21世纪更强烈、更频繁、更持久的高温热浪外文翻译资料

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21世纪更强烈、更频繁、更持久的高温热浪

作者：Gerald A.Meehl and Claudia Tebadi

全球耦合气候模式表明，未来高温热浪变化存在明显的区域性。与1995年芝加哥和2003巴黎的强热浪有关的欧洲和北美地区的模型结果，都显示这些地区未来高温热浪将在21世纪下半叶变得更加激烈、更频繁、更持久。观测和模型显示，欧洲和北美现在的高温热浪与特定的大气环流模式相符合，温室气体的持续增加加剧了这种模式，表明这种模式将在这些地区产生更严重的高温热浪。

高温热浪没有普遍的定义，但这种长时间持续高温的极端事件已经对人类死亡率、区域经济、及生态系统产生严重影响^[1-3]。例如1995年芝加哥高温热浪^[4]和2003年的巴黎高温热浪^[5]这两个详细记载的例子。在不同情况下，严重高温会影响人类的死亡率，以及导致大范围的经济上的影响，给人们带来不便和不适。

在未来温暖的气候下，热浪似乎变得更加激烈、更频繁、更持久^[5-6]。然而，对其他类型的极端事件，如霜日，未来变化的分析表明，极端事件的变化在空间上并不均匀分布，而是存在与大尺度气候变化有关的特定的格局^[8]。在这里，我们研究了全球耦合气候模型，即平行气候模型(Parallel Climate Model,PCM)。该模型在大气中经纬度分辨率为2.8°、在海洋经纬度分辨率小于1°，模型包含大气、海洋、陆地表面和海冰等相互作用的因素。PCM已经被广泛运用于模拟20世纪和21世纪气候变率和气候变化的多种应用中^[6,8-13]。我们分析了二十世纪四要素整体效果（即模型以不同初始状态运行四次，四个要素被平均以此减少噪声）以及21世纪五个要素整体效果。前者包括20世纪主要观测到的温室气体、硫酸盐气溶胶、臭氧、火山气溶胶、和太阳的变化^[13]。后者采用“正常商业模式”的情景，假设21世纪的政策对缓解温室气体的排放不起任何作用^[14]。我们将参考模型和观测值的时间分为“目前”(1961-1990年)和“未来”(2080-2099年)两个时间段。

首先，我们定义热浪这个概念。许多定义应用于量化夜间最小值或白天最大值的持续时间或强度的热浪^[4,5,15,16]。在这里，我们使用了两种热浪的定义，每一种都与对人类健康和经济的重大社会影响相关。第一种[4]起源于1995年芝加哥学派定义的热浪；主要针对每年“最严重的高温事件”的严重程度，并表明几个连续夜间其最低温最高没有任何缓解可能对健康影响很重要。对于北美和欧洲当今的气候（图1），观测和模拟的三个连续极端高温的夜晚显示出较好的一致性结果。在美国东南部（大于24℃的地区）目前热浪更为严重，在美国西北部（与上述相同面积，低于16℃的地区；图1，A和C）则不太严重。对于欧洲来说，观测量和模拟都显示出南北的梯度，即从南到北减少（图1，B和D），地中海地区（与地中海接壤的大多数国家都高于20℃）的热浪更为严重，而北欧的极端热浪少更低（北欧许多地区低于16℃）。

图1 根据NCEP/NCAR在分析资料得到的以平均年内3天夜间最低温最高的事件定义的极端高温热浪（4）的严重程度度（单位：℃） 1961-1990年，北美地区（A）、欧洲地区（B）的观测值，以及北美地区（C）、欧洲地区（D）的模拟值。连续3天夜间最低温最高的热浪事件变化由未来模型（2080-2099）与目前（1961-1990）的差值来表示，北美地区（E）、欧洲地区（F）。

以这种方法在模型中定义的连续三天极端高温热浪的未来变化在空间中并不是均匀分布，而是显示出独特的地理格局（图1，E和F）。尽管所有地区的差异性为增加，表明夜间最低气温普遍上升，但美国西部和南部以及地中海地区的热浪严重程度增加更多，表现为热浪增加的地区严重程度比其他区域高出3℃。我们可以认为，在当前气候中最容易受热浪影响的地区（图1A到D中极端高温热浪最严重区域）未来极端高温热浪严重程度会增加。然而当前受热浪影响不严重的其它区域，如北美西北部、法国、德国和巴尔干地区，模型模拟显示在21世纪模型中也经历了更严重的极端高温热浪。

第二种定义热浪的方式是基于超过特定阈值的概念，从而分析热浪的持续时间和频率。这种方法取决于两个最高温度阈值：阈值1（T1）被定义为观测和模拟当前气候（给定的季节气候）最高温度的第97.5百分位，T2定义为第81百分位。再利用满足3个条件下的连续热浪的最长持续期来定义热浪：(I)日最高气温必须在阈值T1以上3天以上，(II)整个热浪期间日最高气温的平均值必须高于T1，(III)整个时段内每天日最高气温必须高于T2^[16]。

1995年的芝加哥热浪和2003年的巴黎热浪影响特别严重，我们选择了靠近这两个地点的模型中的网格点来说明热浪特征。当然还有来自其他地方的热浪，这种选择具有一定主观性和代表性。此外，我们并不建议选择与特定气候类似的网格点，我们选择这些网格点也是因为模型中它们代表了伊利诺伊州和法国热浪条件，因为它们可以帮助确定这些预期未来气候变化中促成热浪变化的过程。我们选择了来自美国国家环境预测中心（NCEP）/NCAR的网格点，运用再分析将观测数据同化，与模型结果进行比较。

