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惊诧于华北平原将不宜居住:评《自然-通讯》的一篇论文 精选

已有 17455 次阅读 2018-8-5 10:31 |个人分类:交流篇|系统分类:观点评述| 气候变化, 华北平原, 宜居性

【转发】近日中国气象局微信公众号针对相关问题的评论(我的博客原文在后

【标题】未来致命高温热浪使华北平原不再宜居?专家有话说……

 

在全球变暖背景下,未来包括华北地区在内的整个中国区域平均气温将持续上升。但即使在高排放情景下,也并不表明未来会出现致命高温热浪而使华北平原不再宜居。 

近期发表在《自然》子刊上的研究预测,2070年至2100年中国华北平原气温将多次迈过35℃门槛,且受气候变化和农业灌溉影响,2070年至2100年,华北平原可能因为极端热浪不宜居住。 

这件事引起公众热议。是否有科学依据?国家气候中心气候变化室闫宇平主任、石英博士、陆春晖博士对此进行了回应。

 

一问:如何看待华北未来将不宜居的说法? 

华北平原长久以来是典型的温带季风区,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季温暖湿润,雨热同期,非常适宜发展农业生产,是我国重要的粮食生产基地,同时也是我国人口密度最多的区域之一。受夏季风波动影响,历史上华北平原旱涝灾害多发,旱灾更为频繁,因此华北平原也是重要的灌溉农业区。 

《自然》子刊的这篇论文强调了华北平原农田灌溉对热浪侵袭的作用,指出农田灌溉加强蒸散作用,增加空气湿度,导致以湿球温度为指标的热浪出现明显上升。 

由于湿球温度并不是国际上常用的表征高温热浪严重程度的指标,我国气象部门在发布高温预警时不采用湿球温度作为指标。 

湿球温度的日变化曲线和温度变化相似,一般是午后最高、凌晨最低,但湿球温度的日较差明显小于温度变化,这主要是因为白天随着温度升高,相对湿度随之降低,使得湿球温度的上升幅度不像温度上升那样迅速。 

《自然》子刊发表的这篇论文以湿球温度6小时滑动平均值达到35℃作为阈值,认为当湿球温度达到35℃时,人类在无保护环境中的生存时间只有6小时,对于华北平原从事农业生产的劳动者而言,由于室外活动不可避免,所以作者认为在高排放情景下,本世纪末华北平原将出现湿球温度超过35℃阈值的热浪,这一地区将在热浪侵袭中不再宜居。 

作者在论文中使用致命热浪 deadly heatwaves作为标题,引起众多媒体关注。实际上,这只是作者使用单个气候模式,采用高排放情景得出的计算结果,只能代表一种气候情景下的最坏可能性。 

对华北平原而言,湿球温度达到35℃这一阈值,即使在高排放的气候变化情景下也很难达到。 

华北平原地区夏季白天的最高气温虽然可以超过40℃,但相对湿度并不高(一般在50%以下),所以湿球温度也不高;在夏季的晚上,虽然相对湿度可以增加到80%90%,但气温一般会降低到30℃以下,所以观测到的湿球温度也不高。 

如果出现湿球温度超过35℃阈值的热浪,意味着在白天相对湿度为50%的状态下,气温必须超过47℃;在晚上相对湿度为85%的情况下,气温必须超过37.8℃。也就是说,只有当本世纪末华北平原白天和晚上的气温都比当前至少升高5℃7℃的条件下,才有可能出现湿球温度超过35℃阈值的情况,所以,出现这种极端热浪的可能性极小。 

国家气候中心对不同情景下未来气候变化的预估结果表明,未来我国年平均气温将继续升高,极端高温事件的出现概率将增加,到2025年左右,至少有50%的夏季可能会出现长时间高温热浪;在高排放情景下,到本世纪末极端高温热浪事件发生的频率将可能比目前高出5倍,这是最极端的一种可能性,即使这样也并不表明未来会出现致命高温热浪而使华北平原不再宜居。 

 

二问:农业灌溉会导致未来热浪侵袭的情况频现吗? 

