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气 候 系 统 变 化 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 3183 1 3 气 候 变 化 研 究 进 展 第6 卷 第5 期 2010 年9 月ADVANCES IN CLIMATE CHANGE RESEARCH Vol 6 No 5 September 2010 文章编号 1673 1719 2010 05 0313 06 气候变暖条件下水文循环 变化检测与归因研究的 几点认识 引 言 气候变量和受其影响的自然或人类环境系统是 否已经受到了外强迫的影响 这种影响是否已经超 过了内在的自然变异 一直是气候科学家 与气候 密切相关的系统或部门乃至决策者都十分关注的问 题 对于气候科学领域 通过气候模型模拟与观测 事实的对比 评价观测到的变化与期望的对外强迫 的响应是否一致 或者与其他物理上可能的解释不 一致 有助于认识气候系统内在变率与外在强迫的 相互作用 了解气候变化的机理和原因 改进气候 收稿日期 2010 01 27 修回日期 2010 03 07 资助项目 国家重点基础研究发展规划 973 计划 项目 2010CB428406 第一作者 刘春蓁 1933 女 教授级高工 主要从事气候变化对水文水资源的影响研究 E mail liucz 刘春蓁 1 夏 军2 1 水利部水利信息中心 北京 1 0 0 0 5 3 2 中国科学院地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室 北京 1 0 0 1 0 1 摘 要 气候变化检测与归因的实践指南 GPGP 综合了4 种检测归因方法 它囊括了目前研究这一因果链采用的不同 途径 自1990 年政府间气候变化专门委员会 IPCC 第一次评估报告以来 气候变化的检测与归因从气温升高和其他 系统或变量变化趋势的研究开始 经历了从全球 半球 海洋与陆地 七大洲乃至区域尺度的细化进程 人为气候变化 的指纹检测与归因方法已普遍用于全球大尺度水文循环要素 纬度带平均降水 强降水 径流 比湿 水汽含量等时 空型态变化的研究 个别地也应用到流域尺度 如以冰雪融水补给为主的河流的天然流量 积雪和最低温度变化的研究 对于以降水为主 且受人类活动干扰较大的流域 观测的水文循环要素变化的检测与归因 大多数聚焦于观测的气候要 素及非气候变量对其的影响 而不回答变化是自然的还是人为强迫引起的 这种方法要求高质量长系列的观测数据 先 进的统计检验技术以及物理基础好的水文模型 对于水文循环要素对气候变化敏感的流域 若观测数据满足要求 则采 用正规的检测与归因方法或最优指纹法识别外强迫及驱动因子的影响研究 将具有重要科学意义和发展前景 关键词 IPCC 评估报告 气候变化 水文循环 检测与归因 中图分类号 P339 P467 文献标识码 A 模型 提高气候预测的能力 对于水文水资源领域 采用物理和统计模型揭示水文循环在人为气候强迫 和多种驱动因子影响下发生的变化 变化趋势的显 著性及变化原因 是正确预估未来洪水 干旱和水 资源的科学基础 对于决策者 了解当前的气候发 生了怎样的变化和变化原因 以及何时何地以何种 方式对水文水资源产生了影响是制定与气候变化有 关的政策 采取应对措施及风险管理的重要依据 因此 气候变化的检测与归因是历次IPCC评估报告 的重要组成部分 自 IPCC第一次评估报告以来 对 这一问题的认识不断有新的发现与进展 然而 地 气 候 系 统 变 化 气 候 变 化 研 究 进 展314 2010 年 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 318 3 1 4 球气候系统的时空变化太复杂 包含了内部和外部 多种驱动因素 自然与人为强迫非线性相互作用 至目前为止 对不同时空尺度气候或受气候影响的 系统变化的检测与归因研究 无论从研究的空间范 围 覆盖的系统 变化的原因 机理以及结果可信 度等方面距离客观的真实世界都还有很大的差距 为了促进今后深入广泛的研究 统一对这一问题的 共识 IPCC第一与第二工作组于2009年9月联合召 开了 气候变化检测与归因 的专家研讨会 本文 第一作者曾应邀参加 从检测 归因的定义 评价 方法 资料与要求等方面进行了讨论 在此基础上 形成了覆盖检测与归因研究全过程的指导性文件 Good Practice Guidance Paper GPGP 1 这将有 力地推动并提高对气候变化及其影响研究领域的科 学认识水平 本文简要地回顾了IPCC 4次评估报告及其后第 一工作组关于全球变暖 第二工作组关于水文水资 源变化的检测与归因研究历程 简单介绍了GPGP 在总结其科学研究进展的基础上 提出了对气候变 暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认 识 希望能促进和深化这一领域的研究 1 IPCC 气候变化检测与归因研究历程回顾 对气候的过去 