地球气候物理模型（全球陆地极端降水影响因素之）

原标题：

地球工程对全球陆地极端降雨影响的空间分异研究

摘要：

地球工程应对气候变暖已成为近年来学界广泛讨论的焦点问题之一。基于BNU-ESM模式数据,采用百分位数阈值方法界定强降雨和极端强降雨事件,从气候态特征、变化趋势和波动特征三个角度对比分析了地球工程情景(G4试验)和非地球工程情景(RCP4.5)下全球陆地强降雨量和极端强降雨量的空间分异特征。结果表明:(1)在气候态特征上,地球工程实施并未从根本上改变强降雨和极端强降雨量的空间高低分异格局,仅数值上有所差异。两种情景下气候态差异特征表明地球工程在2020—2069年实施期间对北(南)半球以抑制(促进)作用为主,而在2070—2099年实施结束后对北(南)半球以促进(抑制)作用为主。地球工程实施结束后相比实施期间促进了全球多数地区的强降雨和极端强降雨量。(2)在变化趋势上,两种情景下的强降雨量变化趋势在2020—2069年存在一定差异特征,而在2010—2099年和2070—2099年具有较高的一致性。两种情景下的极端强降雨量变化趋势则在2020—2069年和2070—2099年呈现出异质性。两种情景下变化趋势差异特征表明, 2070—2099年地球工程均促进了强降雨和极端强降雨量增加趋势。强降雨和极端强降雨量在地球工程实施前后均具有不同的区域性特征。(3)在波动特征上,地球工程实施不同阶段强降雨和极端强降雨量波动特征的空间高低分异格局相差不大,仅数值上有一定差异。两种情景下波动差异表明地球工程实施不同阶段均减小了强降雨量的波动特征。但极端强降雨量则在2020—2069年和2070—2099年呈现出相反的波动差异特征。地球工程情景下实施结束后的波动特征明显高于实施期间。

关键词：

极端降雨; 地球工程; 空间格局; 气候变化; 区域差异;

作者简介：

孔锋(1986—),男,助理研究员,博士,主要研究方向为气候变化与自然灾害。E-mail:kongfeng0824@foxmail.com;

引用：

孔锋 . 地球工程对全球陆地极端降雨影响的空间分异研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 1) : 57-69.

KONG Feng. Study on spatial differentiation of impact from geoengineering project on extreme rainfall of global land［J］. Water Resources andHydropower Engineering，2020，51( 1) : 57-69.

基金项目：

国家重大科学研究计划 ( 2015CB953603 ) ;

国家自然科学基金项目 ( 41801064，71790611 ) ;

中国气象局气候变化专项项目( CCSF201843，CCSF201844) ;

中亚大气科学研究基金项目( CAAS201804)；

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0 引言

全球气候变暖导致的极端天气气候事件和各类相关自然灾害频发,给社会经济安全和可持续发展带来了深远影响。应对气候变化已成为全人类亟需面对的巨型时空的公共管理和可持续发展问题。随着全球气候变暖加剧,地球工程作为人类直接为地球降温的手段,已成为应对气候变化国际谈判中频繁提及和广泛关注的焦点问题之一。地球工程理念引起广泛关注,很大程度上源于荷兰大气化学家保罗·约瑟夫·克鲁岑提出的“人类世”概念,即环境越来越受到人类活动影响的一个新的地质时期。克鲁岑提出可以通过人工手段在平流层注入气溶胶以应对气候变化的设想。虽然他不是提出相关设想的第一人,但他拥有诺贝尔奖获得者和广受尊重的大气科学家的地位,他的设想在同行中受到极大的重视,成为最近十几年来地球工程研究的开端。现有研究认为提倡综合评估地球工程利弊,促进地球工程研究从一个边缘话题发展为一个广阔的、国际性的、多学科交叉的研究领域。随着地球工程话题受到越来越多的关注,地球工程是否是一个单一话题也引起了很多争议。一种观点认为应该分别针对特定的地球工程设想研究其成本、效益、风险等,从而判断该技术是否可以或应该作为应对气候变化的一种措施。而也有观点认为现阶段,还没有特定的地球工程技术实践,地球工程还不是具体的、稳定的、清晰的客体或设施,而是以干预气候系统为目的,包含不同设想方案的一个很有争议的概念。总而言之现有关于地球工程的研究较多从政策、伦理、道德、法律、地缘政治、经济、社会等层面,定性分析地球工程实施可能带来的风险,但由于缺乏科学数据的支撑,仍处于百花齐放百家争鸣的阶段。争论的焦点主要是地球是一个相互作用、不断演化的系统,不同圈层之间已成一种稳定态,一旦地球工程实施可能改变现有气候系统格局,对依赖于现有气候环境的经济生产部门产生影响,甚至导致不可逆转的后果。

