2019年7月，西歐多國遭遇高溫熱浪，造成近900人死亡。全球變暖似乎已經帶來了越來越多、越來越嚴重的極端天氣氣候事件：熱浪、暴雨、颱風、乾旱……
氣候變化如何影響中國？是否會帶來更多的極端天氣氣候事件？對於這些問題，大部分中國公眾還沒有系統、清晰的了解。
在這次NSR論壇中，多位致力於中國氣候變化與極端事件研究的專家學者就全球變暖等氣候變化趨勢對於中國天氣、氣候的影響進行了探討。他們介紹了中國正在發生的變化，討論了當前研究中存在的問題，也對氣候變化研究如何服務社會提出了自己的觀點。
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中國的變化
陳德亮：在全球變暖背景下，中國的氣候和天氣發生了哪些變化？
嚴中偉：過去一百年來，全球變暖是一個非常清楚的事實，而中國變暖得更厲害。定量上說，一百年中全球平均變暖了不到1攝氏度，而中國變暖了1.56攝氏度左右，明顯高於全球平均。所以，全球變暖對中國的影響也更加強烈。具體來講，
在中國，熱浪在增加，暴雨在增加，毛毛雨在減少。極端熱浪和暴雨的增加意味著形成旱災和洪澇災害的氣象學因素都在增長。當然，最終是否形成災害，還與我們的預防和應對措施有關。2013年，華東地區經歷了一次持續兩個月的高溫熱浪。有研究者計算了這場熱浪給南京市帶來的經濟損失，結果是南京市全年GDP的3.4%左右。這其中既包含直接經濟損失，也包含間接經濟損失。現代社會的連接性越來越強，是一個非常複雜的系統，所以一場局部災害的影響可以通過工業產業鏈和社會網絡蔓延到整個區域和各行各業中去，造成許多級聯的間接損失。除了經濟損失，高溫也對人的身體健康造成影響，可能增加部分人群的患病和死亡風險。
楊靜：現代社會的關聯性、複雜性和人口密度都在增加，這些都提高了人類社會的脆弱性，因此，
相對過去，同樣強度的極端天氣/氣候事件對國民經濟生活可以帶來更大的損失。另一方面，這也意味著我們對極端事件的關注不能只局限於頻次、強度這些常規量，也要關注它們的時空變化的其他細節，因為這些是與下遊人類社會息息相關的。比如對於極端高溫，它發生的面積、持續時長、以及波動的振幅和周期等都是重要因素。目前，熱浪在中高緯度發生的頻次越來越高，影響面積也越來越大，我國的華北，甚至東北都開始受到影響。而且，對於人類健康，劇烈波動導致的忽冷忽熱常常比持續高溫的影響更大。熱帶氣旋也是如此。比如，對西北太平洋颱風而言，研究表示，
雖然局地颱風的生成數目在變少，但是強度卻在增加。此外，上世紀90年代以來，隨著整體海溫的升高，颱風的生成位置明顯北移，西北移路徑增多，更多颱風會在我國渤海灣和日本登陸，甚至可以影響到我國東北地區，造成北方極端降水的顯著變化。
周天軍：談氣候變化，首先需要界定所關注對象的時間尺度。例如，有觀點認為，在地球46億年的歷史中，曾經發生過許多非常劇烈的氣候變化，所以相對之下，現在全球變暖幾度沒什麼特別。這樣的數據比較本身沒有錯，但是問題在於現在和幾億年、幾百萬年前情況不同，現在有了人類社會，即使只有幾度的氣候變化，也足以嚴重影響人們正常的生產和生活。所以，在討論氣候變化問題的時候，我們首先需要明確話題的時間尺度。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）把氣候變化定義為 「可識別的（如使用統計檢驗）持續較長一段時間（典型的為幾十年或更長）的氣候狀態的變化」，在這裡氣候變化的原因可能是自然的，也可能是人為的。而《聯合國氣候變化框架公約》則將氣候變化定義為 「在可比時期內所觀測到的、在自然氣候變率之外的、直接或間接歸因於人類活動改變全球大氣成分所導致的氣候變化」。
