高排放和低排放路径下，未来20年极端天气在各地区的极端趋势

全球变暖正在迅速改变社会和生态系统所能适应的气候条件。尽管平均和极端气候的变化幅度已经受到广泛研究，但与气候风险关键驱动因素——区域变化率相关的研究却较少。本研究利用气候模式模拟的大集合表明，预计未来20年内，在高排放情景下，热带和亚热带的大部分地区，包括目前全球人口的70%，温度和降水极端值的联合变化率将达到强（>2 s.d.），而在强减排情景下，这一联合变化率将下降到20%。这些变化主要是由极端温度造成的，与工业化前时期相比，世界上大部分地区都经历了不寻常的速率（>1 s.d.），但在北部高纬度地区、南亚和东亚以及赤道非洲，极端降水也发生了异常变化。然而，未来20年内趋势的内部变率很高，这意味着在短期内极端降水仍有可能出现相反的趋势，极端温度将很少出现但并非毫无可能。此外，迅速清除排放的气溶胶（主要是在亚洲上空）导致极端温暖事件同步迅速增加，同时影响了亚洲夏季季风。

目前，全球平均地表变暖持续速度在过去至少2000年里前所未有。然而，气候风险以及自然和社会适应这些新条件的能力，主要取决于当地平均和极端条件的变化率。虽然由于气候系统在各种时间尺度上的自然和内部变率，自然界和社会已经习惯了一定程度的区域变化，但可以预期，比这更快发生的变化将产生更加强烈的影响。

此外，社会似乎特别容易受到极端变化的强烈影响，特别是当多种危险同时增加时。复合事件的风险也在增加，即极端条件同时或连续发生，它们可以非线性地组合在一起，导致比每个单独成分的总和预期更大的影响。

在本文中，我们利用气候模式比较项目第6阶段（CMIP6）气候模式模拟（ACCESS-ESM1-5、EC-Earth3、CanESM5和MPI-ESM1-2-LR）的四个大型组合，与工业化前（PI）的速率和变率相比，研究了2021-2040年及以后的极端温度和降水的预估变化率；研究的主要新颖之处在于量化当前的强迫变化和内部变率如何相互作用，并在一组常用的变化指标的十年时间尺度上发挥作用。本研究还举例说明，即使在温室气体和气溶胶排放得到有力缓解的情况下，极端事件的近期区域变化率如何被预估为超过典型PI变率的加速。然后分析了极端温度和5天降雨事件的联合近期演变，并检查世界上有多少人口将在一个或两个指数中经历前所未有的速度。最后，讨论了到2080年这两个指数的20年变化趋势，以及近期气溶胶排放变化对区域极端事件变化率的影响。

图1显示了一年中最潮湿的5天期间（rx5天）的年最高日最高温度（TXx）和降水量的近期（2021-2040）变化率，并与PI条件下20年趋势的分布进行了比较。所示结果来自ACCESS-ESM1-5。ACCESS-ESM1-5在IPCC评估范围内具有平衡气候敏感性（ECS）（3.9℃；方法），并且本研究所使用的四个模型共同广泛地涵盖了范围。这包括一个热模型，ECS为5.6℃（CanESM5）。我们展示了一系列IPCC AR6区域，其中多个模型预测了相对于PI的明显速率变化，优先考虑了当前人口密度高的地区（图2），并确保了我们发现明显变化的所有人口稠密大陆的代表性（方法）。其余区域如图 1和2所示。

对于TXx，发现在ACCESS-ESM1-5整体（Kolmogorov-Smirnov（K-S）检验，P < 0.05，*；方法）中，相对于PI的20年变化率的近期分布中存在非常强的暖移，适用于图1a中所有区域以及高排放和低排放情景。而在共享社会经济路径5-8.5（SSP5-8.5）中，通常可以看到相对于PI的较大变化在SSP1-2.6中，两种情景的速率分布都发生了显著变化，与总体集合分布相比，情景差异较小。虽然CanESM5的变化更明显，而MPI-ESM1-2-LR的变化不那么明显，但其他模型的结果总体格局相似。这些结果可能反映了它们不同的气候敏感性。

图1b显示了Rx5天的等效结果。相对于PI趋势，极端降水明显快速变化的区域包括北纬中高纬度地区、低纬度亚洲国家和赤道非洲国家。短期和PI之间的变化率差异不像TXx那样明显，这主要是由于降水的变率较高。尽管如此，除了西非区域外，在这两种情景中都可以看到向极端湿润的显著转变，近期总体平均速率超过了1 s.d.。

