高温热浪、暴雨、洪水、干旱、林火，近年来，全球多地接连遭遇各种罕见极端天气事件，造成当地重大生命和财产损失。这些极端天气与全球变暖有无关联？未来将如何发展？近期发布的联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）《气候变化2021：自然科学基础》，涵盖了当前国际气候学界对极端事件的科学认识。
我校地理科学学院李超研究员作为贡献作者，参与了本次报告《决策者摘要》、《技术摘要》和《第十一章：气候变化下的极端天气与气候》的编写。以下是李超研究员对报告关于极端天气事件结论的总结和解读。
本次联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）气候科学报告《气候变化2021：自然科学基础》单独设立了“气候变化下的极端天气与气候”一章，是IPCC主报告首次，凸显出极端天气愈发成为全球变暖最重要威胁的事实。
相比于第五次评估报告，本次报告以更多的证据和更高的信度指出人类活动引起的气候变化已经影响了全球各个地区的极端天气与气候事件（图一）；未来任何的持续增暖都会引起愈加频繁和严重的极端事件（图二）。
此次IPCC评估报告更加注重对区域的评估，目的是为区域应对气候变化提供更具操作性的科学指导。通过把全球划分为一系列小区域，例如，除南极大陆的全球陆地部分被划分为44个小区域，进而对每个区域、大洲以及全球的历史和未来气候变化展开综合评估。
历史变化事实
报告指出，自20世纪50年代以来，全球绝大部分地区极端高温事件的频率和强度在增加，同时，极端低温事件的频率和强度在下降。受区域陆气相互作用影响，如土壤湿度以及冰雪覆被与气温的互馈，内陆半干旱和干旱地区以及冰雪覆盖的高纬度和高海拔地区是极端温度变化最剧烈的区域。城市热岛效应使城市遭受更多更强的热浪威胁，尤其是夜间热浪。1980年以来，全球海洋热浪的数量增加了近一倍。
全球气温每上升1°C，大气水汽增加约7%，从而导致极端降水增加。除了增强的水汽作用，与环流相关的动力过程改变也会影响极端降水。同时，极端降水的自然波动更剧烈。这些因素增加了检测极端降水变化的难度。报告显示，1950年以来，极端降水在大部分有观测资料的区域呈增加趋势，包括北美、欧洲和亚洲的区域。由于极端降水增加的速度整体快于平均降水，这导致一些地区的降水变率增加，从而给区域水资源管理带来挑战。
极端降水增加是否诱发更多流域洪水还取决于流域水文状况和水资源管理策略等非气候要素。据报告，在融雪主导的寒区流域，汛期开始的时间提前了。然而，就全球整体而言，有关流域洪水的变化趋势仍缺少结论性共识，在不同地区呈现出或增或减的差异性。城市洪涝和山洪等骤发性洪水与极端降水关联紧密。由于观测资料的限制，此类洪水是否发生了普遍性的改变，仍需更广泛的研究。
气候变暖推高了大气的蒸发潜力，从而影响一个地区可获得的净水资源量。报告指出，农业和生态干旱在遍布全球所有大洲的多个地区都有增加，这包括我国所处的东亚地区；只有个别地区出现了农业和生态干旱缓解的状况。在地中海和东亚等地区也出现了水文干旱加剧的现象。观测证据显示台风的强度，频率、风速，引发的降水也发生了变化，但总体而言相关结论仍处于中等或以下信度水平。
值得注意的是，此次评估报告首次将“多碰头”复合极端事件纳入评估对象。报告将复合极端事件概括为“造成社会或环境影响的不同驱动因子组合发生的状况“。常见的复合极端事件大体可以归为四类：（1）前期影响型，例如春季干旱会加剧夏季热浪；（2）同时发生型，如酷热干旱事件；（3）接连发生型，如持续的日间和夜间热浪；（4）空间关联型，即空间上具有共同影响效应的多个事件。相比接连发生型，前期影响型的单个事件之间具有前后因果关系。复合极端事件被重视，在于其造成的影响远大于单个事件单独发生时的影响。报告显示，1950年以来，复合极端事件在全球多个地区变的更加频繁，包括酷热干旱复合事件，诱发森林火灾的综合天气条件，以及河口及海岸带常见的复合洪水事件等。
图一. 人类活动引起的气候变化已经影响了全球多个地区（填色区域）的极端温度、降水和干旱事件。
（图源：https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#SPM）
人类的影响
制定气候变化应对行动以及开展未来气候预估，前提需要理清人为因素（如CO2等温室气体的人为排放）还是自然因素（如太阳活动和火山爆发）主导了过去的气候变化。
自IPCC第5次评估报告以来，气候变化检测归因科学取得了新进展，人们可以更清楚地认识人类活动与极端天气事件之间的联系。主要进展包括（1）检测归因模式比较计划（DAMIP）的实施，为细分不同人类活动因子的影响提供了大数据资源；（2）出现了改进的“最优指纹”趋势归因方法，可以更准确地考虑极端气候变量特有的统计特征；（3）涌现了多种极端事件归因方法以及大量有关全球各地极端事件个例的归因研究。