现在及未来变化的科学认识与 预测以及气候变化对相关领域和部门影响的评价是 IPCC评估报告的重要内容 自第一次评估报告至今 20年来 随着观测数据的积累 气候模型及影响模 型的改进以及模拟与分析技术的提高 对人为气候 变化及其影响的检测与归因研究 不断有新的认识 和发现 每 5 6 年更新一次的气候变化科学基础 第一工作组 及气候变化影响 第二工作组 的评 估报告充分地反映了在检测与归因研究领域的进 展 为了简明扼要地勾画出这一进程 以下分别用 表1和表2列出在IPCC 4次评估报告中两个工作组 的相关研究内容 第四次评估报告后 对全球大尺度和流域尺度 水文循环变化的检测与归因研究取得了以下进展 1 Santer等 12 采用正规的检测与归因方法 由 22个气候模式模拟了人为强迫引起20世纪对流层底 部水汽含量变化的指纹型态 以较高的信度证实水 汽含量增加趋势主要由人为温室气体排放增加引起 2 Willett等 13 利用耦合的气候模式和全球尺度 表1 IPCC 第一工作组4 次评估报告中关于全球变暖的检测与归因研究 Table 1 Detection and attribution of global warming in four assessment reports of IPCC WGI IPCC 评估报告人为强迫与驱动力研究方法关于增暖的主要结论主要进展 CO2 浓度增加地球大气能量平衡法 及大气环流模式在全 球尺度上模拟气候对 CO2 强迫的响应 近100 年全球平均陆面气温上升 了0 3 0 6 接近气候模式预 测值 与气候内在自然变率相当 增温主要由自然变率引起 或者 这种自然变率与其他人为因素一 起抵消了更大幅度人为的温室气 体增温 第一次评估报告 2 温室气体 硫化物气 溶胶及平流层臭氧 大气 海洋耦合模式对 时空响应的模拟并与 观测的时空分布比较 全球变暖空间不均衡 40 70 N 最暖 北大西洋30 N以北及周边陆 地变冷 近100 年观测到的全球平 均气温升高不像是自然变率产生的 人为强迫信号刚从自然变率中浮 现出来 对其定量估算较难 各 种证据的平衡表明人类活动对全 球气候产生的影响已显现 第二次评估报告 3 第三次评估报告 4 多种人为强迫与自然 强迫 多种大气 海洋耦合模 式模拟对不同强迫响应 的时空分布形态变化 由海气耦合模式的控制 性试验模拟几个世纪气 候内在自然变率 采用 最优指纹法增强人为气 候变化信号与自然变率 噪音的比值 近100年全球增温 0 6 0 2 很 不像 1 是自然变率产生的 对 太阳辐射变化与火山爆发的响应不 能反映近50年变暖 近50年增温可 能 66 由温室气体浓度增加产生 首次给出检测与归因的定义 气 候变化归因于人为强迫 研究包 括统计分析和多种证据的验证 并在给定的误差范围内展示观测 的变化不像完全由自然变率引 起 与期望的人为与自然强迫联 合响应一致 与其他物理上可能 的解释不一致 刘春蓁等 气候变暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认识5 期315 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 3183 1 5 IPCC 评估报告人为强迫与驱动力研究方法关于增暖的主要结论主要进展 多种人为强迫与自然 强迫 集合的多种大气 海 洋耦合模式模拟多种 强迫 贝叶斯法及滤 波技术引入最优指纹 研究 近50 年全球除了南极洲以外的6 大洲平均陆面气温升高很可能 90 由观测到的人为温室气体 浓度增加引起 对于空间尺度小 于大陆 时间尺度小于50年的变 化 由于自然变率大 外强迫影 响的检测与归因难度较大 给出了正规的检测与归因方法 即利用客观统计检验方法估算观 测中是否有不同于气候系统内部 自然变率的 对外强迫响应的证 据 这种检验不是简单的线性趋 势分析 而是利用对期望的响应 的时空分布来确认观测中对一个 或多个强迫的响应 第四次评估报告 5 表2 IPCC 第二工作组4 次评估报告中气候变暖对观测的水文水资源变化的检测与归因研究 Table 2 Detection and attribution of the influence of climate warming on observed hydrological and water resource changes in four assessment reports of IPCC WGII IPCC 评估报告人为强迫与驱动力研究方法观测到的人为强迫影响主要进展 CO2 浓度倍增基于假设的气温和降 水变化 无无第一次评估报告 6 温室气体强迫观测的长系列径流变化 与气温和降水变化进行 对比分析 观测到的降水 气温与径流变化趋 势的检测 尚未进行人为强迫影响 的归因研究 对古气候资料及代用资料以及仪 器观测资料进行水文气象长系列 变化分析 第二次评估报告 7 第三次评估报告 8 温室气体及硫化物气 溶胶强迫与自然强迫 采用统计检验方法进行 长系列观测到的径流 气温与降水变化趋势的 相关分析 近20多年来冰川后退 多年冻土层 