科普:北方的夏天为什么这么热?

近年来北方地区极端高温事件频发,这背后的原因是什么?最近,来自英国雷丁大学的董步文博士与中国科学院大气物理研究所陈卫、陆日宇等人,分析了北方极端高温事件发生的规律,讨论了气候自然变率和人类活动的影响对该地区的气候变化贡献大小,并对未来变化趋势做出预测。本版特约研究者撰文向读者介绍。

东北亚近二十年升温事件频发

我国北方夏季的极端高温天气并不是孤立的存在,而是在近二十年来整个东北亚地区平均气温显著增暖的背景下产生的。东北亚地区包括我国北方地区、朝鲜半岛、日本以及俄罗斯远东地区。这一地区虽地处中高纬,但作为全球气候变化的敏感区,受到气候自然变率和人类活动的共同作用,近年来气候复杂多变,极端气候事件频发。

自20世纪90年代中期以来,东北亚地区夏季气温发生了年代际的增暖。90年代中期至今近二十年的平均气温,比之前三四十年的平均气温升高了约1.2℃。这一变化的幅度看起来似乎不大,但在气候变化研究中,一般来说十年以上的年代际变化应当远小于年与年之间的年际变化。而东北亚地区夏季气温的这一年代际变化的幅度,甚至超过该地区年与年之间的变化(0.7℃)。在这种温暖的气候背景下发生极端高温事件,可谓“火中送炭”,将发生更严重的高温天气。

衡量极端温度事件的指标包括日最高气温、日最低气温、最热白天温度、最暖夜间温度、炎热白天数、热带夜天数等。这些指标越高,表征了极端高温事件越频发。其中最热白天温度高,炎热白天数多,这表示白天的极端高温事件,往往伴随着白天晴热少云,太阳辐射光照很强,体感高温炙烤。而最暖夜间温度高,热带夜天数多,则表示夜间的高温事件,往往空气湿度大,体感闷热。而当日最高气温和日最低气温同时升高,炎热的白天和闷热的夜晚将同时发生。

近二十年来,包括我国东北和华北在内的东北亚地区的日最高气温和最低气温都有显著升高,导致炎热白天数增加了约14天,热带夜天数增加了约6天。这表明,与90年代中期以前的三四十年相比,现在这一时期每年中最热的天数增加2周左右,而夜晚也同样炎热的天数增加了一周左右。此外,每年最热白天和最热夜间的气温也都较之前增加了约2℃。这些数据表明,不仅夏季平均气温升高,而且极端高温事件也频发。表现为高温时间持续时间更长,高温的幅度也更大,我们正经历着较之前时期更为炎热而漫长的夏天。

七成多“天灾”,二成多“人祸”?

近二十年来东北亚地区夏季气温产生如此显著的增暖,这让我们联想到全球变暖的大气候背景。而人类活动引起的温室气体排放、气溶胶排放是全球变暖的重要因子。那么人类活动是否也对东北亚地区极端高温事件有影响呢?气候归因研究为回答这一问题提供了有力的工具。

气候归因研究是回答“气候变化在多大程度上是由人类活动引起的”这一科学问题的重要基础。目前全球气温变化的归因分析,主要是将全球气温归因为人为外部强迫、自然强迫和气候内部变率等部分,其中人为外部强迫主要包括温室气体和气溶胶辐射强迫等,自然强迫主要包括火山活动、太阳活动等。比较普遍的研究方法,是在数值模式中加入自然因子的影响和人类活动的影响后模拟气候变化。

对于20世纪的气候变化归因研究指出,综合考虑自然因子、人类活动及内部变率的共同影响的情况下,数值模式能够相当成功地模拟出20世纪的增暖,而仅仅考虑自然因素的模式,则没能模拟出近几十年来的气温升高。因此,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的第五次评估报告就指出,温室气体排放以及其他人为驱动因子,已成为自20世纪中期以来气候变暖的主要原因。

20世纪90年代中期之后,气候自然变率在海温的变化上,主要表现为大西洋年代际振荡(AMO)暖位相和太平洋年代际振荡(PDO)冷位相。二者相结合使得北半球中高纬海洋有显著的增温。人类活动引起的温室气体排放增强,包括CO2增加11%,CH4增加18%,N2O增加6%。人类活动引起的气溶胶主要是二氧化硫排放的变化则存在区域性:欧洲和北美地区减少而亚洲地区增加。

在数值模式中综合考虑了上述海温以及人类活动引起的温室气体和气溶胶排放的强迫因子后,能够很好刻画出20世纪90年代中期以来,东北亚地区气温增暖和极端高温事件频发的现象。这说明,近二十年来平均气温及极端高温事件的变化,确实来自于气候自然变率和人类活动的共同作用。

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