地球工程對全球陸地極端降雨影響的空間分異研究
摘要：
地球工程應對氣候變暖已成為近年來學界廣泛討論的焦點問題之一。基於BNU-ESM模式數據,採用百分位數閾值方法界定強降雨和極端強降雨事件,從氣候態特徵、變化趨勢和波動特徵三個角度對比分析了地球工程情景(G4試驗)和非地球工程情景(RCP4.5)下全球陸地強降雨量和極端強降雨量的空間分異特徵。結果表明:(1)在氣候態特徵上,地球工程實施並未從根本上改變強降雨和極端強降雨量的空間高低分異格局,僅數值上有所差異。兩種情景下氣候態差異特徵表明地球工程在2020—2069年實施期間對北(南)半球以抑制(促進)作用為主,而在2070—2099年實施結束後對北(南)半球以促進(抑制)作用為主。地球工程實施結束後相比實施期間促進了全球多數地區的強降雨和極端強降雨量。(2)在變化趨勢上,兩種情景下的強降雨量變化趨勢在2020—2069年存在一定差異特徵,而在2010—2099年和2070—2099年具有較高的一致性。兩種情景下的極端強降雨量變化趨勢則在2020—2069年和2070—2099年呈現出異質性。兩種情景下變化趨勢差異特徵表明, 2070—2099年地球工程均促進了強降雨和極端強降雨量增加趨勢。強降雨和極端強降雨量在地球工程實施前後均具有不同的區域性特徵。(3)在波動特徵上,地球工程實施不同階段強降雨和極端強降雨量波動特徵的空間高低分異格局相差不大,僅數值上有一定差異。兩種情景下波動差異表明地球工程實施不同階段均減小了強降雨量的波動特徵。但極端強降雨量則在2020—2069年和2070—2099年呈現出相反的波動差異特徵。地球工程情景下實施結束後的波動特徵明顯高於實施期間。
關鍵詞：
極端降雨; 地球工程; 空間格局; 氣候變化; 區域差異;
孔鋒(1986—),男,助理研究員,博士,主要研究方向為氣候變化與自然災害。E-mail:[email protected];
引用：
孔鋒 . 地球工程對全球陸地極端降雨影響的空間分異研究［J］. 水利水電技術，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.
基金項目：
國家重大科學研究計劃 ( 2015CB953603 ) ;
國家自然科學基金項目 ( 41801064，71790611 ) ;
中國氣象局氣候變化專項項目( CCSF201843，CCSF201844) ;
中亞大氣科學研究基金項目( CAAS201804)；
0 引言
全球氣候變暖導致的極端天氣氣候事件和各類相關自然災害頻發,給社會經濟安全和可持續發展帶來了深遠影響。應對氣候變化已成為全人類亟需面對的巨型時空的公共管理和可持續發展問題。隨著全球氣候變暖加劇,地球工程作為人類直接為地球降溫的手段,已成為應對氣候變化國際談判中頻繁提及和廣泛關注的焦點問題之一。地球工程理念引起廣泛關注,很大程度上源於荷蘭大氣化學家保羅·約瑟夫·克魯岑提出的“人類世”概念,即環境越來越受到人類活動影響的一個新的地質時期。克魯岑提出可以通過人工手段在平流層注入氣溶膠以應對氣候變化的設想。雖然他不是提出相關設想的第一人,但他擁有諾貝爾獎獲得者和廣受尊重的大氣科學家的地位,他的設想在同行中受到極大的重視,成為最近十幾年來地球工程研究的開端。現有研究認為提倡綜合評估地球工程利弊,促進地球工程研究從一個邊緣話題發展為一個廣闊的、國際性的、多學科交叉的研究領域。隨著地球工程話題受到越來越多的關注,地球工程是否是一個單一話題也引起了很多爭議。