全球氣候變暖加劇了極端降水強度，誘發(fā)洪澇災害等，對自然和社會系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展帶來嚴峻挑戰(zhàn)。可靠預估未來極端降水變化對制定氣候適應決策和防災減災至關重要，但局地尺度極端降水預估一直存在很大不確定性，這給科學決策帶來重大挑戰(zhàn)。華東師范大學地理科學學院李超教授與國內(nèi)外學者合作，提出了一種基于觀測約束的預估方案，成功將全球大部分地區(qū)的局地極端降水預估不確定性降低了20%以上。這些更為可靠的預估結(jié)果可以惠及全球近90%的人口，為極端降水變化評估和適應規(guī)劃提供更為精準的科學支持。研究成果近期發(fā)表在國際權(quán)威期刊 Nature Communications 上。
Nature Communications 刊發(fā)華東師大李超教授團隊在局地極端降水約束預估方面的進展
局地尺度極端降水預估面臨的挑戰(zhàn)
氣候變暖會增強大氣的持水能力，導致極端降水事件發(fā)生時，產(chǎn)生更多的降水量。該熱力學機制表明，減小未來全球變暖預估的不確定性，能夠間接提高對極端降水變化預估的可靠性。IPCC第六次評估報告指出，歷史變暖反映了氣候系統(tǒng)對歷史輻射強迫變化的敏感性，因此，歷史變暖觀測資料可有效約束未來全球變暖預估。由于極端降水變化與氣候變暖的緊密聯(lián)系，研究團隊此前也成功將歷史變暖應用于約束全球和區(qū)域尺度的極端降水預估（Li et al., 2024）。
Geophysical Research Letters 刊發(fā)華東師大李超教授團隊研究成果
局地尺度是極端降水影響發(fā)生的主要層面，也是適應措施的決策和實施尺度。極端降水影響評估和適應規(guī)劃需要在局地尺度上提升預估可靠性。然而，由于氣候系統(tǒng)自然變率和局地環(huán)流變化的不確定性隨尺度減小而急劇增加，直接使用歷史變暖約束局地極端降水變化的有效性受到限制。
不確定性溯源為局地極端降水約束預估提供了新視角
面對上述挑戰(zhàn)，研究團隊利用氣候模式多成員模擬結(jié)合“空間換成員”策略，降低了自然變率不確定性；同時，從極端降水變化的物理過程出發(fā)，將CMIP6氣候模式預估的局地/網(wǎng)格極端降水變化分解為水汽變化產(chǎn)生的熱力響應和局地環(huán)流變化產(chǎn)生的動力響應。研究發(fā)現(xiàn)，熱力響應的模式間差異是造成熱帶外極端降水預估不確定性的重要來源，而動力響應的模式間差異主導了熱帶極端降水預估的不確定性。多模式集合模擬的歷史變暖與熱力響應之間在全球范圍內(nèi)保持緊密的正相關關系，這意味著歷史變暖可以在全球范圍內(nèi)有效約束熱力響應的不確定性。盡管熱帶的不確定性由動力響應主導，但不同模式預估的熱力和動力響應在很多地方表現(xiàn)出正協(xié)同增益效應，這意味著歷史變暖約束直接作用于極端降水預估可以更有效地降低這些區(qū)域的預估不確定性。這些發(fā)現(xiàn)為如何利用可靠的溫度觀測數(shù)據(jù)約束局地極端降水變化開拓了新視角。
歷史變暖也能夠有效約束局地極端降水預估
基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團隊提出了一種新的涌現(xiàn)約束方法（Emergent Constraint）。該方法充分發(fā)揮溫度約束的效率，當熱力和動力響應在多模式集合中呈現(xiàn)正協(xié)同增益時，采用歷史變暖直接約束極端降水變化；否則僅約束熱力響應，并將其與動力響應結(jié)合，重建約束后的極端降水變化。
高排放情景SSP5-8.5常用來評估地球系統(tǒng)未來可能面臨的最極端氣候風險。針對該情景的世紀末預估結(jié)果表明，該方法有效降低了全球絕大多數(shù)地區(qū)局地極端降水預估的不確定性，全球中位數(shù)預估方差減小量為18%。在考慮自然變率不確定性降低后，預估方差減小量的全球中位數(shù)值可達42%（圖一a）。
溫度作為觀測覆蓋最廣、模擬最可靠的氣象變量，是當前最可信的氣候模式約束因子。該方法依托這一可靠的約束因子，以基礎熱力學定律為支撐，在氣候適應政策規(guī)劃和實施層面，為提高極端降水預估的可靠性提供了切實可行的穩(wěn)健解決方案。
圖一：約束方案對降低局地極端降水預估不確定性的效果及覆蓋的人口分布
支撐更加科學的氣候變化適應策略
約束后的預估結(jié)果能夠為當?shù)貥O端降水變化影響評估和適應策略制定提供更加可靠的科學依據(jù)，這有望惠及全球近90%的人口（圖一b）。統(tǒng)計顯示，長期受極端降水困擾的東亞和南亞地區(qū)，居住著全球40%以上的人口，經(jīng)約束后，這些區(qū)域在SSP5-8.5高排放情景下，世紀末局地極端降水的預估方差平均減少約30%。在北京、東京、倫敦、巴黎等全球特大城市群和經(jīng)濟中心所在地，約束后不確定性也都明顯減少，從而為全球重要城市的雨洪適應規(guī)劃提供更可靠的參考依據(jù)。
華東師范大學地理科學學院李超教授為論文第一作者和通訊作者，合作者包括蘭州大學大氣科學學院博士生劉婕妤、華東師范大學地理科學學院博士生杜馥君、加拿大維多利亞大學Francis Zwiers院士和國家氣候中心封國林研究員。研究得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金項目的支持。
相關論文信息：
Chao Li, Jieyu Liu, Fujun Du, Francis W. Zwiers, and Guolin Feng. (2025). Increasing certainty in projected local extreme precipitation change. Nature Communications, 16, 850. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56235-9
Chao Li, Qiaohong Sun, Jianyu Wang, Yongxiao Liang, Francis W. Zwiers, Xuebin Zhang, and Tong Li. (2024). Constraining projected changes in rare intense precipitation events across global land regions. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL105605. https://doi.org/10.1029/2023GL105605
通訊作者簡介：
李超，華東師范大學教授、IPCC第6次評估報告貢獻作者、第4次氣候變化國家評估報告主要作者。從事極端氣候變化及其社會經(jīng)濟影響研究，在檢測歸因和約束預估方面取得了創(chuàng)新成果，提升了極端氣候變化及其影響評估和預估的可靠性。在 Science Advances 、Nature Communications 等權(quán)威期刊上發(fā)表論文40余篇；成果入選美國地球物理學會研究亮點、被納入IPCC第六次評估報告《決策者摘要》關鍵圖。擔任 Earths Future 和 Advances in Climate Change Research 期刊編委。
來源｜地理科學學院、科技處 編輯｜毛宇彤 編審｜郭文君
