论文部分内容阅读
在全球变暖的背景下，中亚地区极端高温事件趋频，造成日益严重的经济损失。目前对中亚地区温度气候变化的研究多集中在平均温度，缺少对极端温度的研究。本文基于均一化的站点观测资料，揭示了中亚地区近百年热浪的时空变化特征及该地区热浪发生的物理机制;进而开展了热浪变化归因、热浪对劳动生产力的影响评估及其未来情景预估的相关研究。本研究弥补了中亚地区热浪研究的空缺，为该地区气候适应，制定防灾减灾政策，提供了新的认识基础。论文主要结论如下:
(1)热浪气候变化事实-基于一套目前中亚地区包含台站数量最多的均一化的长期观测资料，探究了中亚地区近百年热浪的时空变化特征。近百年(1917-2016)中亚地区热浪的强度、频次和持续时间均呈现显著增加趋势;近五十年(1967-2016)增加速率明显加快，热浪次数的增加速率由0.11次/10年(1917-2016)增至0.21次/10年(1967-2016);自1960s至今，热浪发生次数增加了1.3倍。此外，统计分析显示，热浪次数和持续时间在1990s中期发生跃变，相应地一个类似丝绸之路遥相关的波列也在1997年前后发生跃变。对比分析了1990s前后中亚地区热浪的变化特征，结果显示，1990s以来中亚热浪的强度、频次和持续时间的均值与年际变率都明显增加，热浪事件变得更加“极端”。空间分析的结果显示，近五十年，整个中亚地区平均的夏季最高温度达31.5℃，西部高于东部。80％台站夏季最高温度呈现显著增高趋势，增温速率西南极端干旱地区高于东部高海拔地区。随着温度的增高，中亚大部分台站热浪的强度、频次和持续时间均呈现显著增加趋势，增加速率呈现西南高，东部低，空间分布与最高温度的空间分布基本一致。这在一定程度上说明，平均气候变暖是造成该区域热浪趋频趋强的主要背景原因。
(2)热浪演变机制-通过与观测资料对比，优选了一套能够表征中亚地区1979-2016最高温度及热浪变化的再分析资料，并基于此分析了中亚地区热浪对应的大气环流特征。NCEP/NCAR与ERA-Interim两套再分析资料在表征中亚地区最高温度区域平均值时均存在不同程度的低估，原因之一是再分析资料所代表的格点海拔平均而言高于站点海拔。相比NCEP/NCAR，ERA-Interim能够更好地表征中亚地区最高温度、热浪强度、频次和持续时间的变化趋势及其空间分布。基于ERA-Interim分析了中亚热浪发生时对应的大气环流特征。结果显示，中亚地区热浪的发生伴随其西北部上空500hPa高度场的正异常，850hPa水平风场呈现反气旋异常。一方面反气旋带来空气下沉运动，绝热增温，另一方面反气旋造成云量的减少，增加了地表入射的太阳辐射，加热地面产生高温。上述地区500hPa高度场异常是中高纬一个正负相间的绕球波列的组成部分。该波列类似前人研究指出的丝绸之路波列，在1997年前后发生跃变，上述500hPa正异常显著增强，构成同期中亚一带热浪迅速增强的大气环流演变背景。
(3)欧亚大陆热浪变化特征的区域性对比分析-由于全球的不均匀增暖，热浪的变化特征存在明显区域性差异。研究表明，高温高湿的湿热浪比单纯的干热浪更加危险。为更好地理解中亚热浪变化的区域性特征，本文以湿热浪为切入点，系统分析了欧亚大陆各地湿热浪事件变化特征及其区域性差异。首先基于ERA-Interim资料，分析了1979-2016年欧亚大陆7个典型区域湿热浪的时空变化特征。结果显示，欧亚大陆大部分地区湿热浪的频次和强度呈显著增加趋势，增速最大的地区在南亚，频次和强度的增加速率分别为0.76次/10年和0.27℃/10年。在某些强湿热浪事件中，湿球温度接近31℃。在整个欧亚大陆地区，对比相对湿度，气温对湿球温度的贡献更大。中亚等干旱地区对相对湿度变化的响应比湿润地区更加敏感。在干旱区相对湿度增长1单位可以使湿球温度增加0.2单位;而在湿润地区，相对湿度增加1单位可导致湿球温度增长0.1单位。1979-2016年，湿球温度在大部分地区呈现显著增加趋势，但温度和湿度的变化存在明显的区域性差异。当湿热浪发生时，在欧洲、地中海北部、俄罗斯东部以及青藏高原部分地区，温度和湿度的协同作用导致热浪强度升高;而在印度及中亚部分地区，湿度的增长是湿热浪强度增加的主要原因;在俄罗斯和东亚的部分地区，温度的增长是湿热浪强度增加的主要原因，这些地区的湿热浪趋于变得更热而干燥。