一種觀點認為應該分別針對特定的地球工程設想研究其成本、效益、風險等,從而判斷該技術是否可以或應該作為應對氣候變化的一種措施。而也有觀點認為現階段,還沒有特定的地球工程技術實踐,地球工程還不是具體的、穩定的、清晰的客體或設施,而是以干預氣候系統為目的,包含不同設想方案的一個很有爭議的概念。總而言之現有關於地球工程的研究較多從政策、倫理、道德、法律、地緣政治、經濟、社會等層面,定性分析地球工程實施可能帶來的風險,但由於缺乏科學數據的支撐,仍處於百花齊放百家爭鳴的階段。爭論的焦點主要是地球是一個相互作用、不斷演化的系統,不同圈層之間已成一種穩定態,一旦地球工程實施可能改變現有氣候系統格局,對依賴於現有氣候環境的經濟生產部門產生影響,甚至導致不可逆轉的後果。
針對地球工程的數值模擬和比較研究還處於起步階段。隨著《巴黎協定》1.5 ℃和2 ℃溫控目標的制定,引發了國際社會對地球工程的關注,並正在催生有關地球工程治理的動議。目前的知識還不能支持未來能否實施地球工程的決策。因此,筆者在2018年《災害學》第2期和第4期,基於BNU-ESM模式的地球工程G4試驗數據分別針對中國地區的極端降雨和總降雨,分析地球工程對其時空格局的影響。
地球工程一旦實施涉及整個大氣層,與全人類密切相關。地球工程對全球氣候影響如何,學界對此也尚不清楚。基於此,本文在前期研究基礎上,採用BNU-ESM模式的地球工程G4試驗數據和RCP4.5情景下的非地球工程數據,以強降雨和極端強降雨(統稱為極端降雨)為對象,對比分析兩種情景下的不同強度極端降雨變化特徵,從而定量診斷地球工程對極端降雨的可能影響。本文基於數值模擬的地球工程影響分析對於我國參與國際地球工程議案和相關治理具有科技參考作用。
1 數據和方法
本文采用的2010—2099年中國地區的非地球工程的日值降水預估數據是基於BNU-ESM模式在RCP4.5情景下的日值降水輸出結果,其空間分辨率是2.5°×2.5°,其經度範圍180°E—180°W,緯度範圍是90°S—90°N。該模式的觀測強迫數據使用的是1970年1月1日至1999年12月31日。
地球工程的日值降水預估數據則是基於BNU-ESM模式,在2020年1月1日至2069年12月31日進行的G4地球工程的試驗,即在大氣平流層中注射硫酸鹽氣溶膠來反射太陽輻射,從而降低全球溫度;在2070年停止注射,即地球工程措施實施停止,模式繼續運行至2099年12月31日,最後查看地球工程結束之後的降水響應。GeoMIP計劃包括G1、G2、G3、G4四個主要模擬試驗方案。其中,G1和G2研究直接減少太陽輻射地球工程(如減少太陽輻射常數)的氣候效應;G3和G4研究平流層注射氣溶膠地球工程的氣候效應。G3試驗模擬向平流層注射氣溶膠來改變輻射強迫。為了更加貼近現實情況,該試驗假設基於CMIP5中的RCP4.5情景,從2020年開始在平流層逐漸注入一定量的氣溶膠來平衡人類活動增加的二氧化碳所帶來的太陽輻射強迫。為了實現這一目標,G3試驗進一步假設,可以根據不同的平衡二氧化碳輻射強迫的需要,隨機注入相應適量的氣溶膠,來達到持續穩定的輻射強迫平衡狀態。G4試驗與G3試驗的機理類似,也是基於CMIP5中的RCP4.5情景,模擬了平流層注射氣溶膠的情況,但對具體的試驗假設條件作了改變與G3試驗致力於在整個試驗週期達到一個持續穩定的輻射平衡狀態不同,G4試驗假設從2020年開始,在平流層每年持續注射固定劑量的氣溶膠,進而觀察相應的氣候影響。