针对地球工程的数值模拟和比较研究还处于起步阶段。随着《巴黎协定》1.5 ℃和2 ℃温控目标的制定,引发了国际社会对地球工程的关注,并正在催生有关地球工程治理的动议。目前的知识还不能支持未来能否实施地球工程的决策。因此,笔者在2018年《灾害学》第2期和第4期,基于BNU-ESM模式的地球工程G4试验数据分别针对中国地区的极端降雨和总降雨,分析地球工程对其时空格局的影响。

地球工程一旦实施涉及整个大气层,与全人类密切相关。地球工程对全球气候影响如何,学界对此也尚不清楚。基于此,本文在前期研究基础上,采用BNU-ESM模式的地球工程G4试验数据和RCP4.5情景下的非地球工程数据,以强降雨和极端强降雨(统称为极端降雨)为对象,对比分析两种情景下的不同强度极端降雨变化特征,从而定量诊断地球工程对极端降雨的可能影响。本文基于数值模拟的地球工程影响分析对于我国参与国际地球工程议案和相关治理具有科技参考作用。

1 数据和方法

本文采用的2010—2099年中国地区的非地球工程的日值降水预估数据是基于BNU-ESM模式在RCP4.5情景下的日值降水输出结果,其空间分辨率是2.5°×2.5°,其经度范围180°E—180°W,纬度范围是90°S—90°N。该模式的观测强迫数据使用的是1970年1月1日至1999年12月31日。

地球工程的日值降水预估数据则是基于BNU-ESM模式,在2020年1月1日至2069年12月31日进行的G4地球工程的试验,即在大气平流层中注射硫酸盐气溶胶来反射太阳辐射,从而降低全球温度;在2070年停止注射,即地球工程措施实施停止,模式继续运行至2099年12月31日,最后查看地球工程结束之后的降水响应。GeoMIP计划包括G1、G2、G3、G4四个主要模拟试验方案。其中,G1和G2研究直接减少太阳辐射地球工程(如减少太阳辐射常数)的气候效应;G3和G4研究平流层注射气溶胶地球工程的气候效应。G3试验模拟向平流层注射气溶胶来改变辐射强迫。为了更加贴近现实情况,该试验假设基于CMIP5中的RCP4.5情景,从2020年开始在平流层逐渐注入一定量的气溶胶来平衡人类活动增加的二氧化碳所带来的太阳辐射强迫。为了实现这一目标,G3试验进一步假设,可以根据不同的平衡二氧化碳辐射强迫的需要,随机注入相应适量的气溶胶,来达到持续稳定的辐射强迫平衡状态。G4试验与G3试验的机理类似,也是基于CMIP5中的RCP4.5情景,模拟了平流层注射气溶胶的情况,但对具体的试验假设条件作了改变与G3试验致力于在整个试验周期达到一个持续稳定的辐射平衡状态不同,G4试验假设从2020年开始,在平流层每年持续注射固定剂量的气溶胶,进而观察相应的气候影响。BNU-ESM是GeoMIP计划的15个参与模式之一。BNU-ESM中的大气模式为CAM3.5,海洋模式为MOM4p1,陆面模式则采用由北京师范大学自主研发的公用陆面过程模式(CoLM)。BNU-ESM模拟方案都参照统一的模拟归程,即第5次全球耦合模式比较计划的规程,统一采用集合模拟的办法去除模型本身的背景干扰,进而进行模拟影响的比较研究。已有研究成果表明该模式预测数据能够较好的反映气候特征,具有较高的可信度 。根据WMO推荐的极端气候指标定义,即将日降雨量超过95%和99%分位数的降雨事件分别定义为强降雨事件和极端强降雨事件。强降雨事件和极端强降雨事件的雨量即为强降雨量和极端强降雨量。为了对比地球工程实施不同阶段其对强降雨量和极端强降雨量的影响,本文将研究时段划分为整个研究时段2010—2099年、地球工程实施期间2020—2069年和地球工程实施结束后的2070—2099年。本文采用一元线性趋势方法计算强降雨量和极端强降雨量的变化趋势,具体的计算方法如下。