今天我們在這裡討論氣候變化，重點關注的是工業革命以來與人類活動相關的、主要是由化石燃料燃燒排放溫室氣體所造成的氣候變化，它已經並將繼續對人類社會造成影響。歸因：變化從哪裡來？
陳德亮：接下來的問題是 「歸因」，這是目前的研究重點。孫穎老師在這方面做了很多工作，可以和我們分享一下。
孫穎：歸因研究要回答這樣一些問題：觀測到的氣候變化的原因是什麼？全球變暖是否與二氧化碳排放等人類活動有關？人類活動是否改變了極端事件的頻次、強度和發生的概率？在方法學上，歸因研究一方面依賴觀測資料，另一方面也要用到氣候模式。用氣候模式來做歸因的基本思路是，我們首先假定這些氣候模式能夠很好地模擬各種物理過程，是可以信任的，在此基礎上，我們再進行不同外強迫影響下的試驗結果分析，如太陽和火山爆發引起的自然強迫以及二氧化碳排放引起的人為強迫等，研究是否可以將觀測到的變暖歸因為不同強迫之下的響應。基於這些方法，我們的工作表明，
中國20世紀中期以來的變暖主要是由於溫室氣體排放等人類活動造成的，極端高溫事件頻率、強度的增強也確實與全球變暖有關。而其他更複雜事件的歸因會困難一些。比如降水。在之前很長時間，我們都很難在模擬中看到全球變暖對於降水的影響。但在近些年的很多工作中，隨著人類活動的信號變強，降水變化的信噪比在逐漸上升，我們已經可以看到一些人類活動對強降水事件的貢獻。按照IPCC的標準，對於某些地區的模擬結果可以達到中等信度。乾旱更加複雜，它持續時間更長、涉及因素更多、評價指標也更複雜。所以我們目前對乾旱的歸因能力還不太好。目前國內的研究主要集中在上述這幾個方面，對於颱風等其他事件的歸因還做得比較少。
季風與降水
翟盤茂：對於中國的極端降水事件，季風系統的影響很大。但是，對季風變化的歸因工作還存在不足。不少人認為季風系統的變化主要受自然因素影響，而不能歸因於人類活動的影響。這裡面牽扯到很多方面，和區域性問題、下墊面影響、氣溶膠變化、大氣環流等都有關係。季風會影響降水。所以，如果無法確認人類活動對東亞季風的影響，也就無法確認人類活動對我國東部區域降水變化的影響。
目前，不同模式給出的模擬結果都認為，氣候變暖背景下中國南方和北方的降水都應該是增加的。但實際觀測到的結果卻是，東亞季風可能是總體減弱的，所以雖然南方降水有增加，北方降水卻是減少的。如果我們不能解決季風和降水的歸因問題，就沒有辦法將氣候變化和我國極端強事件真正結合起來，氣候變化就還是停留在描述性的階段，不能令人信服地解釋我國實際的天氣與氣候。
孫穎：我也做過一些季風相關的工作。季風確實比較複雜，而且東亞季風和南亞季風也有區別。南亞夏季風降水受熱力學因子的影響比較大，而東亞夏季風降水會受到更多動力學和環流的影響。我個人的觀點是，最近幾十年中，氣候系統內部的自然變化和人類活動帶來的變化會共同影響季風系統；而隨著人類活動影響的不斷增強，在全球變暖達到一定溫升水平後，人類活動的影響將會更加凸顯，明顯影響到季風的活動。
嚴中偉：在中英氣候科學到服務夥伴關係計劃（CSSP-China）第一工作組的會議上，我們也專門討論了季風和降水的問題。我們認為一個重要的方向是，要
首先對大氣環流的異常形態進行歸因。目前的很多季風模式中，季風環流都不會到達華北，所以就看不到季風強弱對華北降水的影響。對大氣環流進行歸因之後，我們也許可以更好地對季風和降水進行歸因，也可以通過降尺度工作來提高模式的空間解析度，提高降水歸因和預估的確定性。