BNU-ESM是GeoMIP計劃的15個參與模式之一。BNU-ESM中的大氣模式為CAM3.5,海洋模式為MOM4p1,陸面模式則採用由北京師範大學自主研發的公用陸面過程模式(CoLM)。BNU-ESM模擬方案都參照統一的模擬歸程,即第5次全球耦合模式比較計劃的規程,統一採用集合模擬的辦法去除模型本身的背景干擾,進而進行模擬影響的比較研究。已有研究成果表明該模式預測數據能夠較好的反映氣候特徵,具有較高的可信度 。根據WMO推薦的極端氣候指標定義,即將日降雨量超過95%和99%分位數的降雨事件分別定義為強降雨事件和極端強降雨事件。強降雨事件和極端強降雨事件的雨量即為強降雨量和極端強降雨量。為了對比地球工程實施不同階段其對強降雨量和極端強降雨量的影響,本文將研究時段劃分為整個研究時段2010—2099年、地球工程實施期間2020—2069年和地球工程實施結束後的2070—2099年。本文采用一元線性趨勢方法計算強降雨量和極端強降雨量的變化趨勢,具體的計算方法如下。
對於樣本量為n的某一強降雨量和極端強降雨量格點序列yj,用tj表示所對應的時刻,建立yj與tj之間的一元線性迴歸方程
式中,a、b均為迴歸係數。利用最小二乘法可求出a和b。
迴歸係數b的符號表示變量的線性趨勢。b>0表明隨時間增加呈增加趨勢;b<0表示隨時間增加呈減少趨勢。b的大小反映了變量增加或減少的速率。
本文采用變異係數表徵不同時段強降雨量和極端強降雨量的波動特徵。變異係數是衡量數據變異程度的統計量,是標準差與平均數絕對值的比值,可以用於衡量數據的波動性。其計算公式為
變異係數可以消除單位和平均值不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。變異係數越小(大),其波動程度越小(大)。波動程度的大小表達了極端降雨事件變異的程度,可以反映地球工程對極端降雨事件穩定性的影響。
2 結果與分析
2.1 地球工程對全球陸地強降雨氣候態特徵的可能影響
從強降雨氣候態特徵來看,如圖1所示,圖1中顏色越紅,表示年均強降雨量越少;顏色越藍,則表示年均強降雨量越多。據此可知,總體來看不同研究時段兩種情景下的全球陸地年均強降雨量的空間高低分異格局並未從根本上發生改變(見圖1),但不同研究時段全球陸地年均強降雨量在不同區域存在一定數值上的差異。具體來看,在整個研究時段即2010—2099年,全球陸地年均強降雨量最多的地區主要集中在東亞、南亞、東南亞、北美洲西海岸、美國東部、中美洲北部、南美洲亞馬遜流域地區、撒哈拉以南的非洲、澳大利亞北部的沿海地區等。上述地區的年均強降雨量普遍高於450 mm,如圖1(a)、(b)所示,究其原因,這些地區是全球典型季風區,水汽來源充足,對流活動顯著,大尺度天氣過程活躍,加之地形地勢起伏較大,有利於強降雨事件發生。全球陸地年均強降雨量最少的地區則主要集中在非洲的撒哈拉地區、西亞、中亞和南極洲等地。上述地區的年均強降雨量普遍低於100 mm,且多數地區低於50 mm。2020—2069年和2070—2099年全球陸地的年均強降雨量與2010—2099年的全球陸地年均強降雨量的空間相關係數分別為0.53和0.56(n=2 658),均通過了0.01顯著性水平的檢驗,如圖1(c)—(f)所示。這表明地球工程實施的不同階段並未從根本上改變全球陸地年均強降雨量的空間高低分異格局。值得注意的是地球工程實施的2020—2069年,地球工程情景下的南極洲年均強降雨量明顯高於同時段非地球工程情景,但2070—2099年該情景下南極洲年均強降雨量又逐漸恢復至原有水平,說明地球工程實施結束後其對強降雨量的影響逐漸被抹平。
