气候变化的检测与归因

中国科学院大气物理研究所气候变化的检测与归因中国科学院大学资环学院研究生核心课《气候变化科学概论》提纲气候变化检测与归因研究的意义气候变化检测归因的常用方法IPCCAR5总结的检测归因结果中国气候变化的检测与归因单一事件的归因3“极有可能的是，观测到的1951-2010年全球平均地表温度升高的一半以上是由温室气体浓度的人为增加和其他人为强迫共同导致的”。检验归因方法所回答的科学问题19901995200120072013www.ipcc.ch气候变化的检验和归因：IPCC报告的关注焦点FAR-1990Chapters:1GreenhouseGasesandAerosols2

RadiativeForcingofClimate3ProcessesandModelling4

ValidationofClimateModels5EquilibriumClimateChange-anditsImplicationsfortheFuture6Time-DependentGreenhouse-Gas-InducedClimateChange7ObservedClimateVariationsandChange8DetectionoftheGreenhouseEffectintheObservations9SeaLevelRise10EffectsonEcosystems11NarrowingtheUncertainties:AScientificActionPlanforImprovedPredictionofGlobalSAR-1995Chapters:1TheClimateSystem:anOverview2RadiativeForcingofClimateChange3ObservedVariabilityandChange4ClimateProcesses5Climatemodels-Evaluation6Climatemodels-ProjectionsofFutureClimate7ChangeinSeaLevel8DetectionofClimateChangeandAttributionofCauses9TerrestrialBioticResponsestoEnvironmentalChangeandFeedbacksofClimate10MarineBioticResponsestoEnvironmentalChangeandFeedbacksofClimate11AdvancingourUnderstandingTAR-2001Chapters:1TheClimateSystem:anOverview2ObservedVariabilityandChange3TheCarbonCycleandAtmosphericCarbonDioxide4AtmosphericChemistryandGreenhouseGases5Aerosols,DirectandIndirectEffects6RadiativeForcingofClimateChange7PhysicalProcessesandFeedbacks8ModelEvaluation9ProjectionsofFutureClimateChange10RegionalClimateInformation-EvaluationandProjections11ChangeinSeaLevel12DetectionofClimateChangeandAttributionofCauses13ClimateScenarioDevelopment14AdvancingourUnderstandingAR4-2007Chapters:1HistoricalOverviewofClimateChangeScience2ChangesinAtmosphericConstituentsandRediative3Observations:AtmosphericSurfaceandClimateChange4Observations:ChangeinSnow,IceandFrozenGround5Observations:OceanClimateChangeandSeaLevel6Paleoclimate7CouplingBetweenChangesintheClimateSystemandBiogeochemistry8ClimateModelsandtheirEvaluation9UnderstandingandAttributingClimateChange10GlobalClimateProjections11RegionalClimateProjectionsIPCCReportStructuresAR5-2013Chapters:1Introduction2Observations:AtmosphericandSurfaceandClimateChange3Observations:Ocean4Observations:Cryosphere5InformationfromPaleoclimateArchives6CarbonandOtherBiogeochemicalCycles7CloudsandAerosols8AnthropogenicandNaturalRadiativeForcing9EvaluationofClimateModels10DetectionandAttributionofClimateChange:fromGlobaltoRegional11Near-termClimateChange:ProjectionsandPredictability12Long-termClimateChange:Projections,CommitmentsandIrreversibility13SeaLevelChange14ClimatePhenomenaandtheirRelevanceforFutureRegionalClimateChangeAR6Chapters:何为检测和归因？78检测：发现某种显著的“变化”9检测：需要利用某种指标来描述“变化”SSTPDOAerosolGHGSolar+volcanolanduse归因：找到影响变化的主要因子气候变化：归因什么？12主要增暖时段：1900-1940和1970-至今1998-2012：增暖不明显,hiatus,pause较之1850−1900年，2003−2012年间的全球地表平均温度上升0.78℃［0.72～0.85］AR5：观测的全球平均表面温度（海洋＋陆地）变化GHG&AerosolsVolcanicaerosolsPacificDecadalOscillation,AtlanticMulti-decadalOscillation16内部变率和外强迫内部变率:ENSO、PDO/IPO、AMO等海气过程产生自然因素导致的外强迫：太阳辐射变化和火山喷发导致平流层硫化气溶胶增加人类活动导致的外强迫：人类活动引起的温室气体、气溶胶、臭氧浓度变化、土地利用实际变化=内部变率+自然变化+人为变化PDO海温型气候变化归因什么？1718何谓气候变化的归因？它关注的主要科学问题？气候变化：包括各种时间尺度的变化信息。气候变化的检测：证实气候在某种统计意义上发生了变化，但是并不涉及气候变化的成因。如果观测到的某种变化单独由于内部变率本身随机发生的可能性很小，如＜10%，则可以说这种变化被检测到了。气候变化的归因：在一定置信度水平上确认检测到的气候变化的最可能成因。气候变化科学上用检测和归因方法，来判断人类活动是否引起了全球气候的变化。提纲气候变化检测与归因研究的意义气候变化检测归因的常用方法IPCCAR5总结的检测归因结果中国气候变化的检测与归因单一事件的归因如何做气候变化归因研究？模拟试验观测资料统计方法气候变化归因的三要素