对于样本量为n的某一强降雨量和极端强降雨量格点序列yj,用tj表示所对应的时刻,建立yj与tj之间的一元线性回归方程

式中,a、b均为回归系数。利用最小二乘法可求出a和b。

回归系数b的符号表示变量的线性趋势。b>0表明随时间增加呈增加趋势;b<0表示随时间增加呈减少趋势。b的大小反映了变量增加或减少的速率。

本文采用变异系数表征不同时段强降雨量和极端强降雨量的波动特征。变异系数是衡量数据变异程度的统计量,是标准差与平均数绝对值的比值,可以用于衡量数据的波动性。其计算公式为

变异系数可以消除单位和平均值不同对两个或多个资料变异程度比较的影响。变异系数越小(大),其波动程度越小(大)。波动程度的大小表达了极端降雨事件变异的程度,可以反映地球工程对极端降雨事件稳定性的影响。

2 结果与分析

2.1 地球工程对全球陆地强降雨气候态特征的可能影响

从强降雨气候态特征来看,如图1所示,图1中颜色越红,表示年均强降雨量越少;颜色越蓝,则表示年均强降雨量越多。据此可知,总体来看不同研究时段两种情景下的全球陆地年均强降雨量的空间高低分异格局并未从根本上发生改变(见图1),但不同研究时段全球陆地年均强降雨量在不同区域存在一定数值上的差异。具体来看,在整个研究时段即2010—2099年,全球陆地年均强降雨量最多的地区主要集中在东亚、南亚、东南亚、北美洲西海岸、美国东部、中美洲北部、南美洲亚马逊流域地区、撒哈拉以南的非洲、澳大利亚北部的沿海地区等。上述地区的年均强降雨量普遍高于450 mm,如图1(a)、(b)所示,究其原因,这些地区是全球典型季风区,水汽来源充足,对流活动显著,大尺度天气过程活跃,加之地形地势起伏较大,有利于强降雨事件发生。全球陆地年均强降雨量最少的地区则主要集中在非洲的撒哈拉地区、西亚、中亚和南极洲等地。上述地区的年均强降雨量普遍低于100 mm,且多数地区低于50 mm。2020—2069年和2070—2099年全球陆地的年均强降雨量与2010—2099年的全球陆地年均强降雨量的空间相关系数分别为0.53和0.56(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的检验,如图1(c)—(f)所示。这表明地球工程实施的不同阶段并未从根本上改变全球陆地年均强降雨量的空间高低分异格局。值得注意的是地球工程实施的2020—2069年,地球工程情景下的南极洲年均强降雨量明显高于同时段非地球工程情景,但2070—2099年该情景下南极洲年均强降雨量又逐渐恢复至原有水平,说明地球工程实施结束后其对强降雨量的影响逐渐被抹平。

图1 两种情景下不同研究时段全球陆地年均强降雨量的空间分异特征

进一步地,为了对比两种情景下不同研究时段的全球陆地年均强降雨量差异特征,我们采用不同研究时段地球工程情景下的全球陆地年均强降雨量减去对应时段非地球工程情景下的全球陆地年均强降雨量,结果如图2所示。图2中颜色越红,表示地球工程情景下年均强降雨量越低于非地球工程情景;颜色越蓝,则表示地球工程情景下年均强降雨量越高于非地球工程情景。据此可知,从2010—2099年整个研究时段来看,地球工程情景下年均强降雨量比非地球工程情景偏多的地区较少,主要分布在澳大利亚中部、墨西哥、美国中部局地、巴西东北部等地,偏多幅度大多在25～100 mm左右[见图2(a)]。而全球陆地年均强降雨量偏少的地区主要集中在非洲中部、东南亚、南美洲西北部等地,偏少幅度大多在50 mm以上。从地球工程实施的2020—2069年来看,地球工程情景下年均强降雨量比非地球工程情景偏多的地区主要集中在澳大利亚中部和南部、非洲中南部、墨西哥、南美洲东部地区[见图2(b)],偏多幅度普遍超过50 mm;而偏少的地区则主要集中在非洲中部、欧洲中部、东南亚、中国东南部、美国东部和西北、加拿大西南、南美洲西北等地,偏少幅度普遍超过100 mm。相比2010—2099年整个研究时段,地球工程实施的2020—2069年,地球工程情景下的全球陆地年均强降雨量比非地球工程情景偏多和偏少的地区均有所增加,且分异明显。从地球工程实施结束后的2070—2099年来看,地球工程情景下相比非地球工程情景而言,年均强降雨偏多的地区主要中在中国西南和北部及朝鲜半岛、中南半岛、美国中东部、非洲中东部等地[见图2(c)];而偏少的地区则主要集中在非洲中北部、南美洲北部、印度尼西亚群岛等地,且偏少幅度超过100 mm。通过对比发现,地球工程实施的2020—2069年期间,南半球陆地年均强降雨量增多的地区有所增加,而北半球年均强降雨量减少的地区有所增加。地球工程实施结束后的2070—2099年期间,北半球强降雨增多的地区有所增加,而南半球强降雨减少的地区有所增加