圖1 兩種情景下不同研究時段全球陸地年均強降雨量的空間分異特徵
進一步地,為了對比兩種情景下不同研究時段的全球陸地年均強降雨量差異特徵,我們採用不同研究時段地球工程情景下的全球陸地年均強降雨量減去對應時段非地球工程情景下的全球陸地年均強降雨量,結果如圖2所示。圖2中顏色越紅,表示地球工程情景下年均強降雨量越低於非地球工程情景;顏色越藍,則表示地球工程情景下年均強降雨量越高於非地球工程情景。據此可知,從2010—2099年整個研究時段來看,地球工程情景下年均強降雨量比非地球工程情景偏多的地區較少,主要分佈在澳大利亞中部、墨西哥、美國中部局地、巴西東北部等地,偏多幅度大多在25～100 mm左右[見圖2(a)]。而全球陸地年均強降雨量偏少的地區主要集中在非洲中部、東南亞、南美洲西北部等地,偏少幅度大多在50 mm以上。從地球工程實施的2020—2069年來看,地球工程情景下年均強降雨量比非地球工程情景偏多的地區主要集中在澳大利亞中部和南部、非洲中南部、墨西哥、南美洲東部地區[見圖2(b)],偏多幅度普遍超過50 mm;而偏少的地區則主要集中在非洲中部、歐洲中部、東南亞、中國東南部、美國東部和西北、加拿大西南、南美洲西北等地,偏少幅度普遍超過100 mm。相比2010—2099年整個研究時段,地球工程實施的2020—2069年,地球工程情景下的全球陸地年均強降雨量比非地球工程情景偏多和偏少的地區均有所增加,且分異明顯。從地球工程實施結束後的2070—2099年來看,地球工程情景下相比非地球工程情景而言,年均強降雨偏多的地區主要中在中國西南和北部及朝鮮半島、中南半島、美國中東部、非洲中東部等地[見圖2(c)];而偏少的地區則主要集中在非洲中北部、南美洲北部、印度尼西亞群島等地,且偏少幅度超過100 mm。通過對比發現,地球工程實施的2020—2069年期間,南半球陸地年均強降雨量增多的地區有所增加,而北半球年均強降雨量減少的地區有所增加。地球工程實施結束後的2070—2099年期間,北半球強降雨增多的地區有所增加,而南半球強降雨減少的地區有所增加
圖2 地球工程對全球陸地年均強降雨量影響的空間差異特徵
同時我們對比了地球工程情景下地球工程實施前後全球陸地年均強降雨量的差異特徵,即採用地球工程實施結束後的2070—2099年的全球陸地年均強降雨量減去實施期間2020—2069年的全球陸地年均強降雨量,結果如圖3所示。圖3中顏色越紅,表示地球工程實施期間相比結束後有助於強雨量的增加;顏色越藍,則表示地球工程實施結束後相比實施期間有助於強降雨量的增加。據此可知,針對地球工程情景而言,地球工程實施結束後的2070—2099年相比地球工程實施的2020—2069年,全球陸地多數地區的年均強降雨偏多,主要集中在歐洲、撒哈拉以南的非洲、東亞、南亞、東南亞、北美洲西部和南部、南美洲等地。而偏少的地區則主要集中在撒哈拉地區、西亞、南極洲等地區。這可能是因為地球工程實施的2020—2069年大氣中的凝結核井噴式增多,過多的凝結核分散了水汽,抑制了強降雨事件發生;而地球工程實施結束後的2070—2099年凝結核逐漸減少,但相比非地球工程情景而言還是偏多,加之全球變暖逐漸恢復,水汽來源充足且循環加快,導致強降雨事件增多。撒哈拉和西亞地區主要是因為水汽較少,過多的凝結核分散了水汽,導致強降雨事件減少。
