全球变暖1.5和2度温升背景下的欧洲极端气候外文翻译资料

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全球变暖1.5和2度温升背景下的欧洲极端气候

Andrew D King David J Karoly

摘要:为了限制全球变暖超过1.5度（和前工业时期的水平比较），国际上做出了努力。然而，现在仍然缺乏维持这一气候变暖阈值水平的研究。本研究中，利用耦合气候模式模拟一系列全球变暖1.5和2度阈值的年份。利用这些模拟结果来评估在这些全球变暖水平的频率和量级下的预测变化。比如，研究发现，类似于导致数以万计例死亡欧洲2003年夏季的极端炎热事件，这种极端气候事件很有可能在1.5度阈值时的发生的概率比在2度阈值时发生的概率至少低24%。在2摄氏度的全球变暖阈值下，可以认为这种夏季极端气温会超过往年记录，并在每两年就要发生一次。研究发现，限制欧洲大陆的气候变暖有明显的益处，包括：与较高阈值水平的全球变暖相比，低阈值水平的的全球变暖，产生的高温和降水极值更低、更弱。

关键词:巴黎协定;CMPI5区域气候变化;大雨;极端温度

引言

根据2015年12月的《巴黎协定》（2015《联合国气候变化框架公约》），将“2摄氏度温升目标正式纳入大会成果”，并提出“力争把温升控制在较工业化前上升1.5摄氏度以内，认可这将大大减弱气候变化的风险和影响”。然而，目前对1.5摄氏度温升与2摄氏度温升时的气候变化在区别上仍所知尚少。目前针对研究定量分析1.5摄氏度温升的研究较少，而对更高的升温水平的研究更多（比如Seneviratne等2016，Vautard等2014）。但是，Tebaldi等（2015）发现全球平均气温发生了相对小的变化，这种变化小于在两种巴黎协定讨论的两种温升水平下的0.5摄氏度的差异，这种变化能引起重大的区域气温变化。总的来说，目前的调查发现 降低全球变暖的水平，特别是通过更低和更弱的极端温度来降低，是有益的。（比如Tebaldi和Wehner2016）。调查亟需定量分析巴黎协定目标1.5和2摄氏度温升时极端气候差异。

Schleussner等（2016)检测了全球和亚大陆规模下 一些极端气候和相关影响的变化，比如海平面的上升和农业产量，他们发现1.5和2摄氏度温升下全球变暖的差异十分重大。然而，这一分析仅仅基于瞬态气候模拟，其在温室气体排放的背景下在这些变暖水平中迅速变化。研究还发现抑制全球变暖有重大好处，特别是就对澳大利亚极端高温的频率而言。为了给政府间气候变化专门委员会对2018年出版的1.5摄氏度温升的特别报告提供素材，我们需要更多更好地定量分析1.5和2摄氏度温升时全球变暖下的影响差异。这一工作在进行中，包括通过一些模拟实验，比如半度升温，预测和预测影响项目（Mitchell等2016a，2017），和区域气候模拟（Sanderson2017)。要求采用一系列分析利用不同的模式设置，包括耦合和只有大气的模式实验。

这一研究主要关注欧洲在1.5摄氏度和2摄氏度温升下气候极端状况。欧洲是一个研究相关问题的合适全区域，因为它深受部分与人为气候变化有关的气候极端现象的影响，这种极端现象导致了过多的伤亡、大型经济损失以及其他影响（比如Pall等2011，Mitchell等2016b,Schaller等2016）。大量的研究调查了人为影响气候变化对最近气温（Stott等2004，King等2015a,Uhe等2016）和降水（Yiou和Cattiaux2014，Otto等2015） 极值在不同大陆地区的重要性。由欧洲的气象服务所支持的高质量的数据观测网络，一些产品提取利用了这一数据网络，产品包括E-OBS（Haylock等2008）。这使用来预测在1.5摄氏度和2摄氏度下的气候极值得到更好的预估，提供了优于世界其他地区的结果。

本研究利用一大成套的耦合气候模式模拟来评估气候均值的变化以及欧洲范围极值，同时考虑到频率和强度，以及在自然气候变量中的地位。

资料与方法

本分析采用的方法、对前工业基线的定义，目前的气候以及1.5和2摄氏度温升时全球变暖的未来可能的气候变化，均和King等（2017）相近。下面将会讨论应用在方法中的选择的敏感度，King等（2017）的相关补充的说明仅做简要讨论。

本研究利用最先进技术耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的模式耦合（表1在stacks.iop.org/ERL/12/11403/mmedia可得）。这些包括从“往期”试验来的模式（在自然和人为因素约束的1861-2005年），“往期Nat试验” （仅在自然因素的约束下），以及4个代表性的浓度途径（RCPs），它表示在一系列从低到高温室气体的排放背景下预测的2006-2100年气候。