融化 河流湖泊结冰期与开冰期变 化与区域气温升高有较高信度 80 的联系 对于天然的水文水 资源系统 大多数仅限于流域尺度 径流的增加 减少 及相应的气温 和降水增减的检测研究 研究了气候自然变率对径流时空 变化的影响 将El Nin o 北大西 洋涛动 太平洋10年涛动 季风 活动等自然变率与水文变量随时 间的变化联系起来 揭示并认识 了径流自身的年际 年代际变化 第四次评估报告 9 温室气体及硫化物气 溶胶强迫与自然强迫 采用多种大气 海洋耦 合模式模拟的集合分离 出自然与人为强迫引起 的气温变化 再分别与 系统观测到的变化建立 相关关系以及利用空间 相关分析技术研究气温 空间变化与系统观测到 的空间变化之间的一致 性 根据75项研究以90 信度给出地球 各大洲和海洋中的自然与生物系统 已经受到气候变化的影响 特别是 区域气温升高的影响 水文水资 源 冰川 积雪 冻土层变化及由 其补给的天然径流量的变化和春季 洪峰流量提前发生主要由气温升高 引起 20世纪全球尺度径流空间分 布的显著变化 高纬度径流增加 低纬度径流减少 主要归因于人为 强迫变暖 10 给出了自然或人类系统变化的检 测定义 在给定的统计意义上展 现系统变化的过程 而不提供该 变化的原因 联合归因是 首先 展现系统中的变化与区域气候变 化有关 并达到特定的信度水 平 其次 观测到的区域气候变 化可测量部分或该系统观察到的 相关变化必须归因于人为气候强 迫 并达到类似的信度水平 联 合归因的信度低于两个单独归因 中任一个步骤的信度 11 均匀格点化的陆面湿度观测数据集 揭示了人为气 候强迫是20世纪陆面比湿显著增加的主要原因 3 Zhang等 14 利用最优指纹法得到人为气候强 迫已对20世纪全球纬度带平均的降水分布型态变化 产生了可检测到影响的结论 4 Barnett等 15 采用多种人为强迫因子作用下的 两个气候模式 高分辨率水文模型及单变量检测归 因方法研究了美国西部三大流域水文变化 得到 1950 1999年期间河流流量 冬季气温及积雪的变 化趋势中60 以上是由人为强迫引起的结论 该研 究提供了一个区域尺度多变量人为气候变化检测归 因方法 续表1 气 候 变 化 研 究 进 展3162010 年 气 候 系 统 变 化 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 3183 1 6 2 气候变化检测与归因的实践指南 通过IPCC 4次评估报告人们认识到 气候变化 科学与受气候影响的地球气候系统内各分支科学间 的交流对气候变化检测与归因研究十分重要 GPGP是气候变化检测与归因研究领域不同学科交 流与沟通所取得的共识 它在很大程度上规范了这 项研究工作 GPGP具有如下3个特点 1 统一了第一工作组和第二工作组关于检测与 归因的定义 气候变化检测是 在某种给定的统计 意义上展现气候或受气候影响的系统变化的过程 而不提供该变化的原因 归因定义为 以某种给 定的信度 估算多种因子对一个变化或一个事件变 化的相对贡献的过程 观测到的变化必须能够检测 到 与过去的定义相比 强调了多种因子而不仅是 归因于人为气候变化 2 明确了引起气候系统和受气候影响的系统变 化的多种因子的含义 并给出了他们的定义 1 外 强迫 external forcing 属于气候系统以外并引起气 候系统变化的强迫 有太阳辐射 火山爆发 人为 引起大气成分变化以及土地利用 这些外强迫既可 影响气候也可影响非气候系统 还可直接影响一个 系统 而不需要通过气候调节 2 外驱动力 external driver 表示所研究的系统以外的任一强迫力 并 引起该系统变化 对于第二工作组 外驱动力是较 广泛的一组外部影响 既可包括气候 也可不包括 气候 很多自然的和人为的系统中 非气候驱动力 对系统也有显著影响 如果对温室气体强迫的响应 能够从其他的外强迫和外驱动力中分离出 则能够 估算出温室气体强迫对系统变化的贡献 3 混淆因 子 confounding factor 是一种对检测与归因研究 以及对气候预测有影响 但目前尚不能在研究设计 中很清楚考虑的强迫 例如气候和影响模型中对强 迫因子不正确或缺失的描写 模型误差及不确定性 CO2的肥效作用 没有考虑系统内的自然变异 强 迫因子与响应间的非线性相互作用等 3 从已发表的文章中综合归纳了目前4种对气 候变化的检测与归因的方法 1 对外强迫的单一步 骤归因是基于某一变量对外强迫因子响应的数值模 拟 模拟可以由一个综合模型或一系列模型完成 归因步骤包括观测到的变量的变化与自然变率引起 变化的比较 与自然变率 外强迫因子及驱动力模 拟得到的预期变化的比较 16 2 对外强迫的多步骤 归因是一个变量观测到的变化归因于气候或环境条 件的变化 以及气候或环境条件变化分别归因于外 驱动力和外强迫因子的估算 这种方法可能包含一 连串观测资料及模型应用的综合 最后一步可以采 用过程模型或统计相关模型 每一步估算都有自己 的信度水平 最后总估算的信度水平小于相关最小 步骤的信度 17 3 对外强迫的联合归因是对大量结 果的综合 可能有多个系统 