圖3 地球工程實施前後全球陸地年均強降雨量影響的空間差異特徵
2.2 地球工程對全球陸地極端強降雨的可能影響
極端強降雨氣候態特徵如圖4所示。圖4中顏色越紅,表示年均極端強降雨量越少;顏色越藍,則表示年均極端強降雨量越多。據此可知,兩種情景下不同研究時段的全球陸地年均極端強降雨量的空間高低分異特徵並未從根本上發生改變。其中全球陸地年均極端強降雨量較多的地區主要分佈在東亞、東南亞和南亞南部等地(見圖4)。其他地區的年均極端強降雨量相對較少。地球工程實施後的2070—2099年相比2020—2069年,東亞、東南亞和南亞南部地區的年均極端強降雨量明顯偏多。綜上可知,地球工程雖改變了全球陸地不同地區的極端強降雨量,但並未從根本上改變極端強降雨量的空間高低分異格局。
圖4 兩種情景下不同研究時段全球陸地年均極端強降雨量的空間分異特徵
進一步地,我們採用地球工程情景下不同研究時段的全球陸地年均極端強降雨量減去非地球工程情景下對應時段的全球陸地年均極端強降雨量,結果如圖5所示。圖5中顏色越紅,表示地球工程抑制了極端強降雨事件;顏色越藍,則表示地球工程促進了極端強降雨事件。據此可知,從2010—2099年整個研究時段來看,地球工程對全球陸地年均極端強降雨量的影響較小,僅中南半島局部地區抑制作用明顯[見圖5(a)]。從地球工程實施的2020—2069年來看,其主要抑制了中國西南、中南半島、澳大利亞北部、非洲中部、北美洲大部、南美洲北部大部分地區的極端強降雨量,其他地區影響不明顯[見圖5(b)]。從地球工程實施結束後的2070—2099年來看,其促進了全球多數地區的極端強降雨量,集中在非洲中部、南亞、中國西南和東北、中南半島、東南亞、北美洲北部和東南、南美洲大部分地區[見圖5(c)]。綜上通過不同研究時段對比來看,地球工程實施期間對全球陸地極端強降雨量的影響主要以抑制作用為主,地球工程實施結束後則主要以促進作用為主。地球工程不同實施階段主要是通過凝結核的多少來和降溫後的水汽循環變慢、對流活動減弱來影響極端強降雨事件。
圖5 地球工程對全球陸地年均極端強降雨量影響的空間差異特徵
同時為了進一步對比地球工程情景下地球工程實施前後對極端強降雨量的影響,我們採用地球工程實施結束後2070—2099年的全球陸地年均極端強降雨量減去地球工程實施期間2020—2069年的全球陸地極端強降雨量,結果如圖6所示。圖6中顏色越藍,表示地球工程實施結束後的2070—2099年越有利於極端強降雨量的增加;顏色越紅,則表示地球工程實施的2020—2069年越有利於極端強降雨量的增加。據此可知,地球工程實施結束後的2070—2099年有利於全球陸地多數地區極端強降雨量的增加,主要集中在非洲中部、南亞、東南亞、中國大部、北美洲北部、澳大利亞北部、南美洲大部等地。而地球工程實施的2020—2069年,僅在澳大利亞東部和西南、非洲南部局地、南美洲局地等地有利於極端強降雨量的增加。綜上對比可知,地球工程實施結束後相比地球工程實施期間而言,對全球陸地極端強降雨量的促進作用更為明顯。
圖6 地球工程實施前後全球陸地年均極端強降雨量影響的空間差異特徵
2.3 地球工程對全球陸地強降雨變化趨勢的可能影響
