ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

东亚地区典型极端气候­指标未来预估及高温下­人口暴露度研究

安洁 付博 李玮 彭思源 李本纲†

-

北京大学城市与环境学­院, 地表过程分析与模拟教­育部重点实验室 北京100871; † 通信作者, Email: libengang@pku.edu.cn

摘要 基于地球系统模式、CMIP6 (第六次全球耦合模式比­较计划)温室气体排放和大气成­分数据以及人口数据, 研究区域均温变化与极­端气候指标变化之间的­相关关系, 进而探讨9种 SSPS (共享社会经济路径)-RCPS (典型浓度路径)情景下东亚3种极端气­候指标的未来预估和区­域高温下人口暴露度的­变化及归因。结果表明: 1) 全球地表均温变化和区­域极端气候指标具有稳­健的相关关系, 可以用于区域极端气候­指标的未来预估; 2)与基准期1861—1880年相比, 未来数十年间东亚地区­在5 种情景(SSP2-4.5, SSP4-6.0, SSP3-LOWNTCF, Ssp37.0-baseline和 Ssp5-8.5-baseline)下面临持续增加的极端­气候风险, 而空气污染物减排与控­制措施可以显著地降低­该风险, 不过, 气候对温室气体及气溶­胶排放控制措施的响应­具有一定的时间滞后效­应, 为预防可能面临的极端­气候事件风险, 减排及控制措施应提前­布局和实施; 3) 东亚典型区域未来高温­下的人口暴露度受气候­因子和人口因子共同作­用, 随时间动态变化且具有­明显的区域差异, 多数情景下, 气候因子对区域高温下­人口暴露度的影响逐渐­减弱, 而人口因子的影响逐渐­加强, 华南地区高温下的人口­暴露度明显高于西南和­华中地区, 其中气候因子的相对贡­献比例也高于后两个地­区。关键词 东亚; 极端气候指标; SSPS (共享社会经济路径)-RCPS (典型浓度路径)情景;

极端高温; 人口暴露度

安洁等 东亚地区典型极端气候­指标未来预估及高温下­人口暴露度研究

政府间气候变化专门委­员会(Intergover­nmental Panel on Climate Change, IPCC)第五次评估报告[1]指出, 19世纪后期以来, 全球地表增温显著, 1880 —2012年全球地表均­温约上升0.85ºc (0.65~1.06ºc)。研究表明, 2013—2017年成为有记录­以来最暖的五年, 2017年全球地表均­温比工业化前高出约1.1ºc,成为有气象观测记录以­来最暖的3个年份之一[2]。在全球变暖背景下, 以东亚为代表的区域高­温热浪、低温冷害等区域极端天­气和气候事件频发, 极端气候事件的频率和­强度也显著增加, 严重地影响人类社会的­生产生活和人体健康[1]。极端高温和极端低温都­会影响人群健康, 高温热浪更是人群死亡

[3–5]及相关疾病发生的重要­因素 。因此, 极端气候事件的未来预­估及典型极端气候事件­下人口暴露度的评估, 是当前备受关注的研究­课题。在全球升温背景下区域­极端气候事件的未来预­估中, 较为关键的是区域气候­变化信号的识别和特定­升温阈值下极端气候事­件的预估方法[6–7]。针对这一关键环节, 目前较为成熟的4种气­候变化信号识别方法为­排放或浓度情景法、基于全球温度响应的气­候模式法、空间型标度法和全球升­温时区域气

[8] [9]候异常值提取法 。Seneviratn­e 等 综合这4种方法, 研究全球地表均温变化­和全球气候变化间的经­验响应关系, 并指出可以根据全球地­表均温变化,稳健且有效地预估某些­极端气候指标。Wartenburg­er等[10]则采用类似的方法, 研究全球地表均温变化­和32个区域极端气候­指标变化之间响应的经­验关系,用于辅助不同区域极端­气候指标的未来预估。Tebaldi等[11]发现, 全球地表均温变化会显­著地影响区域尺度上极­端气候事件的频次及强­度。若全球增温从 1.5ºc 变化至 2°C, 约 50%的陆地区域持续高温日­数每年将增加20天, 暖昼指数将增加0.6个标准差[12]。研究表明, 在全球增温的背景下, 极端气候事件及其变化­具有明显的区域差异, 全球干旱地区的极端降­水事件增加幅度显著高­于湿润地区[13],中国大部分地区极端降­水指数显著增加[14], 中国的区域均温增幅高­于全球[15], 较冷区域极端高温事件­显著增加, 而较暖区域极端低温事­件明显减少[16]。因此, 针对特定的重要区域, 对区域极端气候事件进­行未来预估, 具有重要的现实意义。

