极端天气、降水变率、检测归因……专家带你解读气候变化
第26届联合国气候变化大会正在英国召开（点击看看会上要干啥）。本届气候变化大会的主题是“气候变化无国界”，很好地概括了气候变化与每一个人的关系。今年，由于各种极端天气事件，大家对气候变化的关注越来越多：
有人觉得下雨越来越频繁，有人说西北那边多下点雨是好事，有人担忧极端天气频发，有人好奇年中公布的IPCC报告，有人疑惑气候变化跟人类有什么关系……
为了探寻这些问题的答案，大院er请教了中国科学院大气物理研究所的周天军研究员。
专家介绍
周天军
国家杰出青年科学基金获得者，入选国家百千万人才工程，现任中国科学院大气物理研究所副所长，主要从事气候动力学和气候数值模拟研究，是政府间气候变化专门委员会（IPCC) 第一工作组第五次和第六次科学评估报告主要作者，科睿唯安地学领域全球高被引科学家。
（以下文字根据专访内容整理）
下雨越来越多？其实背后是“降水变率”在改变
科学大院：
我们主观感受是降水越来越多了，事实上确实如此吗？
周天军：对这个问题的回答要依赖于长期的资料，中国气象局每年会发布《中国气候变化蓝皮书》，2021年的蓝皮书统计了过去50多年中国降水长期变化的趋势，结论非常明显：从长期的年平均来看，中国的降水增加了大概5个毫米，就全国平均降水的水平而言，降水增加的信号非常显著。
科学大院：
如何来判断降水是否异常？
周天军：降水异常的话是相对于正常来说的。所谓“异常”又称“距平”(anomaly)，是相对气候平均值来说的，需要一个气候基准期，《中国气候变化蓝皮书（2021）》 使用的是1981 ～ 2010 年气候基准期。如果某一年或者某个时间段的降水相对于气候基准期的变化在统计上是显著的，我们就可以说出现“异常”。
1961～2020年中国平均年降水量距平
（图片来源：《中国气候变化蓝皮书（2021）》）
降水异常可以通过三个要素来体现：第一是总降水量的增减，第二个是极端降水（比如说大暴雨）的增减，这是传统的两个；第三个是“变率”，变率指的是不同时间段上的变化，可以理解为波动，也可以理解成“多变性”，如果波动越来越频繁，那么也是一种异常。
科学大院：
降水变率是什么？它如何计算出来的？
周天军：降水变率是一个学术用语，可以用波动性来理解。具体表现为各种时间尺度上的降水波动，包括逐日到逐日、逐月到逐月、季节到季节，年到年，如果资料允许还可以计算几十年的波动。
在计算降水变率的时候，我们利用数据把气候态（一种长期、平均的状态）去除掉，然后算“抖动”（标准差）的变化，也就是说，我们扣除平均态，用“剩下”的部分来表征“变率”。
暴雨一年下一次和一个礼拜下一次，它的变率是不一样的，后者的波动性显然更强。比如近年来，全国的许多地方夏季的暴雨三天两头来一场，我们会感觉暴雨比以往更频繁了，这就是变率的变化。
变率的幅度越大，它对社会的影响就越大。人类社会和生态系统能适应一定范围内的降水波动；但降水变率增大，就有可能超出了原有的适应能力，从而对民生和社会经济发展造成影响和损失。
科学大院：
降水变率对社会生活影响很大，但是之前很少听说这个词，这是为什么？
周天军：科学界对许多气候变化现象的认识，是逐步深入的。最早我们关注平均态的变化，比如暖了多少、降水增加了多少；后来我们发现，极端气候的影响很大，所以开始关注极端冷暖、极端旱涝；最近五、六年，国际上开始关注到变率本身的变化，也就是变化的频率和幅度，因为它影响着气候变化的许多方面。
科学界在过去的五年中，围绕这方面有许多显著进步。8月份公布的IPCC第六次评估报告在科学基础部分评估了全球许多气候要素的变率，特别指出温度的变率在全球许多地区也是在增强的。
所以说，变率这个现象从科学发现的角度是新的，但实际上它一直客观存在，随着认识的加深，我们对它更为重视。
科学大院：
我们能预测降水变率的走势吗？
周天军：我更愿意用“预估”这个词。在气候研究里我们经常用到三个词：
第一个词叫“预报”，能预报未来几天到一个礼拜左右的状况，比如常见的天气预报。
第二个词叫“预测”，比如说今年预测明年汛期长江流域多雨还是少雨。