乾旱與洪水
陳德亮：乾旱和洪澇是更複雜的問題，在降水的基礎上，它牽涉到整個水循環，而且涉及很多下墊面上的水文學問題。我們今天也請到了一位水文方面的研究者，下面就請湯老師來談一談這方面的問題。
湯秋鴻：在乾旱相關的研究中，有一個非常重要的問題是乾旱的評價指標。前些年有許多研究認為全球乾旱水平在迅速上升，但是很多人認為存在爭議，說這些研究中所使用的評價指標都過分強調了溫度的重要性。全球變暖是一個確定的事實，所以如果把溫度作為評價乾旱的核心指標，那麼乾旱的強度和面積自然都在上升。後來有一篇 Nature 文章深入探討了該問題，指出如果我們用一個更好的、更有物理意義方法來計算蒸發，那麼評估得到的乾旱變化可能就會很小，至少比之前估算的小得多。
乾旱研究之所以如此複雜，原因之一就是乾旱指標眾多且各有優勢和局限性，目前水文界還沒有確定一個合適的指標來衡量它。洪水也很複雜，強降雨是洪水的主要誘因，但不是全部。氣候變化的影響是廣泛的，它可以提高極端降雨的強度，也可以提高海平面、引發風暴潮、改變河流地貌等。對於內陸城市，單純的極端降水就可能引起內澇；對於河流沿岸地區，洪水可能來自於上遊的強降水；而對於海濱城市，海平面、降雨、風暴潮對洪水都有貢獻。也就是說，氣候變化會對多個方面產生影響，而這些變化共同疊加，增加了災害風險。另外，從社會經濟影響角度出發，我們常常更關注特定極端事件在特定時間段裡對特定區域的影響。比如全球變暖導致春季物候提前，農作物種植日期提前，我們就會特別關注在早春季節發生的天氣事件對特定農耕區域的影響。要讓水文氣候研究服務社會經濟發展和災害防範，這一點也非常重要。
翟盤茂：我很贊同你的觀點，對於乾旱，不同指數給出的結果會很不一樣。乾旱是一個時間、空間尺度都比較大的氣候事件，如果能找出一個能夠代表乾旱的好的指數，乾旱歸因工作應該會有很大提升。另外，對於氣候變化影響（impact）的歸因存在一個問題，就是
不同學科對於各種因素的劃分不完全一致。比如在水文研究中，不少研究只歸因到局地人類用水和氣候影響兩方面，而沒有太多考慮氣候影響背後的人類活動的作用。如果只考慮局部人類活動，而不考慮大尺度人類活動的影響，比如說由二氧化碳排放造成的全球變暖大趨勢，是沒有辦法基於目前的CIMP模式結果給出可信的未來預估結果的。類似的「歸因」定義上的差異，即便是在IPCC第一工作組與第二工作組之間，也有差異，還需要協調解決。
湯秋鴻：我完全同意您的觀點。過去水文研究通常簡單地把水循環變化歸因為氣候變化和人類活動影響，認為氣候變化是自然因素, 土地利用/覆蓋變化和人類用水活動是人為因素。這樣歸因是有問題的，因為氣候變化本身包含了自然氣候波動和人為氣候變化，不全是自然因素；而土地利用/覆蓋變化和人類用水活動也受到氣候波動的影響，不全是人為因素。所以
我們現在希望發展一個新的交叉學科，叫做 「全球變化水文學」，建立一個新的、和國際接軌的研究框架。在全球變化水文學的框架裡，我們把影響水循環變化的人為因素分為幾個具體的類別：第一是人類活動導致的氣候變化；第二是人為的土地利用/覆蓋變化，比如中國植樹造林工程對當地水循環和水資源造成的影響；第三是包括灌溉、水庫調度等人類用水活動帶來的直接影響。
陳德亮：我想這是很重要的一件事，我們應該努力推動這個新框架的形成，如果它能被更多人接受，可以對國內相關學科的發展有所幫助。
西北暖溼化