在有足够完整的资料以计算区域趋势的时期内，全球几乎所有地区都是增暖的全球变暖是确信无疑的WarmingoftheclimatesystemisunequivocalAR5：1901-2012表面温度线性趋势气候系统模式：是封装了大量自然定律的计算机程序，是对气候系统中物理、化学和生态过程的数学表达。包括大气、海洋、陆面和海冰四个基础子系统研发工作需要基于对气候系统基本规律的认识研发工作需要多学科交叉需要高性能计算机和海量存储系统支撑什么是气候系统模式？大气模式海洋模式陆面模式海冰模式耦合器“气候模式是人类发展的最为复杂的模拟工具之一，是理解和预测气候及其变化的基础，是支撑气候相关决策的重要工具。未来二十年，美国气候模拟事业必须快速发展以适应国家需求、保持国际竞争力。”

--引自《推动气候模拟的美国国家战略》美国橡树岭国家实验室Gaea气候研究超级计算机气候模式是气候归因模拟不可或缺的工具全强迫试验、分离强迫试验和工业革命前参考试验24全强迫试验：综合考虑人为和自然外强迫变化分离强迫试验：单独考虑某一类或某一种外强迫变化工业革命前参考试验：CO2浓度设为工业革命前的水平25常用归因方法主要基于数理统计和气候模式结合的方法来做归因研究：

时间序列法、最优指纹法等。时间序列法将计量经济学中的因果关系检验法应用到气候变化的检测和归因中。该因果关系检测方法既考察变量间的相互关系，又考虑其自身的变化。最优指纹法（Fingerprint）是一种通过最大化信噪比，增强气候变化信号特征，使之排除内部变率噪声干扰的技术方法。2620世纪温度演变：全强迫、自然强迫（满文敏，周天军等，2010，大气科学）单模式、单成员的模拟结果容易受到噪音的影响27FAQ10.1,Figure1,IPCCWG1AR5全球平均表面温度的模拟AllenandStott,2003Nature28最优指纹法最优指纹法可以用广义多元回归来实现，即把观测的气候变化y看作是外部强迫引起的气候变化信号X的线性叠加，再加上气候系统内部变率u，公式为：y＝Xa＋u其中y是经过滤波的观测资料，使其能够充分反映观测气候的时空变化；矩阵X包括对外部强迫响应信号，a为对应这些信号的响应系数，u为内部气候变率。a显著大于0，表示可检测到该外强迫因子对观测的影响。AllenandStott,2003Nature29最优指纹法y＝Xa＋u矩阵X的信号可以利用复杂的地球系统模式，或简化气候模式如能量平衡模式(EBM)获取。利用CGCM模拟外部强迫下的气候变化时，既包含气候系统对外部强迫的响应，也包含了气候系统内部变率要估计该外部强迫下的气候响应信号X，需要对多成员模拟做集合平均来消除内部变率的影响。要估计响应系数a，还需要估计内部气候变率。由于观测序列太短，而且还包括外强迫因子的影响，不适合用来计算内部变率，一般用耦合模式的控制试验计算内部变率。Optimaldetection结果示例如何看检测归因的结果？Solidsymbols:bestestimatesofregressioncoefficients(β);Soliderrorbars:5-95%uncertaintyrangesofβ;Dashederrorbars:5-95%uncertaintyrangesofβwhentheinternalvariabilityisdoubled.气候变化归因三要素与不确定性模拟试验观测资料统计方法气候变化归因的三要素

32归因方法的不确定性观测资料的不确定性。观测资料是对比的基础和参照物，观测资料的准确性决定了归因研究的可靠程度。外强迫资料的不确定性。目前所用的外部强迫资料存在很大不确定性。人类排放的气溶胶、人为外强迫中土地覆盖的变化、太阳辐射强迫时间序列在超过11年周期的低频振荡部分、火山喷发的时间、火山喷发硫酸盐气溶胶引发的辐射强迫量值。33归因方法的不确定性

