2003年欧洲热浪爆发后夏季极端高温概率上升外文翻译资料

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2003年欧洲热浪爆发后夏季极端高温概率上升

经历了极端天气和极端气候，社会深切感受到全球天气系统异常变暖带来的社会经济压力。2003年欧洲热浪造成数十万人丧生，根据首个该事件的归因研究，人类活动使此类事件发生概率至少增加一倍，同时悲观地预测到21世纪40年代，严重的热浪会变得非常普遍。自从最初的研究发表以来，夏季温度观测值宿舍0.81k，我们再次研究欧洲重灾区发生夏季极端高温的概率十年后发生了怎样的变化。我们使用新的观测值和新模式数据，采用温度阈值来定义夏季极端高温，发现21世纪10年代50年一遇的高温事件现阶段频率增加到5年一遇。2003观测的高温阈值，其回归时间从20世纪后半叶千年尺度减小到如今的百年尺度。

尽管20世纪末以来全球平均气温增速减缓，全球尺度和区域尺度的极端高温却持续增长。过去十年间的热浪事件，如2010年的莫斯科，2011年的德克萨斯和2012-2013年澳大利亚“怒夏”，体现出久期长，空间尺度大和破坏巨大的特点。归因研究旨在确认此类极端事件的动因，发现人类活动等可能原因的影响机制。这篇文章我们回顾关于2003年欧洲热浪事件的第一个研究，并采用新的分析来研究现状。在最初的研究中，我们关注10︒W-40︒E，30︒-50︒N区域的夏季气温，这块区域在众多备选区域中受2003年热浪影响最为显著。备选区域可减少选择误差。所选区域基本包含热浪受灾最严重的国家（法国，德国，意大利），但更有广泛性。

CRUTEM4夏季气温时间序列观测资料显示2003年高温记录在2012年被打破，尽管一个地区的夏季高温与热浪灾害无直接联系（比如2012年的热浪影响没有2003年显著），但是随着气候变暖，气温屡创新高，夏季高温可以造成更严重的影响。我们采用20世纪90年代气候变化预测值和近十年观测值，分析2003年热浪事件以来该地区夏季气温变化。有趣的是，近十年气温比上世纪后十年高0.81K，表明夏季气温分布向高值区移动，增加气温突破新高的概率。

我们采用CMIP5的7个模式下所有外部因子强迫（ALL试验）和自然因子强迫（NAT试验）的气温试验数据。每个模式为每个试验提供至少3个模拟结果和500年以上无外强迫下的控制实验结果。我们采用所有NAT试验结果到2012年的模式，共有43个ALL试验结果，33个NAT试验结果和6000多年的控制实验结果。近期的年代气温变化仅在有人类活动影响的模式结果中表现显著。

我们接着采用最优指纹法，这是一个在气候检测归因研究中广泛运用的多元回归方法。我们区分了20世纪以来人类活动，自然强迫和内部变率对区域夏季气温变化的不同影响。如果某个强迫（人为强迫或自然强迫）的比例因子不包含0，这种强迫因子在观测中被视为可检测的。我们进行两组分析，一组截止到1990-1999年，用来预测2003年热浪的外强迫影响（与之前的研究方法相同），另一组截止到2003-2012年，用来预测当前的外强迫影响。采用近十年数据分析当前气候在归因研究中有一个共同的局限，可能对极端事件发生概率的预测产生偏差。采用基于当前年份的年代数据仅在模式预测数据下可行，而不适用于观测数据。我们在分析中采用多模型集合平均值构建气温时间序列，使单个模型的偏差最小化。内部变率从7个模式的控制实验中分离出来，一致性检验表明模拟变率与观测值一致。

图1 10︒W-40︒E，30︒-50︒N区域相对于1961-1990年夏季平均气温距平时间序列

图2 a,b阐明比例因子5-95%置信区间，在两组分析中，人为信号可以检测，而较弱的自然信号不可检测。当分析中采用更多的近期数据，人类活动的影响增强，比例因子的不确定性减小。模式数据低估了人类活动的影响（比例因子大于1）。在两组分析中，我们将最优指纹法得到的时间序列去除最后十年，替换成控制实验下无外强迫的时间序列，分别构造包含人为因素和不包含人为因素的区域夏季气温分布（图2 c）。

在无人类活动影响的假设下，自20世纪末夏季气温分布无显著变化，而现实中人为强迫造成区域气温分布明显位移。结果是，曾经用来定义区域夏季热浪的气温距平阈值是1.6K，在过去10-15年，这一数值从分布尾端移动到分布中心，表明极端高温发生的概率显著上升。2003年夏季观测的更极端的2.3K在同期分布之外，相对于自然强迫下的分布偏离更远。这说明人为因素虽然增加了此类极端事件的发生概率，但在2003年，该热浪事件还是非常罕见的。另一方面，目前的气温分布已经超过2.3K的阈值，该数值位于分布尾端，因此，2003年以来，气温分布的移动表明尽管该类事件的发生概率仍然很低，但相对于2003年已经大大提高。