利用了这些模式来定义4个不同的“世界”，并对其进行比较。这些是：

——一个“自然界”（用1901-2005期间的historicalNat模式定义）

——一个“目前的世界”（定义为2006-2026年的RCP8.5模式）

——一个“1.5摄氏度的世界”（定义为当全球平均气温比相应的模式自然基线高1.3和1.7摄氏度时，在十年内RCP情景下的年份）

——以及一个“2摄氏度的世界”（使用同样的方法作为1.5摄氏度的世界，定义当全球平均气温比相应模式自然基线高1.8和2.2摄氏度时，在10年内的模式年份）

观测基准的资料用于模式资料的评估（通过比较观测数据和正常1951-2005年期间的历史模式模拟的统计分布；可在King等（2017）寻找更多的细节）并且将其置于气候极值分析。E-OBS资料组（Haylock等（2008））用来达到这个目的。在0.5度规则网格的E-OBS气温和降水数据中插入更粗糙的2度网格来提供一个与模式数据更合理的对比，也重格点化。将ERA-期间的再分析数据（Dee等2011）中的海平面气压（MSLP）利用在北大西洋涛动（NAO）指数的计算中，并建立北太平洋涛动-英格兰岛12月气温关系。

我们关注从观测和模式资料提取出的气温和降水变量。并探讨从这些模式预算和从这些E-OBS数据资料推演出的两个平均的气候变量和三个气候极值指数（Sillmann等2013a，2013b）：T(月/季/年的平均表面气温）、R（月/季总降水量）、TXx（月/季/日的最高温度）、TNn（月/季日的最低温度）、Rx1 day（月/季的最高的日总降水量）。

为了研究在1.5和2摄氏度温升下，全球变暖的相似事件如何变化，我们在关注最近一系列的气候极值之前，先研究了欧洲的年和季的变量变化。本研究选用6个事件作进一步的分析：

1.2016年气温的欧洲平均（在西经12度到东经45度，北纬30度到75度的新纪录）。分析变量：T

2.2014年英国中部气温（在西经2度到东经0度，北纬52度到北纬54度的新纪录 ）。分析变量：T

3.2003年夏天欧洲中部气温（在西经5度到东经20度，北纬40度到北纬55度的新纪录）。分析变量：T,TXx

4.英格兰岛2010年12月气温（在西经12度到东经2度，北纬50度到北纬60度的新纪录）。分析变量：T,TNn

5.欧洲南部2013年3月平均总降水量（在西经10度到东经20度，北纬35度到北纬50度的第二高的记录）。分析变量：R

6.英格兰岛2007年5月到7月的降水量（在西经12度到东经2度，北纬50度到北纬60度的最高纪录）。分析变量：R,RX1day

这些事件的大部分中，有类似事件归因研究，评估在目前气候状态下人类的影响。（比如Stott等2004，King等2015a）。

对于三个事件中每一个事件所探讨的气候极值指数，我们均发现有记录价值。这些事件中产生了许多天气记录，比如包括法国和英国在2003年夏季的全国日最高气温记录（Burt2004年）的最高值P，北爱尔兰在2010年12月的日最低气温的最低值（Prior，Kendon等2011年)，和2007年7月在珀肖尔和英国中部和南部的其他地区的日降水总量的最高值（Prior和Beswick 2008年）。

对于每一个区域和事件的处理，首先我们计算所有观测和模拟的资料作为一种1961-1990年气候异常。以对基线的比例偏差来计算所有的降水指数，以来更好描述在绝对降水总量上潜在的模式偏差。之后，我们就每一变量的统计分布根据E-OBS资料来评估模式（如在King等2017中所描述），随之仅仅利用通过检验的模式。

通过简单地计算和比较在四个世界（自然，现状，1.5摄氏度，2摄氏度）中的每一个情形之中，超过相关阈值的模式年份的比例以来分析相似极端事件的变化频率。这一阈值常常不为感兴趣的值，因为它常作为在事件归因分析的通常练习（比如Lewis和Karoly2013).比如，利用2015温度异常的阈值（之前的记录）在四个世界中，比较类似于创纪录的2016年欧洲平均温度。在12月寒冷的事件的情形中，我们利用第二冷的12月作为阈值，并探讨在那个值以下的温度异常。

为了研究气候极值的变化范围，计算在1.5摄氏度与2摄氏度世界下相关分布的 90%，95%，99%差异。并将它们和这些分布50%的变化对比。再一次，对于冷12月事件，而我们关注的是冷尾分布的变化（即10%，5%和1%的百分比）。