图2 地球工程对全球陆地年均强降雨量影响的空间差异特征

同时我们对比了地球工程情景下地球工程实施前后全球陆地年均强降雨量的差异特征,即采用地球工程实施结束后的2070—2099年的全球陆地年均强降雨量减去实施期间2020—2069年的全球陆地年均强降雨量,结果如图3所示。图3中颜色越红,表示地球工程实施期间相比结束后有助于强雨量的增加;颜色越蓝,则表示地球工程实施结束后相比实施期间有助于强降雨量的增加。据此可知,针对地球工程情景而言,地球工程实施结束后的2070—2099年相比地球工程实施的2020—2069年,全球陆地多数地区的年均强降雨偏多,主要集中在欧洲、撒哈拉以南的非洲、东亚、南亚、东南亚、北美洲西部和南部、南美洲等地。而偏少的地区则主要集中在撒哈拉地区、西亚、南极洲等地区。这可能是因为地球工程实施的2020—2069年大气中的凝结核井喷式增多,过多的凝结核分散了水汽,抑制了强降雨事件发生;而地球工程实施结束后的2070—2099年凝结核逐渐减少,但相比非地球工程情景而言还是偏多,加之全球变暖逐渐恢复,水汽来源充足且循环加快,导致强降雨事件增多。撒哈拉和西亚地区主要是因为水汽较少,过多的凝结核分散了水汽,导致强降雨事件减少。

图3 地球工程实施前后全球陆地年均强降雨量影响的空间差异特征

2.2 地球工程对全球陆地极端强降雨的可能影响

极端强降雨气候态特征如图4所示。图4中颜色越红,表示年均极端强降雨量越少;颜色越蓝,则表示年均极端强降雨量越多。据此可知,两种情景下不同研究时段的全球陆地年均极端强降雨量的空间高低分异特征并未从根本上发生改变。其中全球陆地年均极端强降雨量较多的地区主要分布在东亚、东南亚和南亚南部等地(见图4)。其他地区的年均极端强降雨量相对较少。地球工程实施后的2070—2099年相比2020—2069年,东亚、东南亚和南亚南部地区的年均极端强降雨量明显偏多。综上可知,地球工程虽改变了全球陆地不同地区的极端强降雨量,但并未从根本上改变极端强降雨量的空间高低分异格局。

图4 两种情景下不同研究时段全球陆地年均极端强降雨量的空间分异特征

进一步地,我们采用地球工程情景下不同研究时段的全球陆地年均极端强降雨量减去非地球工程情景下对应时段的全球陆地年均极端强降雨量,结果如图5所示。图5中颜色越红,表示地球工程抑制了极端强降雨事件;颜色越蓝,则表示地球工程促进了极端强降雨事件。据此可知,从2010—2099年整个研究时段来看,地球工程对全球陆地年均极端强降雨量的影响较小,仅中南半岛局部地区抑制作用明显[见图5(a)]。从地球工程实施的2020—2069年来看,其主要抑制了中国西南、中南半岛、澳大利亚北部、非洲中部、北美洲大部、南美洲北部大部分地区的极端强降雨量,其他地区影响不明显[见图5(b)]。从地球工程实施结束后的2070—2099年来看,其促进了全球多数地区的极端强降雨量,集中在非洲中部、南亚、中国西南和东北、中南半岛、东南亚、北美洲北部和东南、南美洲大部分地区[见图5(c)]。综上通过不同研究时段对比来看,地球工程实施期间对全球陆地极端强降雨量的影响主要以抑制作用为主,地球工程实施结束后则主要以促进作用为主。地球工程不同实施阶段主要是通过凝结核的多少来和降温后的水汽循环变慢、对流活动减弱来影响极端强降雨事件。