以上两种情况都是基于一个初值，换句话说可以预报（预测）得很准。
第三个词叫“预估”，预估是依赖于情景的，取决于未来几十年到上百年我们社会经济发展的路径，到底会排放多少二氧化碳和气溶胶？我们根据这些情景，利用气候模式来预估。
根据中科院大气物理研究所的研究工作，利用当前的气候模式预估，在未来的气温变暖背景之下，全球降水的变率会增强。具体说来，全球平均温度每升高1℃，变率增加的幅度大概是5%左右，而且在全球的分布不是均匀的，有空间分布的差异。（相关研究工作→ “一天下完一年的雨”？）
气候变暖背景下全球降水的变化类型，大部分地球由蓝色主导，即总降水增多、降水变率增强
（图片来源：Increasing precipitation variability on daily-to-multiyear timescales in a warmer world. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abf8021.）
全球总体来说，气候态湿润区降水变率将随全球变暖而增强。
全球约有2/3的陆地地区未来会变湿，降水变率增大，特征是“更湿更多变”；另外还有全球约16%的陆地地区，未来会变干，降水变率增大，特征是“变干更多变”。但最为重要的是，约有2/3的地区将会“更湿更多变”，这是一个非常重要的结论。
以上说的2/3的区域包括季风区，中国东部是全球季风区里边非常重要的一部分，那么中国大部分地区面临的降水变率是增强的。
科学大院：
降水变率的增大就意味着降水变多吗？
周天军：二者没有必然的联系，也没有因果上的联系。降水总量变化和降水变率变化是两回事，降水变率关注的是降水在时间上的分配。
就像研究工作所指出的，全球有2/3的地区降水增加的同时，变率是在增加的；也有一些地区变干了，降水变率也在增加，所以你可以看到二者没有因果关系。但大部分地区就是“变湿”同时“波动性”又变强。这意味着降水在干湿时期的波动将更为剧烈，未来可能面临着更加频繁的旱涝灾害。
7.科学大院：
降水变率增大的原因是什么呢？
周天军：降水变率增大的原因我们称为物理机制，具体来说有三种过程：
1.随着全球增暖，大气的持水量会增加，有利于降水变率的增加，这种变化在全球发生，分布比较均匀。
2.第二个因素是环流的变化，环流变化总体来说是不利于降水变率的增强的，它会抵消第一个因子的作用。
3.第三个因子是一、二因子共同的作用，我们称之为“非线性”。
这三个过程叠加使得降水变率的变化在全球是不均匀的，有的地区多，有的地区少，但是大约2/3陆地地区以“增多”和更“多变”为主。降水变率增大也是极端天气更为频繁出现的一个指征。
极端天气频发，真的跟人类脱不了干系
科学大院：
极端天气变多的原因是什么？
周天军：IPCC第六次评估报告里边有一个主要的结论：在资料允许的地区之内，极端降水等事件的频率和强度都是在增加的，而且这种增加主要是由人类活动引起的。这句话的背后它的科学依据我们叫检测归因，英文叫detection and attribution。
（图片来源：网络）
具体研究的时候分三个步骤：
1.需要有足够的观测资料，基于观测资料揭示了所关注的极端事件是在变化、在增多。
2. 需要有气候模式，在高性能计算机上利用气候模式来做试验。试验分两组，一组把人类活动（比如说人为排放的温室气体）的因素加上去，另外一组不加，然后对二者进行比较。
3. 比较观测资料和模式计算的结果。利用一种称作“最优指纹法”的统计技术，寻找模式结果和观测资料的相似度。如果只有考虑了人类活动以后的模拟结果才与观测到的极端事件变化一致，并且在统计上是显著的，就可以说极端天气增多是由于人类活动引起的。
需要强调的是，由于极端降水的观测资料限制、物理过程复杂、且受到气候系统内部变率影响较大，关于“极端降水增加”、“气候变化/人类活动的影响”这类说法，需要明确所指的空间范围和尺度，以及结论的信度，这也是IPCC评估报告所强调的。
科学大院：
我们经常听到的“碳排放造成了全球变暖”，这结论是怎样得到的？
周天军：包括二氧化碳在内的温室气体排放，是导致工业革命以来全球气温增长的一个主要驱动因子，这一结论也是基于气候变化的检测归因来得到的。