3.模式的不确定性。

利用简单或复杂的气候模式进行气候变化归因研究，要求模式能较准确地描述地球系统各圈层的物理、生物和化学等过程、以及与外强迫的相互作用和反馈。而目前的模式性能尚不完善。提纲气候变化检测与归因研究的意义气候变化检测归因的常用方法IPCCAR5总结的检测归因结果中国气候变化的检测与归因单一事件的归因AR5的检测归因主要结论大气中的气候变化现象的归因海洋中的气候变化现象的归因极端事件的归因全球平均温度的模拟温室气体自然全强迫表面温度趋势的模拟温室气体对观测的温度变化的影响IPCC2013温室气体强迫（绿线）、其他人为强迫（黄色）和自然强迫（蓝色）Solar,VolcanicAerosolsCO2,CH4,N2OAnthropogenicInternalVariabilityObservedFig.TS.101951−2010观测全球平均温度升高约0.6°C－0.7°C这非常有可能（Itisextremelylikely）是由人类活动主导的人类活动显然对气候系统存在影响©IPCC2013不同因子对1951年来的全球平均温度的升高的贡献Globalmeanwarmingsince1951(°C)表面温度趋势的模拟蓝线：自然强迫红线：人类活动＋自然强迫41大气中的气候变化现象的归因-温度极有可能的是，观测到的1951-2010年全球平均地表温度升高的一半以上是由温室气体浓度的人为增加和其他人为强迫共同导致的。人类活动引起的变暖最佳估计值与这个时期观测到的变暖相似。1951-2010年间，温室气体造成的全球平均地表增温可能在0.5°C至1.3°C之间，包括气溶胶降温效应在内的其它人为强迫的贡献可能在-0.6°C至0.1°C之间。自然强迫的贡献可能在-0.1°C至0.1°C之间，自然内部变率的贡献可能在-0.1°C至0.1°C之间。综合起来，所评估的这些贡献与这个时期所观测到的约0.6°C到0.7°C的变暖相一致。在除南极以外的每个大陆地区，人为强迫可能对20世纪中叶以来的地表温度升高作出了重要贡献。对南极地区，很大的观测不确定性导致人为强迫对现有台站观测到的变暖具有贡献这一结论具有低信度。可能的是，人类活动对20世纪中叶以来北极明显的变暖具有贡献。IPCC，201304pm,08July,2016降水变化的检测归因降水变化的检测归因1925-1999changesinobservedandsimulatedprecipitationanomalies.Green(oryellow)shading:increasing(ordecreasing)trendsinbothobservationsandmodels;greyshading:disagreementbetweenobservedandsimulatedtrends.(Zhangetal.,2007,Nature)降水变化的检测归因Anthropogenicforcinghasadetectableinfluenceonobservedchangesinaverageprecipitationwithinlatitudinalbands,including:increasesinprecipitationintheNHmid-latitudes,dryingintheNHsubtropicsandtropics,moisteningintheSHsubtropicsanddeeptropics.(Zhangetal.,2007,Nature)“Theexpectedanthropogenicfingerprintsofchangeinzonalmeanprecipitation--reductionsinlowlatitudesandincreasesinNHmidtohighlatitudes--havebeendetectedinannualandsomeseasonaldata”.IPCCAR5,201320世纪后半叶，纬向平均陆地降水趋势的检测和归因结果46大气中的气候变化现象的归因-降水相对于地表气温的检测归因，降水的归因要困难得多。因为降水仅在陆地区域有长期观测值，而在覆盖范围以及均一性方面，降水数据存在很大的问题。因此，由于数据问题、模式模拟结果的不一致、降水的低信噪比，这些都造成现阶段无法对降水的变化作更高信度的评估。IPCC，201347大气中的气候变化现象的归因-降水可能的是，人为活动影响了1960年以来的全球水循环。人为影响对观测到的大气水汽含量的增加（中等信度），全球尺度陆地降水分布的变化（中等信度），资料充分的陆地地区强降水的加强（中等信度），以及海洋表层和次表层盐度的变化（很可能）作出了贡献。IPCC，201348极端温度事件强度和频率变化的检测结果IPCC201349极端事件的归因近几十年极端温度的变化中可以检测到人类活动的影响：人为因子对极端暖夜频率及强度的增加和极端冷日频率及强度减少存在显著影响；人为强迫可能已使极端温度的风险大大增加。在全球和半球尺度上，可以检测到人类活动对极端降水的影响：人类活动很可能对全球20世纪后半叶强降水事件的增加是有贡献的；人类活动导致的全球变暖对北半球20世纪下半叶2/3的陆地区域上极端强降水事件的增加是有贡献的。由于观测的不确定性，以及难以从干旱事件的长期趋势中辨别出年代际尺度变率，将20世纪中期以来全球陆地区域的干旱变化归因于人类影响具有低信度。由于噪音的增加、不确定性、其他因子的影响，在小的空间尺度上检测人类活动比较困难。