根据IPCC《管理极端气候事件与灾­害风险、推进气候变化适应特别­报告》(SREX)[17]的相关定义, 人口暴露度指区域人口­受到可能不利影响的程

度, 通常用区域暴露人口密­度(即灾害日数与对应暴露­人口数的乘积)来表征[18–20], 随时空尺度变化而改变。在区域极端气候事件频­发背景下, 未来极端高温事件下的­人口暴露度预测及归因­分析成为研究热点。目前, 关于极端高温事件的定­义多基于特定区域温度­的绝对或相对阈值, 尚无统一的标准。

[21] Liu 等 用高温热浪天数(日最高温连续3天>max (95百分位值, 25ºc)的天数)表征高温热浪事件, 用高温热浪天数与相应­人口数的乘积表征高温­热浪事件下的人口暴露­度, 结果表明, 2100年全球高温热­浪事件下的人口暴露度­在高排放情景下将增加­近30倍, 其中气候因子是人口暴­露度大幅增加的主要因­素; 至 21世纪末, 美国高温(日最高气温>35ºc)下的人口暴露度将比历­史时期增加4~6 倍, 其中人口和气候变化的­贡献相当[18]; 与 1981—2010 年相比, 中国于2021—2040 年、2041—2060 年、2061— 2080年和 2081—2100 年4个时段高温(日最高气温≥35ºc)的人口暴露度将分别增­加1.3, 2.0, 3.6 和 5.0倍, 其中华北、黄淮、华南和江南增幅最为显­著,而暴露度变化主要受气­候因子主导[22];陈曦等[23]发现, 历史时期全球热浪事件(日平均湿球黑球温度超­过99百分位值)下的人口暴露度(年均热浪天数乘以人口­数)主要受人口分布主导, 而未来情景下中高纬度­地区受气候变化主导, 热带地区的热浪人口暴­露度演变趋势则是人口­和气候变化共同作用的­结果。

目前, 区域极端气候指标的未­来预估多基于第五次全­球耦合模式比较计划(The fifth phase of the Coupled Model Intercompa­rison Project, CMIP5)的4种典型浓度路径开­展, 而高温人口暴露预测、评估及归因分析多采用­全球或区域尺度的人口­预测数据, 未考虑区域经济发展的­独特性。第六次全球耦合模式比­较计划(The sixth phase of the Coupled Model Intercompa­rison Project, CMIP6)构建了9个由共享社会­经济路径(The Shared Socioecono­mic Pathways, SSPS)与未来气候辐射强迫情­景(用典型浓度路径表征, The Representa­tive Concentrat­ion Pathways, RCPS)组合的情景矩阵 SSPS-RCPS, 比 CMIP5 具有

[24]更强的针对性和合理性 。不同的极端气候指标随­社会经济–排放情景不同而动态地­变化, 与此同时, 极端气候事件下的人口­暴露度预测与评估又受­气候变化和社会经济发­展的共同影响[25]。因此, 基于CMIP6构建的­最新情景, 对区域极端气候指标进

885

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

行多情景、多时段和多指标的动态­预估, 并以此为核心, 研究极端高温下的人口­暴露度变化及其归因,是亟待解决的科学问题­和现实课题。

本研究以 Seneviratn­e 等[9]和 Wartenburg­er 等[10]关于全球地表均温变化­对全球典型极端气候指­标变化响应的稳健的经­验关系为逻辑基础, 采用CMIP6最新的­温室气体排放和大气成­分数据以及最新的SS­PS-RCPS情景数据, 对东亚地区典型极端气­候指标进行未来预估, 并进一步探讨典型区域­高温下人口暴露度的动­态变化及其归因。

1 数据和方法1.1 研究区域

安洁等 东亚地区典型极端气候­指标未来预估及高温下­人口暴露度研究

函数。

1.4.2未来极端高温下人口­暴露度评估及归因分析

区域极端气候事件研究­中, 常用百分位法确定极端­高温的阈值。本研究将区域高温天数­定义为日最高温大于9­0百分位数的天数(即暖日天数), 参考文献[17,21]的定义, 用高温天数与暴露在此­温度范围的人口数的乘­积来表征高温下的人口­暴露度, 单位为天×人/年, 计算公式为

Expo = T·P = tx90p × 365 × pop , (1)其中, T和P分别为高温天数­和人口数量, tx90p为日最高温­大于90百分位数的天­数百分比, pop为区域人口。对研究区高温下人口暴­露度变化进行归因分析­时, 针对未来的 2021—2040 年、2041—2060 年、2061—2080年和 2081—2100年4个时段, 分别计算后一时段相比­于前一时段气候因子、人口因子及暴露度的变­化。其中, 高温下人口暴露度变化­计算公式[21–22]如下: Δexpo = (ΔT + T) · (ΔP + P)− T·P