從強降雨量變化趨勢來看,整個研究時段兩種情景下的強降雨量變化趨勢空間高低分異格局具有相似性,僅是不同地區增減趨勢數值上存在不同差異特徵,如圖7(a)、(b)所示。2010—2099年兩種情景下全球陸地強降雨量變化趨勢的空間相關為0.51(n=2 658),通過了0.01顯著性水平的檢驗。表明地球工程的實施在整個研究時段並未從根本上改變強降雨量變化趨勢分異格局。從2020—2069年來看,兩種情景下強降雨量變化趨勢空間格局明顯發生了變化,如圖7(c)、(d)所示。其中地球工程情景下主要促進了非洲中部東北、阿拉伯半島、東亞、南亞、澳大利亞、加拿大西部、美國東部、南美洲大部分地區的強降雨量。而抑制作用為主的主要集中在非洲南部等地。非地球工程情景下,全球強降雨量呈減少趨勢的地區明顯增多,主要分佈在非洲西海岸、西亞、東歐、中亞、中國南部、東南亞、澳大利亞大部、南美洲北部等地區;而呈增加趨勢的地區則主要集中在非洲中東部、西歐、北歐、西伯利亞、中國中北部、加拿大美國西部、南美洲南部等地。從2070—2099年來看,兩種情景下全球陸地強降雨量變化趨勢具有較大一致性,僅在部分地區具有一定差異,差異較大的地區主要集中在中國東南沿海、東北亞、南亞、南美洲南部等地區。
圖7 兩種情景下不同研究時段全球陸地強降雨量年際變化趨勢的空間分異特徵
進一步地,我們對比了兩種情景下強降雨量變化趨勢差異特徵,即採用不同研究時段地球工程情景下的強降雨量變化趨勢減去對應時段非地球工程情景下的強降雨量變化趨勢,結果如圖8所示。圖8中顏色越紅,表示地球工程抑制了強降雨量增加,顏色越藍,則表示地球工程促進了強降雨量增加。據此可知,整個研究時段兩種情景下的強降雨量變化趨勢整體差異不大[見圖8(a)],僅在非洲中部的東北地區,地球工程抑制了強降雨量增加。從2020—2069年來看,地球工程促進了南亞北部、東南亞、西亞和南美洲局部地區的強降雨量變化趨勢,抑制了非洲中部東北地區的強降雨量增加[見圖8(b)]。從2070—2099年來看,地球工程情景相比非地球工程情景而言,主要是促進強降雨量增加,僅在非洲南部、中國中部、美國西海岸等地區抑制了強降雨量增加[見圖8(c)]。
圖8 地球工程對全球陸地強降雨量年際變化趨勢影響的空間差異特徵
同時我們對比了地球工程情景下實施前後的強降雨量變化趨勢差異特徵,採用2070—2099年強降雨量變化趨勢減去2020—2069年強降雨量變化趨勢,結果如圖9所示。圖9中顏色越紅,表示地球工程實施結束後越抑制了強降雨量增加;顏色越藍,則表示地球工程實施期間越促進了強降雨量增加。據此可知,地球工程實施結束後的2070—2099年在非洲南部、北歐、東北亞、中國中部和沿海地區、北美洲大部、南美洲大部,均促進了強降雨量增加趨勢。而澳大利亞、新西蘭、南亞中部、中南半島、東歐、西伯利亞東部等地區,則抑制了強降雨量增加趨勢。由此可見,地球工程實施的不同研究時段對強降雨量的變化趨勢具有區域性特徵。
圖9 地球工程實施前後全球陸地強降雨量年際變化趨勢影響的空間差異特徵
2.4 地球工程對全球陸地極端強降雨變化趨勢的可能影響
從極端強降雨量變化趨勢來看,整個研究時段兩種情景下的全球陸地極端強降雨量變化趨勢均以增加趨勢為主,且增加趨勢較大的地區分佈具有較好的一致性,但地球工程情景下的極端強降雨量呈增加趨勢的地區相比非地球工程情景而言有較大的擴張[見圖10(a)、(b)]。地球工程實施的2020—2069年,兩種情景下的全球陸地極端強降雨量變化趨勢仍以增加趨勢為主,但值得注意的是呈增加趨勢的地區在空間分佈上發生了轉移[見圖10(c)、(d)]。在地球工程實施結束的2070—2099年,兩種情景下的極端強降雨量變化趨勢呈現出增減鑲嵌格局,且兩種情景下的增減趨勢在空間分佈上不一致[見圖10(e)、(f)]。對於中國地區而言,地球工程情景下中國東部地區極端強降雨量呈增加趨勢,而非地球工程情景下則呈北增南減的格局。尤其變化明顯的是東北亞地區在地球工程情景下極端強降雨量呈增加趨勢,非地球工程情景則呈北減南增格局。地球工程實施結束後的2070—2099年極端強降雨量呈增加趨勢的地區多於非地球工程情景。