图2 最优指纹法分析结果

我们采用温度分布，在包含人为强迫和不包含人为强迫的影响下，分别量化了21世纪早期和当前夏季极端高温的回归时间。我们采用后验重取样方法评估不确定性，结果总结在表1中。我们使用初始的1.6K为阈值，发现夏季高温的回归时间出现十倍的缩减，从53年减小到5年（最优估计）。不考虑人为因素影响时，气温突破阈值的概率非常小，尽管更准确的预测概率需要更大的样本，我们仍能得出结论，回归时间至少是千年尺度。在最初的研究中，我们保守估计人为强迫使2003年的热浪发生概率翻倍，但这次研究我们发现人为强迫影响比最初预计大得多。产生这一偏差的可能原因是我们采用了多模型集合而不是单一模型，这一方法降低了比例因子的不确定性，从而降低了不同强迫对气候变暖贡献的不确定性。这导致气温分布变窄，在没有人为强迫影响下阈值远远偏离气温分布尾部，气温突破阈值的概率降低。

我们将观测值距平2.3K作为阈值，评估2003年夏季高温的回归时间。气温突破阈值的概率显著提高，回归时间从千年尺度减小到百年尺度（最优估计127年）。如果气候变化以当前水平发展，参考区域出现类似2003年的夏季极端高温的可能性为百年一次。然而，随着气候变暖的持续，夏季气温分布向暖区移动，将进一步增加极端事件发生频率。

表1 参考区域夏季热浪事件回归时间

我们采用一组模式集合来检测参考区域夏季气温分布未来数十年的变化。我们使用CMIP5的4组RCP试验数据，模式数据不与最优指纹法的比例因子相乘，对于每组RCP试验，我们将21世纪20年代至21世纪90年代每个年代的模式数据用正态分布模拟，在研究中，正态分布用来表现未来气候变化，气温分布的形状和尾端阐明极端事件的概率。除

图3 未来数十年夏季平均气温正态分布

了RCP2.6，其他试验下气温分布随时间向暖区有明显位移。所有RCP试验均表明到21世纪40年代，类似于2003年的夏季极端高温会变得很普遍，人为强迫影响较强的RCP试验（RCP6.0和RCP8.5）表明到21世纪末，类似于2003年的夏季极端高温会成为极端低温事件。这一结论与之前的模式预测一致。

根据我们的研究，在过去10-15年，人为强迫在欧洲夏季极端高温的发生频率上起到关键作用，随着夏季气温呈现上升趋势，极端高温事件在未来数十年会发生显著变化。因此，决策者必须重视热浪事件带来的挑战。近期成立的EUCLEIA项目旨在为决策者提供及时的可靠的建议，评估人类活动对欧洲极端天气和气候风险的影响。

方法

最优指纹法

我们采用CRUTEM4和ALL强迫，NAT强迫试验的模式集合来分析参考区域年代记夏季平均气温。气温以相当于1961-1990基准期的距平为表现形式，与CRUTEM4数据集一致。采用更早的基准期模拟前工业时代气候变化虽然不影响最终结论，但会引入不确定性。对于每组试验（ALL和NAT），我们对每个模式下的集合成员取平均值，再计算7个模型的平均值。这种多模型集合平均分成和，观测值时间序列分成向量Y。人为强迫用-表示，最优指纹法将观测值分解为强迫因子和无强迫自然变率。

观测值中自然变率的影响用噪声项和表示。我们进行两组分析，第一组时间为1920-1999年，第二组时间跨度为1923-2012年。我们从无外强迫的控制实验中选取与分析时段等长的时间跨度，推导噪声项的方差协方差矩阵，并处理成与观测值相同的向量。其中n是控制实验向量组个数，N是向量长度。我们在1920-1999年的分析中采用75个向量组，在1923-2012年的分析中采用68个向量组。控制实验也用来检测不确定性，检测模式内部变率是否与回归残差一致，检测结果表明二者具有一致性。

气温分布和气温突破阈值概率

最优指纹法计算了观测值中人为强迫，自然强迫和所有外强迫的影响。对于每个比例因子，我们计算出个可能值，用来评估计算结果的不确定性，从这些可能值中我们评估了参考区域不同外强迫对气候变化的贡献。我们剔除两组分析中最后十年的数据，再与控制实验的2500个不重叠的夏季气温距平组合，分别得到21世纪初期和当前有人类活动影响和无人类活动影响下的气温分布。

我们采用如下方式评估夏季高温发生概率和不确定性：我们把每一组个气温信号添加到无外强迫下的年气温时间序列中，如果阈值在分布尾端，就计算出个气温突破阈值的概率。计算结果提供了极端事件（区域夏季气温突破阈值）的第50百分位（最优估计），第5百分位和第95百分位。回归时间是概率的倒数。当阈值处于分布尾端，概率估计非常小，回归时间为千年尺度甚至更长。由于样本数量不足，回归时间的具体数值很难精确评估，我们也仅仅对回归时间的尺度作保守估计。

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