不可否认,未来在不同的气候变化情景下,华北平原的平均气温将进一步升高,极端高温事件增多,这主要还是由于人为温室气体排放带来的温室效应造成的,这篇论文在本质上与之前的气候变化预估研究没有太大区别,但由于作者使用了湿球温度作为热浪指标,而灌溉对于空气湿度又有更加直接的影响,所以作者得出了灌溉显著增加热浪强度的结论。 

实际上,灌溉与热浪之间的关联及与其相关的物理机制并非如该论文描述的那样确定,当前气候模式中涉及灌溉作用的陆面模式还有待改进,因此,该论文得出的结论存在较大的不确定性。 

此外,该论文是使用高排放情景得出的华北平原不再宜居的结论,而国际社会已经于2015年底的巴黎气候变化大会上达成了《巴黎协定》,明确到21世纪末将全球温升控制在相比工业化前不超过2℃的目标,并提出为将全球温升控制在相比工业化前不超过1.5℃而努力。也就是说,高排放情景基本上只能作为一种假设情景而存在,在现实中是不可能实现的情景,论文作者基于高排放情景所得出的研究结论也就失去了现实意义。 

此外,现有的气候模式对我国华北平原地区温度升高趋势的模拟存在一定的高估现象,主要是因为华北平原地区同时也是气溶胶排放较多的区域,而气溶胶对于气候的冷却效应在现有气候模式中尚不能得到较好的模拟。 

因此,对华北平原未来气温的增加幅度、未来高温热浪事件的增加频率的预估仍需要进行量化研究,需要通过提高模式的模拟性能,以对预估结果进行修正。 

当然,虽然该论文研究结论的可靠性需要进一步评估,但该论文提出的未来热浪增加增强的判断,仍然值得我们重视。 

 

三问:华北地区未来(2070年至2100年)气候趋势如何?在不同的减排路径下,会有不同的趋势吗? 

在全球变暖背景下,未来包括华北地区在内的整个中国区域平均气温将持续上升。 

多模式集合平均的预估结果显示,相对于1986年至2005年,到21世纪末(2070年至2100年),在高、中、低三种不同的温室气体排放情景下,华北地区的年平均气温将分别增加4.6℃2.4℃1.8℃,其中,夏季平均气温分别增加4.8℃2.6℃2.3℃ 

从气候变化预估的结果看,我国华北区域的年平均气温和冬、夏两季平均气温的变化均略低于全国平均水平,这与预估的我国东北和西北地区升温较高有关。 

在不同的温室气体排放情景下,华北地区的未来气温变化趋势与中国区域平均的气温变化趋势类似,都表现出不同程度的升温趋势。其中,到2050年前,在不同温室气体排放情景下,我国华北地区气温的增温幅度和变化趋势差异较小,而2050年以后表现出不同的变化特征:在低排放情景下,2050年后华北地区气温的增加趋势不明显,且有一定的下降趋势;在中等排放情景下,2070年前华北地区的气温将持续上升,2070年后气温的增加趋势变缓;在高排放情景下,到本世纪末,华北地区气温呈一致的上升趋势。 

 

四问:气候变暖在华北升温中的贡献率为多少?如果没有气候变暖,自然变率会让华北高温频现吗? 

观测结果表明,1901年至2017年我国地表年平均气温的上升速率为每100.104℃,近百年来,我国地表年平均气温上升了1.21℃1951年至2017年,我国地表年平均气温的增温速率达到每100.24℃ 

我国华北地区升温速率高于全国平均水平,以北京为例,1901年至2017年北京观象台地表平均气温的升温速率为每100.13℃1901年以来,北京观象台地表年平均气温上升1.52℃,高于相同时段我国年平均气温的增温幅度。 