圖10 兩種情景下不同研究時段全球陸地極端強降雨量年際變化趨勢的空間分異特徵
進一步地,為了對比不同研究時段兩種情景下的全球陸地極端強降雨量變化趨勢差異特徵,我們採用不同研究時段地球工程情景下的全球陸地極端強降雨量變化趨勢減去對應時段非地球工程情景下的全球陸地極端強降雨量變化趨勢,結果如圖11所示。從整個研究時段來看,地球工程對全球多數地區的極端強降雨量變化趨勢影響不大,僅在個別地區促進了其增加,主要分佈在中南半島、中國東北、印度北部和西部等地區[見圖11(a)]。從2020—2069年來看,地球工程實施期間促進了非洲中部的東北、馬達加斯加對岸的非洲南部、阿拉伯半島、南亞北部、中國中部、澳大利亞大部等地區的極端強降雨量增加趨勢[見圖11(b)],而抑制了非洲中部、馬達加斯加、中國西南、中南半島西部等地區的極端強降雨量。從2070—2099年來看,地球工程實施結束後,兩種情景下的極端強降雨量變化趨勢差異特徵更加破碎,次區域性增強,且主要以增加趨勢為主,表明地球工程實施結束後極大地促進了全球陸地多數地區極端強降雨量[見圖11(c)]。整體來看,地球工程實施的不同階段對全球陸地極端強降雨量變化趨勢影響不同,且促進作用為主的地區明顯多於抑制作用。尤其是地球工程實施結束後的2070—2099年,兩種情景下的趨勢差異特徵在不同區域間差異增大。
圖11 地球工程對全球陸地極端強降雨量年際變化趨勢影響的空間差異特徵
同時,為了對比地球工程情景下實施前後極端強降雨量變化趨勢的差異特徵,我們採用地球工程實施結束後2070—2099年全球陸地極端強降雨量變化趨勢減去實施期間2020—2069年全球陸地極端強降雨量變化趨勢,結果如圖12所示。地球工程實施結束後相比實施期間促進了非洲中部、北歐、東北亞、北美北部和西部、南美洲大部等地區的極端強降雨量增加趨勢,而抑制了東歐、西亞、南亞、中國西部、中南半島、澳大利亞等地區的極端強降雨量增加趨勢。表明地球工程情景下實施不同階段對全球陸地極端強降雨量變化趨勢具有區域性特徵。
圖12 地球工程實施前後全球陸地極端強降雨量年際變化趨勢影響的空間差異特徵
2.5 地球工程對全球陸地強降雨波動特徵的可能影響
從波動特徵來看,不同研究時段兩種情景下的全球陸地強降雨量波動特徵空間分異格局如圖13所示。圖13中顏色越紅,表明強降雨量的年際波動越小,說明強降雨量年際變化較為穩定;顏色越藍,則表明強降雨量年際波動越小,說明強降雨量年際變化越大。據此可知,地球工程情景下強降雨量波動較大的地區主要集中在東亞、南亞、東南亞、澳大利亞北部地區[見圖13(a)]。而非地球工程情景下,40°N—40°S之間的地區是波動較大的集中地區[見圖13(b)]。地球工程實施的2020—2069年[見圖13(c)、(d)]和結束後的2070—2099年[見圖13(e)、(f)]兩種情景下的強降雨量波動特徵亦是這種空間分異特徵,僅是波動數值上略有差異,但波動特徵空間高低分異格局未發生根本變化。
圖13 兩種情景下不同研究時段全球陸地強降雨量波動特徵的空間分異特徵