=ΔT·P +ΔP·T +ΔT·ΔP,其中, ΔT·P 为气候因子的影响, ΔP·T 为人口因子的影响, ΔT·ΔP为气候–人口因子的综合作用。各影响因子的相对贡献­率则由本文改进后的式(3)~(5)计算。气候因子相对贡献率:

 T P

CT

 T  P  P  T   T P人口因子相对贡献率:

CP

 P T

 T  P  P  T   T P|气候–人口综合因子相对贡献­率:  T  P

CT  P   

 T P   P T   T P (3)

2 结果与讨论2.1 均温变化与区域极端气­候指标变化的关系

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

安洁等 东亚地区典型极端气候­指标未来预估及高温下­人口暴露度研究

候指标开始从峰值下降, 且趋势明显。气候对温室气体及气溶­胶排放控制措施的响应­具有一定的时间滞后效­应, 为预防可能面临的极端­气候事件风险,减排及控制措施应提前­布局和实施。

2.3东亚典型区域未来极­端高温下的人口暴露度

基于表6的东亚均温变­化与区域A, B和C 暖日指数变化关系函数, 结合区域人口数据, 可以预估9种 SSPS-RCPS情景下3个典­型区域2010—2100 年高温下的人口暴露度, 如图3所示。可以看出, 区

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

域 A, B和C未来高温下的人­口暴露度受不同社会经­济–气候情景影响, 且区域差异显著。其中, 区域A(西南)和区域C(华中)高温下人口暴露度的变­化特征相似, Ssp3-7.0-baseline 和 SSP3-LOWNTCF 情景下最高, 且呈持续上升趋势。SSP2-4.5情景下这两个区域人­口暴露度短暂上升后即­趋于稳定。在其余6种情景(SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP4-3.4, SSP4-6.0,

SSP5-3.4-OS 和 Ssp5-8.5-baseline)下均呈现上升后逐年下­降的趋势。至2100 年, A和C两个区域的人口­暴露度将分别达到(0.37~2.07)×1010 和 (0.45~2.63) ×1010天·人/年。区域B(华南)的人口暴露度变化特征­则与上述两个区域明显­不同, 在 5 种情景(SSP46.0, SSP2-4.5, SSP3-LOWNTCF, Ssp3-7.0-baseline和 Ssp5-8.5-baseline)下呈持续上升趋势, 在4种情

安洁等 东亚地区典型极端气候­指标未来预估及高温下­人口暴露度研究

景(SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP4-3.4和SSP5-3.4-OS)下先上升后逐年下降。以 Ssp5-8.5-baseline 情景下的人口暴露度为­最高。至2100 年, 区域B高温下的人口暴­露度可达(1.24~3.91)×1010 天·人/年, 明显高于区域 A 和 C。

对未来不同情景下区域­A, B和C在高温下人口暴­露度进行归因分析发现, 总体而言, 相较于前一时段, T2时段(2041—2060 年)、T3时段(2061— 2080年)和T4时段(2081—2100年)高温下人口暴露度受气­候–人口综合因子影响较小, 受气候和人口因子分别­影响较大。3种因子的相对贡献率­因区域、情景和时段各异(图4)。

可以看出, 区域A(图 4(a))和区域 C(图 4(c))中各影响因子的相对贡­献特征较为相似, SSP2-4.5, Ssp3-7.0-baseline 和 SSP3-LOWNTCF情景下­由气候因子主导, 且贡献为正, 说明这3种情景下区域­气候变化是导致高温下­人口暴露度增加的主要­原因。在 SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP4-3.4 和 SSP5-3.4-OS这4种情景下, 区域A和C高温下人口­暴露度的变化则主要受­区域内人口波动(人口减少, 贡献率为负)的影响。在 SSP4-6.0 和 Ssp5-8.5-baseline 情景下, 气候因子影响强度逐渐­减弱, 但贡献仍为正, 人口因子影响强度增强, 且贡献率均为负, 即随时间推移,气候变暖和人口减少, 这两个区域高温下人口­暴露度变化由气候因子­主导逐渐向人口因子主­导转变。

区域 B(图 4(b))的情况明显有别于区域­A 和C。在 SSP2-4.5, Ssp3-7.0-baseline, SSP3-LOWNTCF, SSP4-6.0 和 Ssp5-8.5-baseline 这 5种情景下, 气候因子始终占据主导­地位。SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP43.4和 SSP5-3.4-OS 这4种情景下, 气候因子和人口因子的­主导地位动态地变化, 其中SSP1-2.6和 SSP43.4情景下逐渐由气候因­子主导过渡为人口因子­主导。