在描述全球变暖对单次极端高温事件的影响时,我们通常是指气候变暖的背景对这一类事件发生概率的影响。现有的研究表明,无论是全国地表年平均气温在最近几十年的快速增长,还是夏季高温热浪事件的频繁发生,人类活动(以温室气体的大量排放为主)引起的气候变化都是主要原因。 

国家气候中心的研究表明,1961年至2013年观测到的全国地表年平均气温上升了1.44℃,其中人类活动排放的温室气体造成的增温是1.24℃,贡献率接近90%,而其他因素如城市化、气溶胶、自然强迫等都会对温度变化趋势产生影响,但人类活动的影响占据主导地位。 

同时,国家气候中心还针对2013年夏季我国东部的持续高温热浪事件进行了研究,分析表明,和上世纪50年代相比,人类活动引起的气候变化使得这类高温热浪事件发生概率增加了60倍,并且人类排放的温室气体如果维持目前的排放量,到2025年左右,类似于2013年夏季的高温热浪事件出现概率约为50%,即每两年就会出现一次。 

综上所述,无论是地表温度的快速增加趋势,还是越来越频繁出现的高温热浪事件,以温室气体排放为主的人类活动都是主要原因,自然变率的贡献很小。这一结论在全国范围和华北地区基本都是一致的。

【以下是博客原文】

1.   背景

近日传来一项惊人的研究结果,说到2100年华北平原将不适宜人类居住。国内新闻铺天盖地,英国和澳洲等海外媒体也有报导。该项研究成果,发表于著名的自然子刊,有模型有数据,言之凿凿,让公众惶惶然。

2.   证伪很难

短期的天气预报都不一定准,用气候模式未来50-100年的的预测或者预估,不靠谱的成分更大。但是要证伪,确又是很难。

举一个例子,1958年大跃进时代,产量“放卫星”,人民日报报道亩产3万多斤,钱学森先生在中国青年报上估计的潜力是5万斤(目前小麦高产也就1000斤)。当时上海植物生理所为了证明产量的潜力,做了作物群体光合作用的实验和计算,到60年代中期,才得出产量的上限:由于资源的限制,产量最终不会随作物密植而增加。

类似地,三峡大坝建成后,长江流域出现大旱,有人质疑是水库蓄水所致。但是要证明不是,需要从水汽来源等分析判断和定量估计,虽然从气象学的角度看,大范围的干旱是与大的天气形势密切联系的。所以这是资源环境领域似是而非的东西很多,不胜枚举。

3.   事实胜于雄辩

华北平原的小麦产量,从1950年代的100、200多斤,到现在的1000多斤,灌溉、施肥和育种起到重要的作用。灌溉范围和强度是非常大的,形成了多处地下漏斗。太行山前平原,如石家庄地区,地下水位从1980年代的10多米,现在下降到60多米。山东、河南引黄灌区,范围大,黄河下游曾经长时间断流。如此大规模灌溉用水在过去几十年并未带来显著的湿热。相反,这些水分的蒸发(散),吸收了热能,应该是缓解了气候暖化。而它的水汽会随大气环流而飘散,而不是待在原地。

华北平原的谷物产量增加趋势

GrainY.jpg

华北平原的灌溉面积:

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山东位山灌区引黄灌溉:

YellowR.jpg

4.   Hindcast与Forecast

在做气候模式的时候,与预报(Forecast)相对应,还有一个向后预报(回报,Hindcast)。就是用历史预见未来。你的模型好,那么就请你对过去60年,从1960年多数地区有气象记录以来,华北平原乃至全球的气候变化的历史做一个回代检验!看你的模型能不能再现历史的气候变化,看看这么大量的灌溉是否显著提升了湿球温度?这样得出的对未来预测或预估的结果才有说服力。

5.   命运共同体

如果在这样一种CO2最高排放情景下,据说温度可以上升7.5度,华北平原已经不适合人类居住,那么其它地区也好不到哪去。有人把升温2度作为地球生态系统崩溃的阈值。可以想见,7.5度的升温,根本没有必要用现在的灌溉水平说事。2100年农业生产方式变化成什么样我们根本不知道,如同80年前不知道现在的情形一样。

