加拿大南部降水量增加是由各级降水强度增加而造成的，而在本世纪后半期，特别是在加拿大北部，中度和重度降水事件增加的幅度最大[28]。

干湿时期

世界受干旱或过度潮湿影响的地区都有所增加[29]。在美国，20世纪的干旱检验表现出很大的差异性，20世纪30年代和50年代的干旱主导着长期气候趋势[7,14]。最近对美国大平原地区过去2000年古气候数据的干旱变率进行的长期调查表明，自18世纪以来没有发生过像20世纪30年代那样严重的干旱。然而，在16世纪之前，似乎有的干旱的发生的时空强度比20世纪美国的任何一次干旱都要严重[30]。虽然这样的结果是从仅代表当地条件的广泛地点整理而来，但是从整体考虑时，它们似乎创造了过去两千年大平原干旱变率的连贯图景[30]。

虽然看起来没有长期干旱的趋势，但美国受过度潮湿影响的地区似乎正在增加[8] ，特别是20世纪70年代后。这与年降水量长期增加和强降水事件增加的趋势是一致的。世界上其它地区的干旱分析显示出干旱增加的趋势。在匈牙利，干旱天气增加，湿润天气减少[31]，而在中国，平均降水减少[32]的同时，干旱区域增加，过度降水区域则在减少[2]。

热带风暴

总体而言，尽管那些破坏力巨大的强飓风的数量从1944年到20世纪90年代中期[33,34]已经下降，但大西洋飓风在20世纪没有明显表现出长期活动的趋势。此外，20世纪观测到的年代际尺度飓风活动差异很大[35]。因为大多数沿海沉降发生在飓风登陆频率相对较低的时期，飓风登陆的潜在社会影响在未来几十年中都可能尚未完全实现[36]。

记录飓风对极端降雨事件的贡献的最新工作表明，每个单独事件使当月在美国大西洋中部和新英格兰地区测量的月降雨量翻倍[37]。在所研究的67年中，马萨诸塞州东部和大部分阿巴拉契亚人平均每5到6年经历一次这样的极端降雨事件，而当飓风降雨贡献导致月降水量异常达到高于平均水平150％时，重现期将缩短到2至4年。

在北太平洋盆地，自20世纪70年代中期以来，热带风暴和台风都呈现出频繁活动的趋势(38)。在20世纪70年代中期之前，北太平洋西部地区的热带风暴活动一直在减少，这表明全球最活跃地区的热带风暴频率存在非线性长期变化。自1969年以来，赤道以南的澳大利亚地区(105°E至160°E)出现了热带风暴活动频率强烈下降的趋势，这主要归因于厄尔尼诺-南方涛动的变化[39]。

气候模式结果

近期的气候模式提高了模拟气候变率和极端气候事件许多方面的能力。然而，它们在准确模拟区域气候条件方面仍然存在系统性误差，在精确模拟气候区域条件上也有局限性。

然而值得高兴的是，大多数气候模式的研究表明，随着温室气体排放量的增加，未来的极端天气和极端气候事件将通过气候系统工作原理进行直观预测。例如，在气候模式模拟中，温室气体的增加会导致表面温度升高，同时表面温度升高，蒸发量增加，气体持水能力增加，从而导致大气水分含量增加，降水速率增加[40]。此外，如上所述，从世界各地的观测结果中，我们能观察到气候模式中未来极端天气和极端气候事件的变化情况(例如，昼夜温差缩小，平均温度增加，极端高温天气增多，极端寒冷天气减少，以及降雨强度增加)。

自IPCC第二次评估报告[41]以来发表的一些模式的研究结果证实了之前的结论。这使我们对其可信度更有自信(尽管模式之间的一致并不能保证这些变化确实会在真实的气候系统中发生)。结论中包含：平均温度的升高导致极端高温值更高和极端低温事件减少，以及日温差降低[42]。其他近期的模式研究则验证了未来气候的初期结果，如降水强度增加[43，44]，夏季[45]美国中部地区干燥[45]，干旱的几率增加[46]，夏季降水频率增加，土壤干燥以及长期干旱可能发生[47]。潜在蒸发量的增加和温度的剧增超过了降水量的增加，会导致这种普遍干燥的发生。印度季风的年际变率也有所增加，从而增大了该地区发生干旱和洪水的可能性[48，49]。这些与之前的模拟结果表现一致，当前一些模式表明，未来太平洋平均气候基础状态可能会更类似于厄尔尼诺状态（即，随着降水的东移，东西海表面温度(SST)梯度减小）[50-53]，但并非所有模式都是如此，因此结果仍然依赖于模型。对于这种类似厄尔尼诺的气候变化，或者甚至像在其他一些模式中显示的那样，未来整个热带太平洋SSTs更均匀地变暖，与未来厄尔尼诺相关的季节极端降水事件将比由SST和蒸发之间的非线性关系而存在的极端降水事件更激烈。因此，随着未来气候温度升高，与未来厄尔尼诺事件相关的在中东太平洋海温异常将相应产生更多的蒸发和更强烈的降水，而澳大拉西亚的降水量则大大降低。

虽然气候影响单元在研究二阶气候变量变化(如增暖日数和降温日数)上有一些方面的记录，但最近的一些模拟结果讨论了自IPCC第二次评估报告以来极端气候变化的新方面。例如，上述温度极值的变化导致加拿大增暖日数减少，美国西南部降温日数增加[43]。随着大气湿度的增加，极端温度将导致一个模式中7月的平均热指数增加，从而导致人体更强的不适和更大的压力[54]。在北美中部和东南部，亚洲中部和东南亚，土壤含水量下降的非洲热带地区以及干旱的北非地区，日最高温度20年回报值的增幅最大[42]。此外，北美西海岸由于降水增加，土壤湿度和极端温度的都有一定增加[42]，日最低气温回报值的增加幅度大于陆地上的日最高气温以及冰雪消退时的情况，而降水极端值的增加幅度大于平均值，并且最近20年极端降水事件重现期缩短的情况十分普遍(例如，北美每10年会发生一次20年一遇的极端降水事件)。厄尔尼诺变异性在某些模式[55-59]中增加，而在其他模式中[59]的变化则不大。还有人发现，厄尔尼诺振幅变化最大的情况发生在10年时间尺度上，并随着ENSO的多次调制而增加[58,

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