通过引导重采样（带替换）半数模式模拟，而该模式模拟形成每一世界，估量极端事件频率和强度的所有变化的不确定性。比如，如果有20个通过检验的集合中的气候模式模拟，然后每次10个模式的随机重采样被用来计算不同的极端事件的频率/强度的不同估计。这个过程做了1000次，提取90%的置信区间。

为了研究是否存在与极端事件类型的背景条件中的变化，我们分析四个世界中每个世界中最热/冷/湿百分位的平均温度和平均海平面气压的异常。在寒冷的12月的情形，我们也研究北大西洋涛动和英格兰岛12月气温变化之间是否有联系。北大西洋涛动被计算为在雷克雅末克（冰岛首都），冰岛和 亚速尔群岛，葡萄牙，ERA-期间再分析和CMIP5 2度格点模式模拟的格点的标准化差异。

结果

2摄氏度温升与1.5摄氏度温升相比，欧洲比预测的更加暖，然而，对于大部分的大陆来说，预测降水差异有明显的不确定性。在1.5摄氏度和2摄氏度的水平之间多出的0.5摄氏度，将会使对内陆和大陆东部预测会更温暖。但是西部地区和沿岸地区将会预测为更干（表1）。大陆的北边被认为将更湿，然而一些南部的地区被预测为更干（表2）。这些原始结果与其他研究（比如 Maraun2013,Vautard等2014）和IPCC( 政府间气候变化专门委员会)第五次评估报告（Bindoff等2013）的一般的模式预测一致，但是这里我们以一个相对低的全球变暖的水平来定量分析变化。

尽管除了斯堪的纳维亚和俄罗斯的部分地区欧洲大部分北方的夏天（JJA）更暖了，但是季节性的变化是广泛相似的。在夏季，1.5摄氏度温升到2摄氏度温升，有地方比欧洲更干，然而在冬天更多地区见证了2摄氏度的温升下的降水。在欧洲北部的冬季，出现了有气候变化导致的降水增加的信号。（比如Min等2011，King等2015b)

尽管相对于平均变化的最暖夏季白天（图1c)和最冷冬季晚间(图1e)有轻微的升温，特别是在欧洲西部，但是温度极值同样预测为以相似的模式升高，意味着在1.5摄氏度和2摄氏度之间变暖。对于降水极值，在夏季（图2c)和冬季（图2e)中极端潮湿的天数的强度增加有一个更明显的信号，相反，更弱大陆的大部分平均变化信号。特别是在英国和爱尔兰的夏季的情形，在那里有在1.5-2摄氏度温升下轻微的平均干燥的趋势（图2（b)),但是有一在每日降水总量的最高值的强度有所增加。

图1：全球温升背景下1.5和2摄氏度温升阈值时平均气温变化和预测极端温度变化。图形显示的是1.5和2摄氏度温升阈值下，年平均气温（a)，夏季平均气温(b),最高气温（c),和冬季平均气温（d），以及最低气温（e)的平均差异。

图2：在1.5°C和2°C之间的全球变暖间平均降水量和降水极值的变化预测。 在1.5°C和2°C之间的全球变暖间（a）年平均总降水量，（b）夏季总降水量，（c）最高日降水量和（d）冬季总降水量以及（e）最高日降水量的平均差异。所有的降水变化都以对1.5℃的距平百分比给出，并且仅在至少四分之三的气候模型出现同变化的迹象时才给出。

在1.5-2摄氏度温升下极值的变化频率

在我们研究在1.5到2摄氏度温升下极端事件变化的有多历史性意义时，一种清晰的图案出现了（图3）。我们研究的所有气候极值在一个自然气候的背景下都是异常的，发生率少于10%（即每十年不到一个）。然而，在1.5和2摄氏度的未来背景和目前气候下，高温极值大大更频繁起来。甚至在仅仅1.5摄氏度温升下，我们估计像2016年记录这样欧洲炎热的年份将会大概每两年发生一次。高温的严重影响，比如2003年的夏季温度，其引发了过多在法国的和其他国家数以千计的死亡例（Mitchell等2016b),2摄氏度的温升均比1.5摄氏度或目前的气候更为频繁，并且多发生在2摄氏度的世界的大多数年份。对于每个所研究的高温极端事件，相似事件的归因分析发现在欧洲（Uhe等2016，对目前在2014年的记录创立者来说），英国的中部（King等2015a),以及欧洲中部（Stott等2004，Christidis等2014）。尽管由于利用的模式集合较小而有不确定性，但是我们发现极端温度指数TXx在高温事件伴随着全球变暖的下有所增加（表S3）。

图3：不同全球变暖程度下欧洲气候极端事件频率的变化。在一个特定年份中

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