(4)中亚极端高温气候变化的归因-基于一个新的检测归因方法(Ribes et al.，2017，https://doi.org/10.1007/s00382-016-3079-6)，对中亚地区1965-2005年间极端高温的长期变化趋势进行了归因分析。第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）多模式集合平均的分析结果显示，温室气体强迫下，中亚地区极端高温的增加趋势在0.18℃/10年-0.39℃/10年之间，表明人类活动对观测到的极端温度增加趋势做出了重大贡献，自然外强迫和温室气体之外的人类活动强迫对极端高温的变化没有显著的影响。同时，本研究基于CNRM-CM5模型，对比了系统内部变率和模式误差对结果不确定性的影响。分析结果显示，中亚地区极端高温变化趋势估计结果的不确定性主要来自内部变率，不同模式误差对结果不确定性的影响较小。总的来说，本研究探究了人类活动和自然变率对中亚极端高温长期变化趋势的相对贡献，结果显示人为强迫是诱发极端高温变化的主要原因。
(5)中亚高温所致生产力损失及未来情景预估-集成分析了迄今最广泛的全球范围内的4363份网络在线调查文件数据，计算了2016年夏季极端高温导致的包括中亚在内的世界各个地区的生产力损失，并基于CMIP5未来气候变化情景模拟结果，预估了未来高温导致生产力损失的区域性差异。结果显示，2016年夏季高温导致的生产力损失，发展中国家的平均值达6.6天，发达国家平均值3.5天;生产力损失和人均国内生产总值(GDPPC)有显著的负相关关系，表明国家的发展水平与热致生产力损失成反比。中亚由于生态环境脆弱，对热浪的适应能力较弱，是受高温影响较大的区域，平均生产力损失达10.7天。基于未来情景模拟数据，预估了未来热致生产力损失，结果显示:全球变暖达1.5，2，3，4℃的水平时，发达国家和发展中国家的热致生产力损失将分别达到9和19，12和31，22和61，33和94天，表明热致生产力损失将随全球变暖而增大，且发展中地区热致生产力损失的增加幅度更剧烈。受高温影响最严重的发展中国家，例如东南亚等地，其在全球变暖1.5℃时的热致生产力损失，已经达到了发达国家在在全球变暖4℃时才能达到的损失水平。结果表明，随着全球变暖，发展中国家面临的生产力损失风险更为严峻。这些结果有助于为各地适应和减缓气候变化的有关决策提供科学参考依据。
(1)热浪气候变化事实-基于一套目前中亚地区包含台站数量最多的均一化的长期观测资料，探究了中亚地区近百年热浪的时空变化特征。近百年(1917-2016)中亚地区热浪的强度、频次和持续时间均呈现显著增加趋势;近五十年(1967-2016)增加速率明显加快，热浪次数的增加速率由0.11次/10年(1917-2016)增至0.21次/10年(1967-2016);自1960s至今，热浪发生次数增加了1.3倍。此外，统计分析显示，热浪次数和持续时间在1990s中期发生跃变，相应地一个类似丝绸之路遥相关的波列也在1997年前后发生跃变。对比分析了1990s前后中亚地区热浪的变化特征，结果显示，1990s以来中亚热浪的强度、频次和持续时间的均值与年际变率都明显增加，热浪事件变得更加“极端”。空间分析的结果显示，近五十年，整个中亚地区平均的夏季最高温度达31.5℃，西部高于东部。80％台站夏季最高温度呈现显著增高趋势，增温速率西南极端干旱地区高于东部高海拔地区。随着温度的增高，中亚大部分台站热浪的强度、频次和持续时间均呈现显著增加趋势，增加速率呈现西南高，东部低，空间分布与最高温度的空间分布基本一致。这在一定程度上说明，平均气候变暖是造成该区域热浪趋频趋强的主要背景原因。
(2)热浪演变机制-通过与观测资料对比，优选了一套能够表征中亚地区1979-2016最高温度及热浪变化的再分析资料，并基于此分析了中亚地区热浪对应的大气环流特征。NCEP/NCAR与ERA-Interim两套再分析资料在表征中亚地区最高温度区域平均值时均存在不同程度的低估，原因之一是再分析资料所代表的格点海拔平均而言高于站点海拔。相比NCEP/NCAR，ERA-Interim能够更好地表征中亚地区最高温度、热浪强度、频次和持续时间的变化趋势及其空间分布。基于ERA-Interim分析了中亚热浪发生时对应的大气环流特征。结果显示，中亚地区热浪的发生伴随其西北部上空500hPa高度场的正异常，850hPa水平风场呈现反气旋异常。一方面反气旋带来空气下沉运动，绝热增温，另一方面反气旋造成云量的减少，增加了地表入射的太阳辐射，加热地面产生高温。上述地区500hPa高度场异常是中高纬一个正负相间的绕球波列的组成部分。该波列类似前人研究指出的丝绸之路波列，在1997年前后发生跃变，上述500hPa正异常显著增强，构成同期中亚一带热浪迅速增强的大气环流演变背景。