图5 地球工程对全球陆地年均极端强降雨量影响的空间差异特征

同时为了进一步对比地球工程情景下地球工程实施前后对极端强降雨量的影响,我们采用地球工程实施结束后2070—2099年的全球陆地年均极端强降雨量减去地球工程实施期间2020—2069年的全球陆地极端强降雨量,结果如图6所示。图6中颜色越蓝,表示地球工程实施结束后的2070—2099年越有利于极端强降雨量的增加;颜色越红,则表示地球工程实施的2020—2069年越有利于极端强降雨量的增加。据此可知,地球工程实施结束后的2070—2099年有利于全球陆地多数地区极端强降雨量的增加,主要集中在非洲中部、南亚、东南亚、中国大部、北美洲北部、澳大利亚北部、南美洲大部等地。而地球工程实施的2020—2069年,仅在澳大利亚东部和西南、非洲南部局地、南美洲局地等地有利于极端强降雨量的增加。综上对比可知,地球工程实施结束后相比地球工程实施期间而言,对全球陆地极端强降雨量的促进作用更为明显。

图6 地球工程实施前后全球陆地年均极端强降雨量影响的空间差异特征

2.3 地球工程对全球陆地强降雨变化趋势的可能影响

从强降雨量变化趋势来看,整个研究时段两种情景下的强降雨量变化趋势空间高低分异格局具有相似性,仅是不同地区增减趋势数值上存在不同差异特征,如图7(a)、(b)所示。2010—2099年两种情景下全球陆地强降雨量变化趋势的空间相关为0.51(n=2 658),通过了0.01显著性水平的检验。表明地球工程的实施在整个研究时段并未从根本上改变强降雨量变化趋势分异格局。从2020—2069年来看,两种情景下强降雨量变化趋势空间格局明显发生了变化,如图7(c)、(d)所示。其中地球工程情景下主要促进了非洲中部东北、阿拉伯半岛、东亚、南亚、澳大利亚、加拿大西部、美国东部、南美洲大部分地区的强降雨量。而抑制作用为主的主要集中在非洲南部等地。非地球工程情景下,全球强降雨量呈减少趋势的地区明显增多,主要分布在非洲西海岸、西亚、东欧、中亚、中国南部、东南亚、澳大利亚大部、南美洲北部等地区;而呈增加趋势的地区则主要集中在非洲中东部、西欧、北欧、西伯利亚、中国中北部、加拿大美国西部、南美洲南部等地。从2070—2099年来看,两种情景下全球陆地强降雨量变化趋势具有较大一致性,仅在部分地区具有一定差异,差异较大的地区主要集中在中国东南沿海、东北亚、南亚、南美洲南部等地区。

图7 两种情景下不同研究时段全球陆地强降雨量年际变化趋势的空间分异特征

进一步地,我们对比了两种情景下强降雨量变化趋势差异特征,即采用不同研究时段地球工程情景下的强降雨量变化趋势减去对应时段非地球工程情景下的强降雨量变化趋势,结果如图8所示。图8中颜色越红,表示地球工程抑制了强降雨量增加,颜色越蓝,则表示地球工程促进了强降雨量增加。据此可知,整个研究时段两种情景下的强降雨量变化趋势整体差异不大[见图8(a)],仅在非洲中部的东北地区,地球工程抑制了强降雨量增加。从2020—2069年来看,地球工程促进了南亚北部、东南亚、西亚和南美洲局部地区的强降雨量变化趋势,抑制了非洲中部东北地区的强降雨量增加[见图8(b)]。从2070—2099年来看,地球工程情景相比非地球工程情景而言,主要是促进强降雨量增加,仅在非洲南部、中国中部、美国西海岸等地区抑制了强降雨量增加[见图8(c)]。

图8 地球工程对全球陆地强降雨量年际变化趋势影响的空间差异特征

同时我们对比了地球工程情景下实施前后的强降雨量变化趋势差异特征,采用2070—2099年强降雨量变化趋势减去2020—2069年强降雨量变化趋势,结果如图9所示。图9中颜色越红,表示地球工程实施结束后越抑制了强降雨量增加;颜色越蓝,则表示地球工程实施期间越促进了强降雨量增加。据此可知,地球工程实施结束后的2070—2099年在非洲南部、北欧、东北亚、中国中部和沿海地区、北美洲大部、南美洲大部,均促进了强降雨量增加趋势。而澳大利亚、新西兰、南亚中部、中南半岛、东欧、西伯利亚东部等地区,则抑制了强降雨量增加趋势。由此可见,地球工程实施的不同研究时段对强降雨量的变化趋势具有区域性特征。