对于巴黎和芝加哥地区网格点的五个气象要素，预测未来热浪发生呈增长趋势（图2，A和B）。对于芝加哥来说，从四个气象要素来看目前的热浪事件（1961年至1990年）为1.09~2.14次/年，而未来的热浪事件为1.65~2.44次/年。可以得出，总体平均热浪发生率从1.66次/年增长到2.08次/年，增加了25%。当前NCEP从1961年到1990年的观测值位于目前模型的范围内，1.40次/年。对于巴黎来说，目前模型模拟的热浪为1.18次/年~2.17次/年（NCEP在分析数值在1.10天内，几乎都在此范围内），模型模拟未来的热浪变为1.17次/年到1.70次/年之间~2.38次/年。可以得出，巴黎网格点的平均热浪发生率从1.64次/年~2.15次/年，增加了31%。NCEP的两个观测值都远远低于模型模拟的未来范围，表明在未来气候中，每年热浪事件增长更多。

图2 根据热浪阈值的定义（16），芝加哥（A）和巴黎（B）附近区域年平均高温热浪数量以及持续时间（C和D）。在每个图像中，表中蓝色菱形标示的NCEP是根据NCEP/NCAR再分析数据计算的值。黑色部分表示从目前（1961-1990年）模型得到的模拟值，红色部分则为模型模拟未来（2080-2099年）的范围。

这两个地点的热浪持续时间增加（图2，C和D），对于芝加哥，四个气象要素模型的目前平均热浪持续时间为5.39~8.85天，包括NCEP观测值的6.29天。对于巴黎，模型模拟目前持续时间为8.33~12.69天，NCEP观测值为8.40天。巴黎未来气候条件下高温热浪持续时间增加，平均时间从11.39天增加到17.04天。对于这两个区域，类似于热浪次数那样，来自NCEP再分析相应网格点显示持续时间与目前模型气象要素集合的范围非常接近，但与未来模型气象要素集合的范围相差甚远，表明在未来气候中，热浪的持续性会增加。

热浪一般与特定的大气环流模型有关，这些模式由半静止500hPa正高异常引起，该异常高度变化在地表产生沉降、晴空、轻风、暖平流和长时间热环境^[15,19]。1995年芝加哥热浪和2003年巴黎热浪（图3，A和B）就是如此，1995年7月13日至14日密西根湖500hPa高度异常超过 120位势米（gpm），2003年8月1日至13日在法国北部地区的正变高 180位势米，，根据5%水平下的学生t检验，这些变化都显著。根据1961年至1990年这两个地点的模型（图3，C和D）的模型得到的目前模型复合热浪的分层，结果得到可比较的振幅和格局，两个地区的500hPa高度都超过 120位势米，超过了5%水平的显著性检验。

图3 根据NCEP/NCAR再分析资料1995年芝加哥热浪（1995年7月13日-14日与1948-2003年7月的平均值的差值）500hPa高度层的变高值（单位：gpm）（A），2003年巴黎热浪（2003年8月1日-13日与1948-2003年8月的平均值的差值）500hPa高度层的变高值（B）。根据网格点计算的芝加哥（C）和巴黎（D）目前气候（1961-1990年）的高温热浪在500hPa高度层的变高值，以1961-1990年的夏季（6-8月，JJA）作为基础。

对于芝加哥和巴黎未来的热浪，与未来气候相关的500hPa高度异常有所增加（图4，A和B）。芝加哥和巴黎未来气候模拟的总体平均热浪在500hPa高度异常增高与目前相比，在统计上显著（在5%显著水平上）超出20gpm（比较图4，A和B与图3，C和D）。

未来气候热浪变化具有明显的区域性（图1，E和F）。表明温室气体的增加可对气候基础状态的影响与这一变化有关。未来气候的平均基态变化显示中西部地区500hPa高度增加接近 55gpm（图4，C和D，在5%的显著水平上）。未来气候与地中海以及美国西部和南部500hPa高度变高与这些地区热浪更严重直接相关（图1，E和F），从而证实未来500hPa高度变高的时空变化与未来气候变化以及未来气候变暖的高温热浪强度之间存在关联。7个类似的模型对北美地区未来气候与当前气候的差异模拟与当前的格局相似，与欧洲相比略低（图S1）。在该地区，地中海和欧洲南部仍然具有最大的高度异常，较小值出现在北部（图S1）。但高度异常最大值出现在西班牙附近，希腊附近的正变高与我们的模型相反（图4，D）。这也也与夏季夜间最低温和白天最高温的标准偏差增加格局类似（图S2）。除了平均值的变化外，这与温度分布范围增加是一致的（5），这表明了除大气循环变化所驱动热浪出现之外，有其他因素导致的热浪出现。

图4 未来气候（2080-2099年）芝加哥（A）和巴黎（B）附近高温事件500hPa高度异常（gpm），基准与图3相同；以未来与目前差值表示北美地区（C）和欧洲（D）正高的变化。

500hPa高度异常与印度季风区温暖季降水异常增加和中纬度的对流加热异常密切相关（图4，C和D），中纬度对流加热异常与未来气候中热带对流加热异常对应（图S3-S5）。可以得出，已经经历强烈高温热浪的地区（例如美国西南部、中西部、东南部和地中海地区）未来可能面对更强烈的高温热浪；其他地区（例如美国西北部、法国、德国和巴尔干半岛）高温热浪强度可能会在未来增加，由于这些地区目前还不是适应高温，增强的热浪将会造成更严重的影响。

参考文献和注释

1. C. Parmesan et al., Bull. Am. Meteorol. Soc. 81, 443(2000).

2. D. R. Easterling et al., Science 289, 2068 (2000).

3. World Health Organization (WHO), “The health impacts of 2003 summer heat waves,” WHO Briefing Note for the Delegations of the 53rd session of the WHO

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