翟盤茂：還有一個問題，是新疆、西藏等西北地區正在經歷的氣候暖溼化。這種現象到底和人類活動、和氣候變暖有沒有關係？這種趨勢會持續多久？最終會達到什麼程度？這都是值得回答的問題。對於這些地區來說，變暖變溼可能在某種程度上是有益的，可能為西部地區和高原地區的發展帶來新的機遇。所以這方面的研究同時具有科學價值和社會價值。
孫穎：西北暖溼化確實是需要深入研究的。這也是一個複雜的、系統性的問題，涉及溫度、水循環、大氣環流等各種因素和它們之間的相互作用。要搞清楚各個因素的貢獻到底有多大，我們的研究工作才剛剛開始。
改進氣候模式
湯秋鴻：我看到，在很多極端降水、高溫熱浪等事件的歸因工作中，都使用了一種基於模擬的方法，也就是分別對考慮和不考慮溫室氣體排放等人為影響的氣候系統進行模擬，如果考慮人為影響後模擬的某種極端事件發生概率升高了，從不考慮人為影響時的 「基本不可能發生」 變為 「可能發生」，那麼就說明人為氣候變化是該極端事件發生的原因。我覺得
目前氣候模式模擬極端事件還有較大的不確定性，調節模式參數可能改變模擬結果，從而得出不同的歸因結論。我認為氣候模擬的不確定性對極端事件歸因至關重要，可能會影響到結論的可靠性。
孫穎：這確實是現在用得比較多的一種方法，最早是英國氣象局的 Peter Stott 等人在一篇2003年的 Nature 文章中提出的。問題在於，
使用這種方法是有前提的，要假定你所使用的模式是好的，能夠比較好地模擬出實際變化。這個假定是否成立，是需要驗證的。如果這個假設不完全成立，那麼在解釋計算結果時就需要考慮這一因素。此外，還有空間尺度、時間尺度和研究變量的差異。模式對於不同時空尺度和變量的模擬能力是不同的，對比較大的區域和比較長的時間範圍進行模擬時，我們常常可以看到更明顯的人類活動的影響。所以，如何正確解釋歸因研究的計算結果其實是一個比較大的問題，需要更多深入的思考。
楊靜：您說預估和歸因工作的前提是假設我們所使用的模式是完美的，但是從研究結果來看，我們的模式常常還並不夠完美，針對極端事件而言，
目前模式有兩個比較主要的問題：一是解析度不夠，二是次網格參數化的物理方案還有很大欠缺。這是是我們專業上常說的次網格物理參數化的「尺度不適應」 問題，這就導致了歸因和預估工作中的很多不確定性。比如說，在防災減災基礎設施搭建中，我們需要設定極端降水的絕對閾值。但是現有模式對絕對閾值的模擬效果非常不好，大部分模式很難捕捉到100毫米以上的極端降水。而且，我們研究發現，即便是通過對模型的調試捕捉到了這些極端降水的總量，但是模擬中的許多物理細節很可能是不真實的。比如說，我們發現，
兩個模式都模擬出了同樣的降水，但它們在溫溼廓線、雲層的垂直分布等方面大相逕庭。那麼，如果我們用這樣的模型來做預估，由於高低雲對溫室氣體增溫的氣候反饋非常不同，預估結果也不有很大差異，這是導致預估不確定性的一個重要因素。
陳德亮：你說了很多模式本身的問題，都很有道理。我想概括起來應該是三點：解析度、次網格，以及模式對物理過程的實際把握。這其中，如何通過降尺度方法提高空間解析度，其實是與下遊的實際問題相關的。
只有把尺度降下來，能夠對一個較小的區域，比如一個城市來做預估，我們的工作才可能為實際的生產生活提供指導，實現現實價值。我有很多學生畢業以後都在瑞典的公司裡面工作，專門做降尺度方面的實際工作。
周天軍：對於降尺度研究，世界氣候研究計劃（WCRP）發起的 「國際區域氣候降尺度試驗」 計劃（CORDEX）有望發揮重要的作用，它能夠成為連接全球尺度、區域尺度和局地尺度的重要橋梁。我對區域模式的未來發展很有信心。因為