图9 地球工程实施前后全球陆地强降雨量年际变化趋势影响的空间差异特征

2.4 地球工程对全球陆地极端强降雨变化趋势的可能影响

从极端强降雨量变化趋势来看,整个研究时段两种情景下的全球陆地极端强降雨量变化趋势均以增加趋势为主,且增加趋势较大的地区分布具有较好的一致性,但地球工程情景下的极端强降雨量呈增加趋势的地区相比非地球工程情景而言有较大的扩张[见图10(a)、(b)]。地球工程实施的2020—2069年,两种情景下的全球陆地极端强降雨量变化趋势仍以增加趋势为主,但值得注意的是呈增加趋势的地区在空间分布上发生了转移[见图10(c)、(d)]。在地球工程实施结束的2070—2099年,两种情景下的极端强降雨量变化趋势呈现出增减镶嵌格局,且两种情景下的增减趋势在空间分布上不一致[见图10(e)、(f)]。对于中国地区而言,地球工程情景下中国东部地区极端强降雨量呈增加趋势,而非地球工程情景下则呈北增南减的格局。尤其变化明显的是东北亚地区在地球工程情景下极端强降雨量呈增加趋势,非地球工程情景则呈北减南增格局。地球工程实施结束后的2070—2099年极端强降雨量呈增加趋势的地区多于非地球工程情景。

图10 两种情景下不同研究时段全球陆地极端强降雨量年际变化趋势的空间分异特征

进一步地,为了对比不同研究时段两种情景下的全球陆地极端强降雨量变化趋势差异特征,我们采用不同研究时段地球工程情景下的全球陆地极端强降雨量变化趋势减去对应时段非地球工程情景下的全球陆地极端强降雨量变化趋势,结果如图11所示。从整个研究时段来看,地球工程对全球多数地区的极端强降雨量变化趋势影响不大,仅在个别地区促进了其增加,主要分布在中南半岛、中国东北、印度北部和西部等地区[见图11(a)]。从2020—2069年来看,地球工程实施期间促进了非洲中部的东北、马达加斯加对岸的非洲南部、阿拉伯半岛、南亚北部、中国中部、澳大利亚大部等地区的极端强降雨量增加趋势[见图11(b)],而抑制了非洲中部、马达加斯加、中国西南、中南半岛西部等地区的极端强降雨量。从2070—2099年来看,地球工程实施结束后,两种情景下的极端强降雨量变化趋势差异特征更加破碎,次区域性增强,且主要以增加趋势为主,表明地球工程实施结束后极大地促进了全球陆地多数地区极端强降雨量[见图11(c)]。整体来看,地球工程实施的不同阶段对全球陆地极端强降雨量变化趋势影响不同,且促进作用为主的地区明显多于抑制作用。尤其是地球工程实施结束后的2070—2099年,两种情景下的趋势差异特征在不同区域间差异增大。

图11 地球工程对全球陆地极端强降雨量年际变化趋势影响的空间差异特征

同时,为了对比地球工程情景下实施前后极端强降雨量变化趋势的差异特征,我们采用地球工程实施结束后2070—2099年全球陆地极端强降雨量变化趋势减去实施期间2020—2069年全球陆地极端强降雨量变化趋势,结果如图12所示。地球工程实施结束后相比实施期间促进了非洲中部、北欧、东北亚、北美北部和西部、南美洲大部等地区的极端强降雨量增加趋势,而抑制了东欧、西亚、南亚、中国西部、中南半岛、澳大利亚等地区的极端强降雨量增加趋势。表明地球工程情景下实施不同阶段对全球陆地极端强降雨量变化趋势具有区域性特征。