IPCC，2013提纲气候变化检测与归因研究的意义气候变化检测归因的常用方法IPCCAR5总结的检测归因结果中国气候变化的检测与归因单一事件的归因中国温度变化的归因AnnualmeantemperatureanomaliesaveragedacrossChinafromobservationandmodelsimulationsduringtheperiodof1961−2005.Shadedbands:multi-modelrange.OBS:observedtrend;ANT:anthropogenicinfluences;NAT:includesonlysolarirradianceandvolcanicactivity;GHG:greenhousegases;AA:anthropogenicaerosols;LU:landusechangeXuetal.2015,CLIMATERESEARCH中国温度变化的归因Scalingfactorsandtheir5−95%uncertaintyrangesforanthropogenicandnaturalexternalforcings(ALL);greenhousegases(GHG);anthropogenicinfluences(ANT);solarirradianceandvolcanicactivity(NAT);andlandusechanges(LU)from1-signal;(b)attributablewarmingandtheir5−95%uncertaintyrangesfrom1-signal(ALLandGHG)and2-signalanalysis(ANTandNAT)Xuetal.2015,CLIMATERESEARCH53中国温度变化的检测与归因可以检测到温室气体和人为气溶胶强迫共同作用对1961-2005年中国年平均温度变化的影响，其中人为外强迫的作用可以与自然强迫的作用被分离地检测出，温室气体强迫的作用也可以与其它因子的作用被分离地的检测出（Xuetal.2015)。华东温度变化的归因ObservedandsimulatedmeantemperatureinEasternChina.Theobservedsummertemperatureincreaseismainlyattributabletoanthropogenicforcing.(SunY.etal,2014,NCC)Scalingfactorsandattributablewarming55中国气候变化的检测与归因中国东部夏季气温的长期上升趋势可以检测到并可以归因于人类活动的影响，温室气体强迫是该增温最大的贡献因子，城市化导致的热岛效应是第二大贡献因子。由于人类活动对气候系统的影响，中国东部目前发生类似于2013年破纪录炎热夏季的可能性，比上个世纪50年代增加了60倍(Sunetal.2015)。温室气体对中国区域的四个日极端温度指数（TNn,TNx,TXnandTXx）的作用可与其他人为强迫因子分离开来(Wenetal.2013)。区域尺度降水变化归因是国际难点降水变化的归因Data:Historical,NaturalandRCP8.5Expsof17CMIP5modelsNo.ModelInstituteAtmosphericresolution(lat×lon)Historical(runs)HistoricalNat(runs)Rcp8.5(runs)Picontrol(years)1bcc-csm1-1BCC/China64×1281115002BNU-ESMBNU/China64×1281115593CanESM2CCCma/Canada64×1285559964CCSM4NCAR/USA192×2883335015CNRM-CM5CNRM-CERFACS/France128×2563336006CSIRO-Mk3-6-0CSIRO-QCCCE/Australia96×1925555007FGOALS-g2IAP-THU/China60×1281116008GFDL-CM3NOAAGFDL/USA90×1441115009GFDL-ESM2MNOAAGFDL/USA90ISS-E2-HNASA-GISS/USA90ISS-E2-RNASA-GISS/USA90adGEM2-ESMOHC/UK144×19244433913IPSL-CM5A-LRIPSL/France96×96111100014MIROC-ESMMIROC/Japan64×12811125515MIROC-ESM-CHEMMIROC/Japan64×12811153116MRI-CGCM3MRI/Japan160×32011150017NorESM1-MNCC/Norway96×144111501ObservationandModelDataObservation:dailyRain-gaugedatafromCMACMIP520CHistoricalclimatesimulation:ALLforcingrun:11models,54ensemblemembersANThropogenic

foring:6models,26membersGHGforcing:10models,34membersAAforcing:8models,22membersNATuralforcing:11models,37membersPIcontrol:10models,~6000yrs~15000yrsmodeldataareused,includingdailyprecipitationLineartrendsoflightprecipitationTheobserveddecreaseinlightprecipitationmainlycomefromthecontributionofGHGforcing.