根据上面所提到的三个研究步骤，借助统计技术，我们就可以度量观测结果里有多少升温是由二氧化碳贡献引起的。
IPCC报告指出，从1850–1900年到2010–2019年，总的人为全球表面温度增加的可能范围是0.8℃~1.3℃, 最佳估计值是1.07℃。各种因素可能的贡献分量是：
充分混合的温室气体贡献了1.0℃~2.0℃的增暖, 其它人为驱动因子（主要是气溶胶）贡献的变化幅度是-0.8℃~0.0℃, 自然因子贡献的变化是–0.1℃~0.1℃，内部变率的贡献是–0.2℃~0.2℃。所以IPCC得出了“人为温室气体排放，是导致工业革命以来全球变暖的主要原因”这条结论。
科学大院：
温室气体不止二氧化碳一种，其他气体作用如何？
周天军：气候变化研究中所关注的温室气体（也就是人为驱动因子）是包括许多方面的，不单独是二氧化碳。
二氧化碳是长寿命的温室气体，此外还有甲烷、一氧化二氮等都属于温室气体。还有一些短寿命的强迫因子，比如说气溶胶，例如致冷的硫酸盐气溶胶等等，这些因素研究者都会考虑，不单单是考虑二氧化碳。
科学大院：
有些观点认为“降水变多、气候变暖是好事，中国西北可以重回汉唐”，您对这种观点怎么看？
周天军：“重回汉唐”只是一个美好的意愿。
首先，基于观测资料，西北变湿是事实，但是这改变不了西北干旱缺雨的气候格局。实际上在过去50多年中，西北地区降雨量增加最多的地方也不过每十年增加约10毫米，以新疆为例，年平均降水量在平原地区大概是50毫米，50毫米再加上这点增量，改变不了格局。
另外我们在关注平均态降水增加的同时，还关注着其他一些要素的变化，比如说极端事件。这两年发生的一些破纪录的大暴雨就是极端事件，伴随着气候增暖，这种破纪录的暴雨发生的频率和强度都在增加。所以，在降水增加的同时，我们也要看到，对人类影响很大的极端事件也会增加，要综合考虑它们的影响。
科学大院：
也有观点认为，“历史上地球冷暖变迁是常事，目前全球变暖跟人类没关系”，您怎么看这种观点？
周天军：我们强调气候变化的时候，首先一定要明确它的时间尺度。
从事实上来讲，变是绝对的，不变是相对的。在地球整个46亿年的历史里，气候都是在变化的，不变的情况只存在于相对很短的时期之内。
为什么要强调时间尺度？原因就在于不同的尺度上驱动因子不一样：在亿年的时间尺度上，板块的运动，沧海桑田，会引起很大的气候变化；在万年到10万年的尺度上，地球绕着太阳运转的轨道，它的变化也会引起冰期-间冰期的旋回；第三个尺度是工业革命以来（1850年以来）。
我们现在谈气候变化，包括IPCC报告的许多内容，主要指的这个尺度。在这个尺度上，地球板块的运动、地球轨道参数变化都不是特别显著。所以，最近100多年的气候变化的主要原因是工业革命以来化石燃料的燃烧、化石燃料的开发，使人为向大气中排放的二氧化碳等温室气体增加。
（图片来源：veer图库）
三种时间尺度，气候变化的驱动因子是不一样的。工业革命以来主要是人类活动的影响，在这个时段自然因子也有作用，但是相对于人类活动的影响没那么大。
科学大院：
我们经常听到控温1.5℃和2℃目标，在这两种升温程度下，全球的气候到底会有什么区别？
周天军：1.5℃和2℃是“联合国气候变化框架公约”（UNFCCC）缔约方共同签署的《巴黎协定》设定的应对气候变化温升控制的政治目标。《巴黎协定》明确提出，到本世纪末，要把全球平均气温较工业化革命前的升温控制在2℃以内，并为把升温控制在1.5℃以内而努力。最早的设定是2℃，后来考虑到对岛屿国家的影响，经过数次的谈判，最终把1.5℃也纳入目标。
1.5℃和2℃，只差0.5℃，那么这0.5℃到底能够在多大程度上避免气候变化的不利影响？科学界在这方面有许多评估。
全球气温每升高0.5℃都会造成极端高温、极端降水和部分地区极端干旱事件频率增多、强度增大。比如当全球增温2℃时，极端高温更容易超过农作物生长和人体健康的临界阈值。而如果控制全球增暖在1.5 ℃以内，可以将东亚地区极端高温的增幅减少35%~46%，其中减少最明显的区域是蒙古地区（37%~49%）。