图12 地球工程实施前后全球陆地极端强降雨量年际变化趋势影响的空间差异特征

2.5 地球工程对全球陆地强降雨波动特征的可能影响

从波动特征来看,不同研究时段两种情景下的全球陆地强降雨量波动特征空间分异格局如图13所示。图13中颜色越红,表明强降雨量的年际波动越小,说明强降雨量年际变化较为稳定;颜色越蓝,则表明强降雨量年际波动越小,说明强降雨量年际变化越大。据此可知,地球工程情景下强降雨量波动较大的地区主要集中在东亚、南亚、东南亚、澳大利亚北部地区[见图13(a)]。而非地球工程情景下,40°N—40°S之间的地区是波动较大的集中地区[见图13(b)]。地球工程实施的2020—2069年[见图13(c)、(d)]和结束后的2070—2099年[见图13(e)、(f)]两种情景下的强降雨量波动特征亦是这种空间分异特征,仅是波动数值上略有差异,但波动特征空间高低分异格局未发生根本变化。

图13 两种情景下不同研究时段全球陆地强降雨量波动特征的空间分异特征

进一步地,我们对比了不同研究时段两种情景下的强降雨量波动特征,即采用不同研究时段地球工程情景下强降雨量波动特征减去对应时段非地球工程情景下的强降雨量波动特征,结果如图14所示。图14中颜色越红,表示地球工程的实施越抑制了强降雨量波动,即变异缩小;颜色越蓝,表示地球工程的实施越促进了强降雨量波动,即变异增大。据此可知,不同研究时段地球工程均抑制了全球陆地强降雨量波动特征,即地球工程情景下的强降雨量更为集中,变异性变小。

图14 地球工程对全球陆地强降雨量波动特征影响的空间差异特征

同时我们对比了地球工程情景下实施前后的强降雨量波动特征差异性,即采用地球工程情景下,2070—2099年的强降雨量波动特征减去2020—2069年的强降雨量波动特征,结果如图15所示。图15中颜色越红,表示地球工程实施结束后越抑制了强降雨量波动特征,变异变小;颜色越蓝,地球工程实施结束后越促进了强降雨量波动特征,变异变大。地球工程实施结束后相比实施期间,对强降雨量波动特征以促进为主的地区多于抑制地区。促进为主的地区集中在非洲中东部、南亚、中国中部、日本、东南亚、澳大利亚北部、南美洲东部等地区,而抑制的地区主要集中在澳大利亚南部等地区。

图15 地球工程实施前后全球陆地强降雨量波动特征影响的空间差异特征

2.6 地球工程对全球陆地极端强降雨波动特征的可能影响

从极端强降雨量波动特征来看,两种情景下的全球陆地极端强降雨量波动特征在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空间相关系数分别为0.53、0.49和0.51(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的检验。表明不同研究时段两种情景下的全球陆地极端强降雨量波动特征的空间高低分异格局具有较好的一致性(见图16),且不同研究时段的差异特征较小。其中波动较大的地区主要集中在中国东部、南亚、东南亚和澳大利亚北部地区,说明这些地区的极端强降雨量年际变异大。

图16 两种情景下不同研究时段全球陆地极端强降雨量波动特征的空间分异特征

为了对比不同研究时段两种情景下极端强降雨量的波动特征,我们采用不同研究时段地球工程情景下的全球陆地极端强降雨量波动特征减去对应时段非地球工程情景下的全球陆地极端强降雨量波动特征,结果如图17所示。图17中颜色越红,表示地球工程情景下的波动特征相比非地球工程情景越小;颜色越蓝,则表示地球工程情景下的波动特征相比非地球工程情景越大。据此可知,整个研究时段两种情景下的波动特征差别较小[见图17(a)]。地球工程实施的2020—2069年在中南半岛、东南亚和澳大利亚北部,地球工程情景下的极端强降雨量波动特征相比非地球工程情景偏小,表明地球工程情景下的极端强降雨量年际变异小,雨量相对集中[见图17(b)]。而地球工程实施结束后的2070—2099年,除上述地区外,加之南亚地区等,在地球工程情景下的极端强降雨量波动特征相比非地球工程情景偏大[见图17(c)]。通过对比发现,地球工程实施期间降低了全球部分地区的极端强降雨量波动特征;而实施结束后,地球工程效应则增加了全球部分地区的极端强降雨量波动特征。波动越大,表明变异幅度大,即可能带来的风险也越高,从而给社会经济发展带来不利影响。