6.   套路:环境-社会-政策

气候变化科学已经不是气候变化本身。它涉及到社会、经济、政策甚至国际政治等方方面面。国外有的气候变化研究小组,还特意聘请经济、政策方面的专家,把气候本身的物理过程与经济和社会影响结合起来,然后可以产生强烈的公众和政府的关注,至少可以发表在高影响因子刊物上。但是仅仅把一个非常不靠谱的情景分析,结合到重要的经济社会区域,它的社会影响并不是正面的,引起不必要的恐慌。

7.   为气候变化研究担忧

气候研究的基本手段是模式,气候预测的唯一方法是模式。模式虽复杂,但是远远赶不上气候系统本身的复杂性。我的博士导师,94岁的南京大学气候学家傅抱璞先生,给我说过两个例子,(1)黑体温度的求解(E=K*T4),因为辐射E与温度T的4次方成正比。解方程,温度会有4个根,包括虚根,但是正确的解只有一个,就是现实的温度。这么简单的模型,它的求解都会出现错误的虚根。(2)CO2的温室效应增加,气温变暖,海水蒸发加大,云量增加并阻挡阳光到达地面,产生降温效应。同时水汽本身也是温室气体。这里既有正反馈又有负反馈,在气候模式中,能够准确模拟这些交互作用,难度极大。我虽然不是做气候模式研究的,我认为,气候模式能做什么,不能做什么,是学界需要深入思考的。

1970-2015大气CO2浓度的月平均值变化趋势

AtmosphericCO2_BarrowMaunaLoaSamoaSouthPole_1970_2015_med.jpg

水汽和CO2等温室气体的吸收光谱

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大气辐射传输与温室效应示意图

Radiation2.jpg 

IPCC第五次评估报告的温度预估

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IPCC评估第五次报告,低和高(左右)两个CO2排放情景下,全球的温度(上)和降水(下)对未来预估 

Precjections1.png


 以下转自凤凰新闻:

原标题:《自然》子刊:2100年华北平原或因极端热浪变得不再宜居

当地时间7月31日,美国麻省理工学院(MIT)的一个研究小组在《自然—通讯》杂志上发布论文表示,由于气候变化和灌溉农业的发展,2070年至2100年,中国的华北平原可能因为极端热浪而变得不宜居住,而这样的热浪对户外工作者而言甚至可能带来生命危险。

《自然—通讯》于2010年首次发行,是《自然》(Nature)杂志的第17本子刊。

中国华北平原面积30万平方公里,人口约3亿-4亿,是世界上人口最多的农业地区。中国科学院的资料显示,目前华北平原四季变化明显,年均温度8-15℃,冬季寒冷干燥,夏季高温多雨,常有洪涝。春季旱情较重,是典型的灌溉农业地区。

热浪因灌溉农业而变强

该研究按照现有的温室气体排放水平,基于高分辨率区域气候模型模拟的集合进行预测,结果显示,气候变化对大规模的灌溉农业模式有直接影响,会使得热浪的强度更高。

灌溉农业是在干旱时以大水灌溉的方式保证农业生产的模式。灌溉可以冷却地表温度并滋润地面空气,但随着温度升高,灌溉系统将导致高水平的水蒸发,使得北方平原的空气非常潮湿,提高温度和湿度,从而提高热浪的强度。因此,在温室气体排放没有改变的情况下,本世纪下半叶,华北平原可能会遭遇致命热浪。而当湿球温度达到35℃时,人类在无保护的环境中只能生存6小时。研究同时表明,大面积的灌溉农业将湿球温度直接提高了0.5℃。

湿球温度(Wet-bulb temperature)是指对空气进行加湿,其相对湿度达到100%时所达到的温度。

除非二氧化碳排放得到有效遏制,否则华北平原将在2070年至2100年之间达到致命的35度湿球温度阈值,户外工作者可能在极端热浪袭击的几小时内死亡。



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