AnthropogenicaerosolspartlyoffsetthecontributionoftheGHGs.Ma,S.,T.Zhou*,D.Stone,D.Polson,A.Dai,P.Stott,H.Storch,Y.Qian,C.Burke,P.Wu,L.Zou,andA.Ciavarella,2017:DetectableanthropogenicshifttowardheavyprecipitationovereasternChina.JournalofClimate,30,1381-1396LineartrendsofheavyprecipitationTheobservedincreaseofheavyprecipitationisdominatedbytheGHGforcing.

Ma,S.,T.Zhou*,D.Stone,D.Polson,A.Dai,P.Stott,H.Storch,Y.Qian,C.Burke,P.Wu,L.Zou,andA.Ciavarella,2017:DetectableanthropogenicshifttowardheavyprecipitationovereasternChina.JournalofClimate,30,1381-1396OptimaldetectionANTforcingdeterminestheforcedchangesintheALLforcingrun.ThedetectedresponsesinALLandANTforcingrunsaredominatedbyGHGforcing.Solidsymbols:bestestimatesofregressioncoefficients(β);Soliderrorbars:5-95%uncertaintyrangesofβ;Dashederrorbars:5-95%uncertaintyrangesofβwhentheinternalvariabilityisdoubled.Ma,S.,T.Zhou*,D.Stone,D.Polson,A.Dai,P.Stott,H.Storch,Y.Qian,C.Burke,P.Wu,L.Zou,andA.Ciavarella,2017:DetectableanthropogenicshifttowardheavyprecipitationovereasternChina.JournalofClimate,30,1381-1396中国夏季风降水变化的归因人类活动对20世纪后半叶东亚夏季逐日降水的变化具有可以检测到的影响；观测中极端降水增加和小雨的减少，可归因于GHG的影响，人为气溶胶部分抵消GHG的作用。Ma,S.,T.Zhou*,D.Stone,D.Polson,A.Dai,P.Stott,H.Storch,Y.Qian,C.Burke,P.Wu,L.Zou,andA.Ciavarella,2017:DetectableanthropogenicshifttowardheavyprecipitationovereasternChina.JournalofClimate,30,1381-1396提纲气候变化检测与归因研究的意义气候变化检测归因的常用方法IPCCAR5总结的检测归因结果中国气候变化的检测与归因单一事件的归因HeatWaveinChina:Aug201336-40oCHeatWaveinChina:Aug2013Shanghai:64-67oContheground,enoughtofrysteakData:AttributionexperimentsperformedwithCAM5.1andMIROC5ModelExperimentBoundaryConditionsSimulationsTimeperiodCAM5.1All-HistHistoricalgreenhousegasconcentrations,anthropogenicaerosolemissions,stratosphericozone,landcover,solarluminosity,naturalaerosolemissionsandtheobservedseasurfacetemperatures(SSTs)andseaiceconcentrations(SICs)derivedfromHadISST1andNOAA-OI-v250501959/01-2015/061996/01-2015/06Nat-HistAsinAll-Hist,butwithPre-industrialgreenhousegasconcentrations,anthropogenicaerosolemissions,stratosphericozone,andtheSSTsandSICsestimatedusingobservedvaluestosubtractthemulti-modelaverageoftheattributableoceanwarmingestimatedbyCMIP5models50501959/01-2015/061996/01-2015/06MIROC5All-HistAsCAM5.1ALL-Hist,buttheobservedSSTsandSICsonlyderivedfromHadISST110501950/01-2014/122006/01-2015/10Nat-HistAsCAM5.1Nat-Hist,buttheSSTsandSICsestimatedusingHadISST1valuestosubtractthemulti-modelaverageoftheattributableoceanwarmingestimatedbyCMIP5models502006/01-2015/08Histogram(bars)andprobabilitydensityfunctions(curve)ofJuly–AugustSATanomaliesaveragedoverCentralandEasternChinaCAM5MIROCMaShuangmei,ZhouTianjun*,etal.2017:AttributionoftheJuly-August2013HeatEventinCentralandEasternChinatoAnthropogenicGreenhouseGasEmissions.EnvironmentalResearchLetters,热浪的归因华东热浪事件的归因2013年7-8月的华东热浪事件，受到内部变