(3)欧亚大陆热浪变化特征的区域性对比分析-由于全球的不均匀增暖，热浪的变化特征存在明显区域性差异。研究表明，高温高湿的湿热浪比单纯的干热浪更加危险。为更好地理解中亚热浪变化的区域性特征，本文以湿热浪为切入点，系统分析了欧亚大陆各地湿热浪事件变化特征及其区域性差异。首先基于ERA-Interim资料，分析了1979-2016年欧亚大陆7个典型区域湿热浪的时空变化特征。结果显示，欧亚大陆大部分地区湿热浪的频次和强度呈显著增加趋势，增速最大的地区在南亚，频次和强度的增加速率分别为0.76次/10年和0.27℃/10年。在某些强湿热浪事件中，湿球温度接近31℃。在整个欧亚大陆地区，对比相对湿度，气温对湿球温度的贡献更大。中亚等干旱地区对相对湿度变化的响应比湿润地区更加敏感。在干旱区相对湿度增长1单位可以使湿球温度增加0.2单位;而在湿润地区，相对湿度增加1单位可导致湿球温度增长0.1单位。1979-2016年，湿球温度在大部分地区呈现显著增加趋势，但温度和湿度的变化存在明显的区域性差异。当湿热浪发生时，在欧洲、地中海北部、俄罗斯东部以及青藏高原部分地区，温度和湿度的协同作用导致热浪强度升高;而在印度及中亚部分地区，湿度的增长是湿热浪强度增加的主要原因;在俄罗斯和东亚的部分地区，温度的增长是湿热浪强度增加的主要原因，这些地区的湿热浪趋于变得更热而干燥。
(4)中亚极端高温气候变化的归因-基于一个新的检测归因方法(Ribes et al.，2017，https://doi.org/10.1007/s00382-016-3079-6)，对中亚地区1965-2005年间极端高温的长期变化趋势进行了归因分析。第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）多模式集合平均的分析结果显示，温室气体强迫下，中亚地区极端高温的增加趋势在0.18℃/10年-0.39℃/10年之间，表明人类活动对观测到的极端温度增加趋势做出了重大贡献，自然外强迫和温室气体之外的人类活动强迫对极端高温的变化没有显著的影响。同时，本研究基于CNRM-CM5模型，对比了系统内部变率和模式误差对结果不确定性的影响。分析结果显示，中亚地区极端高温变化趋势估计结果的不确定性主要来自内部变率，不同模式误差对结果不确定性的影响较小。总的来说，本研究探究了人类活动和自然变率对中亚极端高温长期变化趋势的相对贡献，结果显示人为强迫是诱发极端高温变化的主要原因。
(5)中亚高温所致生产力损失及未来情景预估-集成分析了迄今最广泛的全球范围内的4363份网络在线调查文件数据，计算了2016年夏季极端高温导致的包括中亚在内的世界各个地区的生产力损失，并基于CMIP5未来气候变化情景模拟结果，预估了未来高温导致生产力损失的区域性差异。结果显示，2016年夏季高温导致的生产力损失，发展中国家的平均值达6.6天，发达国家平均值3.5天;生产力损失和人均国内生产总值(GDPPC)有显著的负相关关系，表明国家的发展水平与热致生产力损失成反比。中亚由于生态环境脆弱，对热浪的适应能力较弱，是受高温影响较大的区域，平均生产力损失达10.7天。基于未来情景模拟数据，预估了未来热致生产力损失，结果显示:全球变暖达1.5，2，3，4℃的水平时，发达国家和发展中国家的热致生产力损失将分别达到9和19，12和31，22和61，33和94天，表明热致生产力损失将随全球变暖而增大，且发展中地区热致生产力损失的增加幅度更剧烈。受高温影响最严重的发展中国家，例如东南亚等地，其在全球变暖1.5℃时的热致生产力损失，已经达到了发达国家在在全球变暖4℃时才能达到的损失水平。结果表明，随着全球变暖，发展中国家面临的生产力损失风险更为严峻。这些结果有助于为各地适应和减缓气候变化的有关决策提供科学参考依据。