得益于此，报告以更高的信度指出，全球大部分地区极端高温和极端低温变化的主要驱动力来自于工业革命以来人类活动排放的温室气体。并首次在本次IPCC主报告中提出，如果没有人类活动的影响，全球多地遭受的异常极端甚至突破历史记录的高温事件几乎不可能发生。需要注意，在非洲等一些地区，由于缺少长序列观测资料，极端事件的归因证据仍然缺乏。
在美洲、欧洲和亚洲，几乎可以确定人类活动引起了极端降水的增加。而在更小的区域尺度上，人类活动影响极端降水的证据还相对有限。总体而言，极端降水的归因信度相对极端温度较低。这一方面源于极端降水的自然波动大，理解其变化需要更多观测资料。另一方面，物理模式是归因研究的重要工具，而当前模式模拟极端降水的不确定性大，限制了归因结论的可靠性。
人类活动可能是导致全球多个区域遭受更加频繁和严重的农业和生态干旱的主要原因；人为气候变暖可能是造成全球水文干旱整体加剧的原因，但人类取用水等也是重要的驱动因素。由于干旱往往持续数月至数年，导致干旱的观测样本比降水更少。同时，干旱在很大程度上反映的是降水亏缺，因此干旱归因也受限于模式对降水的模拟技巧，归因结论的信度总体也较低。
洪水和台风的归因受观测资料和模式性能的制约更加严重，其中洪水的归因还进一步受大尺度水文模型精度的制约，有关二者的归因信度也普遍较低。但是，针对飓风哈维等典型台风个例的归因结果显示，人类活动增加了台风降水量。
直接对复合极端事件开展的严格归因研究尚不多见。现有关于森林火灾的归因，要么是对利于火灾发生的各天气要素分别归因，要么是对某一综合指数进行归因。后一种策略也常用于归因影响人体健康的湿热复合极端事件。由于复合极端事件中单个事件的极端性可能并不强，今后气候变化检测归因科学需要发展适用于复合极端事件多变量特征的新方法。
关于未来
2015年《巴黎协定》提出到本世纪末将全球平均温升控制在工业化前水平的2°C以内，并努力追求1.5°C温控目标。此后，IPCC报告增加了基于温升水平的气候变化评估。这一改变也促成了本次主报告以高信度强调，未来每0.5°C的增暖都会显著改变全球大部分地区极端天气与气候事件的频率和强度，包括极端温度、极端降水、干旱等（图二）。
报告指出，未来全球绝大部分有人口居住的地方都将出现更多、更强、更持久的极端高温。即使最终实现1.5°C温控目标，也难以完全避免这种风险。例如，据报告，1850-1900年间平均50年才发生1次的极端高温事件，在当前气候状态（温升~1.0°C）下大约每10年发生1次；实现1.5°C温控目标，大约每5年发生1次；而若放任全球升温至4°C，则每年都会遭遇至少1次同等严重的高温。这种频率变化的背后是高温强度的持续加强。值得注意，以上是对全球平均状况的预估，部分地区的形势会更加严峻（参考https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-1013.1）。
未来会出现更多更强的极端降水。平均而言，极端降水强度随全球变暖的增幅约为7%/°C，但会表现出一定的区域差异，这取决于增暖以及环流变化的区域性。与极端降水关联紧密的城市雨洪和山洪等骤发性洪涝灾害也将变得更加频繁和严重。流域洪水在不同地区将会增加或减少，但总体而言，增加的区域多于减少的区域。未来总的台风频率可能略微下降或基本不变，但强台风的比率会升高，强台风的风速也会增加。
随着变暖的持续，未来更多的地区将会遭遇更频繁更严重的干旱。当温升在1.5-2.0°C时，全球多个地区会遭遇更加严重的农业和生态干旱，而当气候变暖至4.0°C时，全球一半地区将遭遇更严重的农业和生态干旱。水文干旱在一些地区也将变得更加严重。加剧的干旱会影响陆地的碳汇功能。
未来也会有更多的区域遭遇更多的复合极端事件，包括持续增多的酷热干旱复合事件，更容易诱发野火的天气条件，河口海岸地区将面临增多的极端降水、河道洪水、海平面上升、风暴潮等。
值得警惕的是，未来极端温度、极端降水、干旱等表现出依赖于事件极端程度的非均匀变化特征——越极端的事件变化越快，尤其是对频率变化而言。这种非均匀变化，一方面会导致未来极端事件变得更加反复无常，另一方面“小概率高影响”事件将会更容易出现，从而大大增加防范极端气候风险的挑战。
图二. 未来任何的持续增暖都会引起愈加频繁和严重的极端温度、降水和干旱事件。
（图源：https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/#SPM；依据：https://doi.org/10.1175/JCLI-D-19-1013.1）