展现对气候条件及其 他外驱动力变化影响的敏感性 外强迫气候变化与 综合结果之间的联系可以利用空间联系分析方法 11 4 对气候条件变化 气候变化 的归因是给出观测 到的变化归因于观测到的气候条件变化的估算 该 法建立在对气候条件变化过程的认识和该气候条件 变化对观测到的变量影响的相对重要性的基础上 18 前3种方法将观测到的影响或气候变化归因于外强 迫 如温室气体浓度增加 而第4种方法将气候作为 驱动因子 研究影响与气候间的联系 不管采用哪 种方法作者都要明确所研究的问题是归因于气候或 环境条件变化还是其他外强迫或外驱动因素的变化 对于研究结果要从使用的数据 模型 方法 混淆 因子等方面存在的问题给出可信度评价 3 对气候变暖条件下水文循环变化检测与归 因研究的几点认识 1 检测与归因是研究观测到的系统或变量是否 具有显著性 外强迫或驱动因素是否是所研究系统 观测到的变化的原因 这是一个从各种人为与自然 强迫开始到气候系统 自然与生态系统 社会经济 系统各部分对强迫响应以及他们之间相互作用的因 果链 GPGP综合的4种检测归因方法囊括了研究这 一因果链的不同途径 如果说前 3种方法适用于人 为气候强迫影响能够从其他强迫或外驱动力影响分 离出的归因研究 则后一种方法只将观测到的变化 归因于观测到的气候变化 而不涉及这个变化是自 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 3183 1 7 刘春蓁等 气候变暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认识5 期317 然的还是人为强迫引起的 每个阶段的检测与归因 反映了对特定时空尺度上因果关系的认识程度 2 随着观测数据的积累 气候模式 影响模型 模拟的改进和认知水平的提高 检测与归因的时空 尺度的分辨率不断细化 这反映在从1990年全球尺 度平均气温升高至1995 2001年半球及海洋和陆地 尺度 再到2007年六大洲陆地气温变化的检测与归 因研究 目前已扩展至南极洲 19 2007年以后至今 很多检测归因研究已发展到区域尺度 20 这些进展 反映了气候模式对自然变率的模拟能力 对不同外 强迫的描写能力 以及变量或系统对不同强迫响应 模拟能力的提高 也反映了模式分离不同强迫或驱 动因子影响能力的提高 3 目前还不能对所有气候变量的变化都检测出 人为强迫影响 因为有些变量对温室气体浓度增加 的响应不敏感 对有些变量时空变化观测的可靠性 小 气候模式对他们模拟的可靠性低 如降水和地 面气压 识别人为强迫对他们影响的能力远远低于 气温 5 另外 在小尺度上由于人为强迫信号往往被 自然变率 土地利用变化等噪音影响掩盖 气候模 式很难分离出外强迫及驱动因子的影响 目前对于 空间尺度小于大陆 时间尺度小于50年的气候变化 的检测归因难度仍很大 随着气候模式模拟精度和 分辨率的提高以及人为强迫信号的加强 未来对区 域尺度上降水变化趋势的检测与归因可能会有较大 进展 4 气候变化的最优指纹及正规的检测与归因方 法已普遍应用于全球大尺度水文循环要素 比湿 水汽含量 降水和径流时空型态变化研究 20 最近 在流域尺度 以冰雪融水补给为主的河流 其天然 流量 积雪和最低气温变化的检测与归因研究中出 现了多变量人为气候变化的检测与归因研究方法 5 对于以降水补给为主 且受人类活动干扰大 的流域 由于土地利用变化 城市化 水库调度运 用 消耗水量 以及水文要素的自然变率等多种驱 动因子影响 人为强迫信号的检测与归因研究难度 较大 目前大多数流域尺度水文循环要素变化的检 测与归因研究主要聚焦于观测到的降水 气温等气 候要素变化以及实测的各种用水量变化对观测径流 的直接影响 而不回答变化是自然的还是人为强迫 引起的 对于这种研究 足够长的高质量的气候与 非气候观测数据 先进的统计检验技术及物理基础 好的水文模型 对于因果关系过程的科学认识和解 读是至关重要的 6 随着区域气候模式的改进 多种观测数据的 积累 对气候系统内在自然变率与各种人为 自然 的强迫相互作用认识的提高 以及决策者为了应对 自然 人为 环境等压力对更多信息需求的增加 建 立在气候模式基础上的人为强迫或驱动因素的指纹 检测与归因方法在影响研究领域将有更大进展 在 观测资料条件好 水文变量对人为强迫敏感的地区 采用人为强迫时空型态变化的指纹识别方法对水文 循环要素变化进行检测与归因 将是一项有意义的 探索性研究 参考文献 1 IPCC Meeting report of the IPCC expert meeting on detection and attribution related to anthropogenic climate change R Bern IPCC WGI Technical Support Unit University of Bern 2010 55 IPCC Climate change 1990 the IPCC scientific assessment M Combridge UK Cambridge University