伴隨著高性能計算機的快速發展，氣候模式的解析度不斷提高，這使得我們進行區域氣候模擬的時候，已經有能力把模式的解析度從最早的50公裡尺度降到公裡尺度，這樣，原來在粗網格上需要通過「參數化」 來描述的一些關鍵物理過程，我們現在能夠通過顯式格式來計算；「參數化」 是造成剛才各位專家所說的模式偏差的重要來源，高解析度的 「對流解析」 模式不再需要這些參數化過程，模式的準確度將得到極大地提高。
服務社會
周天軍：目前，國內的
氣候變化科學研究和社會需求之間還是分離的，降尺度研究可能成為連接二者的橋梁。對於科學界來說，研究成果或者服務產品要想滿足社會需求，其實需要科學家、政府決策者、利益相關者等各方的共同參與，我們首先要知道他們需要什麼，隨後才能做出符合他們需求的有用的產品。
當前，從國際到國內，社會科學和自然科學界兩者之間也是分離的，從資助體系到學術語言體系都不一樣，二者之間平時很少交流，偶爾交流也很不順暢，這是影響氣候變化研究落地的重要因素。2011年，國際科學理事會（ICSU）、國際社會科學理事會（ISSC）、聯合國教科文組織（UNESCO）、聯合國環境署（UNEP）、聯合國大學（UNU）、Belmont Forum 和國際全球變化研究資助機構（IGFA）聯合發起 「未來地球」 計劃，致力於通過加強自然科學和社會科學的溝通與合作，尋求和推廣增強全球可持續發展能力的理念。2018年，ICSU 和 ISSC 這兩大世界科學聯合體合併成立了新的國際科學理事會（International Science Council），成為代表全球科學界包括所有社會與自然科學的最權威的國際組織。因此，隨著科技的深入發展，自然科學和社會科學的交叉融合是大勢所趨，國內的氣候變化研究應該主動適應這一潮流，自覺踐行 「未來地球計劃」 所倡導的 「協同設計、協同實施、協同推廣」 理念，更好地服務於社會。
陳德亮：確實如此，
在瑞典，科研部門和私營企業之間的聯繫是很密切的，研究者為企業提供氣候培訓和指導，而許多企業管理者也會參與科研基金的評審和科研項目的制定，這就為研究走向實際生活提供了很好的前提。
周天軍：英國牛頓基金會資助了一個
中英合作項目，就是 CSSP-China，它資助氣候研究領域的中國和英國科學家到對方國家進行交流訪問，合作開展研究。這個計劃一方面打破了國際上從事東亞氣候研究的科研團隊格局，在此之前，國際上研究東亞氣候的學者基本都是來自中日韓三國的科學家，現在英國團隊加入進來，帶來了不少新的技術和方法，從新的視角來看待東亞氣候問題。更為重要的是，這個計劃致力於推進氣候預測、預估的基礎研究成果在氣候服務領域中的運用，推動研究者與農業、林業、水文等行業的合作和在成果應用方面的有效銜接。可以說，這個項目已經影響到中國學者研究東亞氣候問題的視角和思維方式。
湯秋鴻：我曾受英國皇家學會牛頓高級學者基金資助，考察英國的洪水預警預報系統與風險管理。在考察過程中，我們了解到英國建立了很好的洪水保險制度。在英國，洪水保險業與氣候變化研究界的聯繫非常緊密，它們會評估氣候變化對自然災害的影響及可能造成的經濟損失，在洪水風險評估的基礎上為洪泛區財產和防洪基礎設施建設工程提供保險服務。
目前在我國，洪水等自然災害發生後，政府災後救助是主要的補償手段，但尚未建立完善的洪水保險制度。隨著氣候風險的增加，防災減災可能面臨越來越大的資金壓力。為了應對氣候變化和防範水旱災害，亟需推動建立國家洪水保險制度或者水文氣象災害保險制度，水文氣候研究可以為災害風險管理提供科技支撐。