研究了两个指数的预测变化率的联合演变。图2（地图）突出显示了在不久的将来相对于PI时期的联合变化率发生重大变化的区域。突出显示的区域总体平均联合速率的变化大于2 s.d.。4个模型中至少有3个模型的PI趋势变率，这可以解释为一个地区很可能经历了20年或更长时间的持续的、前所未有的变化速率，因为基于大集合的＞2 s.d.趋势在有限的样本量下发生在现实世界的单一实现中的概率很低。在SSP5-8.5情景下，超过三分之一的陆地区域在2021-2040年期间经历了大于2 s.d.的联合变化。这些地区集中在低纬度地区，往往包含特别容易受到气候变化影响的低收入国家，加剧了复合灾害带来的气候风险。南亚和阿拉伯半岛预计也将在SSP1-2.6下出现这些极端联合变化。如果将PI变率的判据减弱为1 s.d.，在SSP5-8.5情景下，几乎所有地区都经历了这样的联合短期变化，在SSP1-2.6下也是如此。

图 2  TXx和Rx5day的区域联合近期趋势。中央地图突出显示了2021-2040年TXx和Rx5天的总平均组合变化率超过2秒的区域。在SSP5-8.5（浅绿松石色阴影）、SSP1-2.6和SSP5-8.5（深绿松石色阴影；方法）的4个模式中，至少有3个模式的PI 20年变化率。来自世界网格人口数据集第4版的2020年人口密度用红色阴影显示。散点图显示，对于所选区域，每个集合成员（点）在2021-2040年每十年的TXx （x轴）与Rx5天（y轴）的趋势，以及基于ACCESS-ESM1-5集合的SSP1-2.6（蓝色）和SSP5-8.5（红色）的集合平均趋势和s.d.差（交叉）。椭圆表示20年趋势的PI变率的置信区域：实线表示第40百分位置信椭圆（对应于大约1 s.d），虚线表示第865百分位椭圆(~2 s.d；方法)。整体平均PI趋势用一个小黑叉表示。

在SSP5-8.5情景下，近70%的世界现有人口将经历两个指数组合的前所未有的联合变化率，83%非常不寻常，91%不寻常。即使在强有力的减缓措施（SSP1-2.6）下，全球仍有20%的人口将经历超过2 s.d.的PI趋势，而在SSP5-8.5情景下，60 %的人口经历大于 1.5 s.d.和77%的人口经历大于1 s.d.的PI趋势，很大比例的人口将经历前所未有（21%）、极不寻常（73%）或不寻常（89%）的极端气温变化率。在强缓解下，这一比例会降低，但在极不寻常和异常变化率下，这一比例仍分别达到38%和75%。

正如预期的那样，在SSP5-8.5情景下，整个21世纪的变化率仍然很高，而在SSP1-2.6情景，变化率普遍下降，并且与到2080年的PI率基本一致。然而，即使在非常有力的减排和符合《巴黎协定》的全球变暖的情况下，直到2060年，依旧存在极端事件强迫变化率高的地区，特别是极端温暖事件。因此，有必要进一步研究在全球变暖稳定之前和之后的变化率。对于气溶胶，即在2021-2040年期间，SSP1-2.6和SSP3-7.0的温室气体浓度趋势只有中等差异，但气溶胶趋势存在显著差异，主要是在亚洲。研究还发现，气溶胶清理与南亚和东亚部分地区夏季和冬季最温暖天数的增加有关，并伴有冬季（12月至1月至2月）湿润。这些结果与预期的区域近源气溶胶引起的地表冷却损失的影响一致。

目前的分析主要基于气候模式模拟的大集合，这使得能够探索内部变率的作用，同时也能够确定模式的强迫响应。然而，这取决于模式是否能够真实地模拟年代际变化速率及其对气候强迫的反应。总体而言，在所研究的四个模式中，极端炎热和极端潮湿都有强劲的演变，尽管存在与季风气候等已知偏差相一致的区域差异，并且响应强度与模拟的ECS大致一致，特别是对于TXx。从单个实现来看，即使在20年的时间尺度上，区域变化率也存在很大的差异，包括趋势迹象的不确定性。虽然缺乏PI观测使得描述极端气候中的极端变化率具有挑战性，但大型综合数据确实表明了在PI时期和现在之间变化率可能发生的变化。气候模式在表示诸如对流极端降水等过程方面也存在缺陷，这些过程必须在该分辨率下参数化，或平均状态偏差。另一个需要注意的问题是本文使用了全球的、粗分辨率的模型和大的地理区域，这些并不能捕捉到趋势的全部空间模式，而区域高分辨率模型将对这些模式有用。此外，目前分析中使用的指数（TXx , Rx5day , CDD）是有用的，但并不一定是所有地区最相关的影响。

研究发现，在未来几十年的许多区域，极端天气的区域趋势很可能远远超出内部变率，影响到全球人口的很大一部分，即使在大力减缓排放的情况下也是如此。这些结论强调，即使在低排放情景下，也需要在未来20年内继续减缓和适应可能前所未有的变化。