Press 1990 IPCC Climate change 1995 the science of climate change Contribution of working group I to the second assessment report of IPCC M Cambridge UK Cambridge University Press 1996 IPCC Climate change 2001 the scientific basis Contribution of working group I to the third assessment report of IPCC M Combridge UK Cambridge University Press 2001 IPCC Climate change 2007 the physical science basis Contribution of working group I to the fourth assessment report of IPCC M Combridge UK Cambridge University Press 2007 IPCC Climate change 1990 the IPCC impact assessment M Canberra Australian Government Publishing Service 1990 IPCC Climate change 1995 impacts adaptations and mitigation of climate change scientific technical analyses Contribution of working group II to the second assessment report of IPCC M Cambridge UK Cambridge University Press 1995 IPCC Climate change 2001 impacts adaptation and vulnerability Contribution of working group II to the third assessment report of IPCC M Cambridge UK Cambridge University Press 2001 IPCC Climate change 2007 impacts adaptation and vulnerability Contribution of working group II to the fourth assessment report of IPCC M Cambridge UK Cambridge University Press 2007 Milly P C D Dunne K A Vecchia A V Global pattern of trends in streamflow and water availability in a changing climate J Nature 2005 2 3 4 5 6 7 10 8 9 气 候 系 统 变 化 Adv Clim Change Res 2010 6 5 313 3183 1 8 气 候 变 化 研 究 进 展3182010 年 Some Points of View on Detection and Attribution of Observed Changes in Hydrological Cycle Under Global Warming Liu Chunzhen1 Xia Jun2 1 Water Resources Information Center Ministry of Water Resources Beijing 100053 China 2 Key Laboratory of Water Cycle climate change hydrological cycle detection and attribution 12 13 14 15 16 17 18 19 438 7066 347 350 Rosenzweig C Karoly D Vicarelli M et al Attributing physical and biological impacts to anthropogenic climate change J Nature 2008 453 353 358 Santer B D Mears C Wentz F J et al Identification of human induced changes in atmospheric moisture content J PNAS 2007 104 39 15248 15253 doi 10 1073 pnas 0702872104 Willett K M Gillett N P Jones P D et al Attribution of observed