科学大院：
如果减少碳排放，是否真的能够实现这个目标？
周天军：在国际上有一个科学计划叫CMIP（耦合模式比较计划），它会根据温室气体、气溶胶等因子的排放情景，用模式预估未来的变化，这是IPCC评估报告的一个基础。在IPCC第六次评估报告里边，给出了不同的温室气体排放情景所对应的未来温度变化。
比如SSP1-1.9，SSP1-2.6两个情景：SSP1-1.9的目标就是升温的幅度控制在1.5℃，实际预估的结果发现，长期来看升温会短暂达到1.6℃，然后再回到1.5℃左右；SSP1-2.6就是把升温控制在2℃左右。
所以回到问题的本身，能不能把升温控制在1.5℃还是2℃，取决于我们所选择的社会经济的发展路径。
我刚才提到的这两个情景里边实际上都设定了碳中和的目标，大致是希望2050年前后全球净碳排放几乎接近0，所以对应的温度变化会先升后减。
（图片来源：pexel）
科学大院：
从事气候研究的研究人员，能够为“碳中和”做出什么样的贡献？
周天军：碳中和是一个很大的话题，涉及到气候变化科学、能源，工业技术等各个方面。研究气候变化的科研人员也有很多事情要做，因为限制未来气候变化的努力需要建立在可靠的科学认知的基础之上。
尽管我们知道人为温室气体排放是导致工业革命以来这100多年全球温度增长的主要原因，而且每一份的温室气体排放都会造成非常显著的气候影响，但是，在气候变化科学领域，依然有许多结论、许多事实存在着一定的不确定性，比如说整个地球系统里的碳循环的规律是怎样的？碳循环过程如何影响整个地球气候系统的温室气体敏感度？
如果大气中的二氧化碳含量升高一倍，整个表面温度到底会暖多少度？现在的估算从2℃到4.5℃不等，中间会差2.5℃左右，这就是一种不确定性，最终会关系到一个问题：在不同的升温控制范围里，到底还有多少碳可排？现在估算的空间不确定性还是很大的，要想得到确凿的答案，还依赖于气候变化的学者从事基础方面的研究。
科学大院：
IPCC成立于1988年，中国在这个国际组织中发挥了怎样的作用？
周天军：中国是最早参与国际气候变化科学评估的国家之一 。1988年，时任世界气象组织主席的原中国气象局局长邹竞蒙先生推动了IPCC的创建，并在IPCC最初的建章立制过程中发挥了重要作用。
中国科学家是IPCC评估的积极参与者和贡献者。从IPCC第一次评估到第六次评估，有上千位来自各行业的中国学者参与IPCC评估进程，人数从第一评估报告的9人（其中7人为贡献作者），上升到了第六次评估周期的60人。从IPCC第三次评估开始，中国学者丁一汇院士、秦大河院士和翟盘茂研究员，连续四个评估周期担任了IPCC第一工作组联合主席。
从这个角度来看，中国从政府到学者对于IPCC做了大量的贡献，在其中的整体影响力也有迅速提高，这跟和我们国家的科研力量的增强是相辅相成的。当然我们较之于欧美国家还是有一定差距，因为支撑评估报告的是各国基础研究的整体水平，在这方面我们还有很大的提升的空间。
科学大院：
面对越来越频繁的极端天气，我们普通人需要怎么做？
周天军：对普通人而言，一是要提高对极端天气预警的警惕与敬畏，有意识地规避可能的风险，并学习科学、有效的避灾、减灾、应对、急救措施。二是从自身出发，为温室气体减排做贡献，因为温室气体减排才是减缓气候变化的根本措施。
科学大院：
最后一个问题，气候变化问题日益严重，从事相关研究的科学家是否会有一种“无力感”？
周天军：在过去20~30多年，对于气候变化问题本身的重视程度、对于气候变化规律，我们的认识逐渐加深，进步有目共睹。“无力感”可能主要是指的是民众对这个问题的重视程度，我认为这方面的科学普及有待加强，从事基础研究的科研人员要积极参与。
现在科技部一些基础研究专项，还有中科院的科技先导专项，都明确地把科学普及做为研究工作的一个重要环节。这些举措对于推动气候变化认知水平的提高、提高全民的素质是非常有帮助的。我相信大家对气候变化问题的重视程度已经并且将继续得到提高，未来我们会有足够的能力和科学智慧来应对气候变化。
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