周天軍：許多基礎設施建設項目都需要進行氣候風險評估。其中包括城市基礎設施建設，例如，一個城市的排水管道建設，到底應該按照可以承受多少年一遇的極端暴雨來設計，因為不同的設計標準，建設需要的成本大不一樣；也包括沿海城市的規劃，全球變暖將令海平面升高，一些特大臨海城市像上海、香港等，防浪大堤到底應該修多高等，在建設之前都應該進行氣候風險評估。還有一個例子是機場的建設，我們最近在《科學通報》英文版上撰文，討論了氣候變化對飛機起飛的影響。因為如果氣溫過高，大氣能夠提供的升力就會變小，這時候如果跑道不夠長，載貨較重的飛機就無法在現有跑道上成功起飛。西方發達國家已經報導過機場因極端高溫而大量取消航班的情況。所以，現在許多西方國家都會對機場建設中的氣候因素進行定量評估，包括氣候變暖的潛在影響，我國在這方面的工作有待加強。
孫穎：在中國，其實也有這方面的評估，但還沒有形成體系，很多都停留在地方機構，評估質量也不太清楚。
嚴中偉：在我國，大型工程的氣候風險評估其實一直都有。但是近年來，很多國際投資部門新設了強制性的要求，
要求在風險評估中考慮未來氣候變化所導致的風險。這與以往的氣候風險評估有所不同。我想我們應該呼籲有關機構制定政策，在重大工程建設過程中強制性地進行氣候變化風險評估，讓整個過程更加專業化，也能更好地發揮作用。
楊靜：除了預防性的風險評估，還有一個問題是目前我國對很多災害相關的底層數據是不了解的。比如2019年8月颱風利奇馬在浙江登陸，永嘉縣一個村莊直接被淹，死亡二十多人。相關調查發現，那個地方本身就具有很高的災害風險，其實可能並不適合有村莊存在的。所以，要應對風險，
我們不只要了解敵人，也要了解自己。所以從2019年4月開始，國家應急管理部開始進行一次全國災情風險大調研，希望能夠獲得具體到縣的真實風險底層數據，為將來的實際防災減災工作和科學研究提供基礎。
嚴中偉：在災情風險領域我們可能是缺少數據，而在大氣、海洋等領域，我們有時候會遇到雖然有數據，但是
數據不完全公開的情況。我們希望在將來，各領域相關數據能夠在允許的範圍內，儘量對公眾和研究者免費公開。
總結：氣候變化研究的願景
陳德亮：氣候系統是一個非線性系統，影響它發展運行的主要有兩個因素，一是外界給與的強迫，二是內部結構對強迫的響應和反饋。我們氣候變化研究要做的工作，其實是要得到在一系列不同外加強迫之下，氣候系統可能發展形成的不同情景（scenario），告訴大家不同人類活動，比如不同強度的二氧化碳排放，分別可能將氣候系統和人類社會引向怎樣的未來。在這些不同的未來中，有些是比較好的，有些是沒那麼好的，我們就可以據此來選擇自己的行動，從而向那些比較好的方向運行。氣候變化領域常常提到 resilience 一詞，中文的翻譯是 「恢復力」，但這個翻譯不太好，因為 resilience 的目標不是恢復到從前的狀態，而是要向我們預想中的那些比較好的未來前進。
本文為《國家科學評論》（National Science Review）Forum文章「Extreme weather and climate events in china under changing climate」的中文版本。
英文原文：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa069
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