图17 地球工程对全球陆地极端强降雨量波动特征影响的空间差异特征

同时,我们对比了地球工程情景下地球工程实施前后全球陆地极端强降雨量的波动特征,即采用地球工程实施结束后2070—2099年的全球陆地极端强降雨量波动特征减去2020—2069年的全球陆地极端强降雨量波动特征,结果如图18所示。图18中颜色越红,表示地球工程实施结束后相比实施期间而言波动越小;颜色越蓝,表示地球工程实施结束后相比实施期间而言波动越大。据此可知,地球工程实施结束后相比实施期间而言促进了东亚、东南亚、南亚、非洲中部东北地区、澳大利亚北部等地区的极端强降雨量波动特征。这表明上述地区的极端强降雨量在地球工程实施结束后的2070—2099年变异增大,也即地球工程实施期间使得极端强降雨量更加集中。

图18 地球工程实施前后全球陆地极端强降雨量波动特征影响的空间差异特征

3 结论与讨论

3.1 结 论

(1)在气候态特征上,不同研究时段两种情景下的强降雨和极端强降雨量空间高低格局并未发生根本变动,仅是数值上不同时段不同地区有所差异。两种情景下的强降雨量差异特征表明,地球工程实施的2020—2069年促进了南半球强降雨量的增多,而抑制了北半球强降雨量。地球工程实施结束后的2070—2099年则促进了北半球强降雨量的增多,抑制了南半球强降雨量。两种情景下的极端强降雨量差异表明,地球工程实施期间主要以抑制作用为主,实施结束后则以促进作用为主。地球工程情景下实施前后的强降雨和极端强降雨量差异表明,地球工程实施后相比实施期间有利于全

球多数地区强降雨和极端强降雨量的增加。

(2)在变化趋势上,两种情景下强降雨量变化趋势空间高低格局在2010—2099年和2070—2099年具有良好的一致性,但在实施的2020—2069年

具有一定差异。两种情景下的极端强降雨量变化趋势在2010—2099年格局相似,但2020—2069年和2070—2099年则空间分布上出现异质性。两

种情景下强降雨量变化趋势的差异特征表明,2010—2099年地球工程抑制了非洲中部的东北地区强降雨量增加趋势。2020—2069年地球工程除抑

制上述地区强降雨量增加趋势外,还促进了全球部分地区增加趋势。2070—2099年地球工程则促进了全球多数地区的强降雨和极端强降雨量增加

趋势。极端强降雨量变化趋势在2010—2099年差异相对较小,2020—2069年呈现出明显不同的区域性增减差异特征。地球工程情景下实施前后差

异表明,地球工程实施前后强降雨和极端强降雨量变化趋势具有各自的区域性特征。

(3)在波动特征上,不同研究时段两种情景下的强降雨和极端强降雨量波动特征空间高低分异格局相差不大,仅数值上有所差异。不同研究时段

地球工程情景下的强降雨量波动特征相比非地球工程情景均有所减小。两种情景下极端强降雨量波动特征在2010—2099年相差不大,但在2020—

2069年和2070—2099年出现了截然相反的波动差异特征,即地球工程实施期间减小了波动,而实施结束后增加了波动。地球工程情景下实施前后的

强降雨和极端强降雨量波动特征表明,实施后的波动明显高于实施期间。

3.2 讨论与展望

(1)亟待高分辨率多模式集合的地球工程气候影响研究。高分辨率数据对于诊断局地地球工程影响具有重要作用,尤其是地球工程的实施对海洋小岛国家气候变暖的影响具有重要作用。单一模式地球工程试验可能囿于模式参数问题,存在某些方面的不确定性,采用多模式集合可大大降低其不确定性。因此,亟待开展高分辨率多模式集合的地球工程试验,定量诊断地球工程实施对气候环境的影响。

(2)亟需地球工程不同实施当量、持续时间、实施要素的对比分析。本文采用GeoMIP设定的地球工程实施当量对比分析了两种情景下的极端降雨。GeoMIP设定的地球工程实施当量、持续时间和实施要素是否最优,是否达到了人工降温的最佳阈值,对于这一问题,学界目前尚不清晰。因此,需要开展地球工程实施的多种对比,从理论上诊断地球工程实施的最优参数。

(3)地球工程实施的风险评估研究。地球工程实施在带来降温利处的同时,势必引发其他方面的不利影响。因此,对地球工程实施风险评估具有重要作用。从多因素、多过程、多参数角度出发,诊断地球工程实施不同阶段带来的孕灾环境稳定性、致灾因子频率-强度-持续时间、承灾体韧性等变化情况,在此基础上基于区域灾害系统理论,系统评估地球工程实施对特定承灾体造成的风险。

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水利水电技术

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