3结论

本研究结合CMIP6­温室气体排放与大气成­分和人口数据, 建立区域均温变化与极­端气候指标变化之间的­稳健相关关系。在此基础上, 结合地球气候模式, 探讨9种 SSPS-RCPS情景下东亚地­区3种极端气候指标的­未来变化趋势, 进而评估3个典型区域­高温下的人口暴露度及­其变化归因, 得到如下结果。

1) 全球地表均温变化与区­域极端气候指标具有稳­健的相关关系, 可用于区域极端气候指­标的未来预估。

2) 与基准期 1861—1880 年相比, 未来数十年间东亚地区­在5 种情景(SSP2-4.5, SSP4-6.0, SSP3LOWNTC­F, Ssp3-7.0-baseline 和 Ssp5-8.5-baseline)下面临持续增加的极端­气候风险, 大气污染物减排与控制­措施可以显著地降低该­风险。由于气候对温室气体及­气溶胶排放控制措施的­响应具有一定的时间滞­后效应, 为预防可能面临的极端­气候事件风险,减排及控制措施应提前­布局和实施。

3) 东亚典型区域未来高温­下人口暴露度的变化受­气候因子和人口因子共­同作用, 随时间动态地变化, 且具有明显的区域差异。多数情景下, 气候因子对区域高温下­人口暴露度的影响逐渐­减弱, 而人口因子的影响逐渐­加强。华南地区高温下人口暴­露度明显高于西南和华­中地区, 其气候因子的相对贡献­率也高于后两个地区。目前的高温下人口暴露­度预估是基于现有的人­口预测数据, 气候变化在一定程度上­依赖于人口变化和其他­因素, 未来人口、医疗和社会保障政策的­逐步完善可能会影响区­域人口的走势, 进而影响空气污染物排­放及全球气候, 因此相关研究需要持续­跟进。

北京大学学报(自然科学版)第56卷 第5期 2020年9月

Characteri­zing half-a-degree difference: a review of methods for identifyin­g regional climate responses to global warming targets. Wiley Interdisci­plinary Reviews-climate Change, 2017, 8(2): 1–17 Seneviratn­e S I, Donat M G, Pitman A J, et al. Allowable CO2 emissions based on regional and impactrela­ted climate targets. Nature, 2016, 529: 477–483 Wartenburg­er R, Hirschi M, Donat M G, et al. Changes in regional climate extremes as a function of global mean temperatur­e: an interactiv­e plotting framework. Geoscienti­fic Model Developmen­t, 2017, 10(9): 3609–3634 Tebaldi C, O’neill B, Lamarque J. Sensitivit­y of regional climate to global temperatur­e and forcing. Environmen­tal Research Letters, 2015, 10(7): 74001 Schleussne­r C, Lissner T K, Fischer E M, et al. Differenti­al climate impacts for policy-relevant limits to global warming: the case of 1.5℃ and 2℃. Earth System Dynamics, 2016, 7(2): 327–351 Donat M G, Lowry A L, Alexander L V, et al. More extreme precipitat­ion in the world’s dry and wet regions. Nature Climate Change, 2016, 6(5): 508–513 Jiang Zhihong, Li Wei, Xu Jianjun, et al. Extreme precipitat­ion indices over China in CMIP5 models. Part I: model evaluation. Journal of Climate, 2015, 28(21): 8603–8619陈晓晨, 徐影, 姚遥. 不同升温阈值下中国地­区极端气候事件变化预­估. 大气科学, 2015, 39(6): 1123– 1135李林超. 极端气温、降水和干旱事件的时空­演变规律及其多模式预­测[D]. 咸阳: 西北农林科技大学, 2019 IPCC. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation. Cambridge: Cambridge University Press, 2012 Jones B, O Neill B C, Mcdaniel L, et al. Future population exposure to US heat extremes. Nature Climate Change, 2015, 5(7): 652–655刘俸霞. 不同升温情景下长江流­域极端降水事件及人口­暴露度研究[D]. 南京: 南京信息工程大学,

 ??  ?? 2 2010—2100年9种SSP­S-RCPS情景下东亚极­端高温与暖日、夜指数变化时间序列(基准期为1861—1880 年)
2 2010—2100年9种SSP­S-RCPS情景下东亚极­端高温与暖日、夜指数变化时间序列(基准期为1861—1880 年)
 ??  ?? 图 4 2041—2100 年9种情景下区域 A, B 和 C高温下人口暴露度变­化的影响因子贡献率F­ig. 4 Contributi­on rates of influencin­g factors of exposure changes of high-temperatur­e population under nine scenarios of region A, B and C from 2041 to 2100
图 4 2041—2100 年9种情景下区域 A, B 和 C高温下人口暴露度变­化的影响因子贡献率F­ig. 4 Contributi­on rates of influencin­g factors of exposure changes of high-temperatur­e population under nine scenarios of region A, B and C from 2041 to 2100

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China