進一步地,我們對比了不同研究時段兩種情景下的強降雨量波動特徵,即採用不同研究時段地球工程情景下強降雨量波動特徵減去對應時段非地球工程情景下的強降雨量波動特徵,結果如圖14所示。圖14中顏色越紅,表示地球工程的實施越抑制了強降雨量波動,即變異縮小;顏色越藍,表示地球工程的實施越促進了強降雨量波動,即變異增大。據此可知,不同研究時段地球工程均抑制了全球陸地強降雨量波動特徵,即地球工程情景下的強降雨量更為集中,變異性變小。
圖14 地球工程對全球陸地強降雨量波動特徵影響的空間差異特徵
同時我們對比了地球工程情景下實施前後的強降雨量波動特徵差異性,即採用地球工程情景下,2070—2099年的強降雨量波動特徵減去2020—2069年的強降雨量波動特徵,結果如圖15所示。圖15中顏色越紅,表示地球工程實施結束後越抑制了強降雨量波動特徵,變異變小;顏色越藍,地球工程實施結束後越促進了強降雨量波動特徵,變異變大。地球工程實施結束後相比實施期間,對強降雨量波動特徵以促進為主的地區多於抑制地區。促進為主的地區集中在非洲中東部、南亞、中國中部、日本、東南亞、澳大利亞北部、南美洲東部等地區,而抑制的地區主要集中在澳大利亞南部等地區。
圖15 地球工程實施前後全球陸地強降雨量波動特徵影響的空間差異特徵
2.6 地球工程對全球陸地極端強降雨波動特徵的可能影響
從極端強降雨量波動特徵來看,兩種情景下的全球陸地極端強降雨量波動特徵在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空間相關係數分別為0.53、0.49和0.51(n=2 658),均通過了0.01顯著性水平的檢驗。表明不同研究時段兩種情景下的全球陸地極端強降雨量波動特徵的空間高低分異格局具有較好的一致性(見圖16),且不同研究時段的差異特徵較小。其中波動較大的地區主要集中在中國東部、南亞、東南亞和澳大利亞北部地區,說明這些地區的極端強降雨量年際變異大。
圖16 兩種情景下不同研究時段全球陸地極端強降雨量波動特徵的空間分異特徵
為了對比不同研究時段兩種情景下極端強降雨量的波動特徵,我們採用不同研究時段地球工程情景下的全球陸地極端強降雨量波動特徵減去對應時段非地球工程情景下的全球陸地極端強降雨量波動特徵,結果如圖17所示。圖17中顏色越紅,表示地球工程情景下的波動特徵相比非地球工程情景越小;顏色越藍,則表示地球工程情景下的波動特徵相比非地球工程情景越大。據此可知,整個研究時段兩種情景下的波動特徵差別較小[見圖17(a)]。地球工程實施的2020—2069年在中南半島、東南亞和澳大利亞北部,地球工程情景下的極端強降雨量波動特徵相比非地球工程情景偏小,表明地球工程情景下的極端強降雨量年際變異小,雨量相對集中[見圖17(b)]。而地球工程實施結束後的2070—2099年,除上述地區外,加之南亞地區等,在地球工程情景下的極端強降雨量波動特徵相比非地球工程情景偏大[見圖17(c)]。通過對比發現,地球工程實施期間降低了全球部分地區的極端強降雨量波動特徵;而實施結束後,地球工程效應則增加了全球部分地區的極端強降雨量波動特徵。波動越大,表明變異幅度大,即可能帶來的風險也越高,從而給社會經濟發展帶來不利影響。
圖17 地球工程對全球陸地極端強降雨量波動特徵影響的空間差異特徵
同時,我們對比了地球工程情景下地球工程實施前後全球陸地極端強降雨量的波動特徵,即採用地球工程實施結束後2070—2099年的全球陸地極端強降雨量波動特徵減去2020—2069年的全球陸地極端強降雨量波動特徵,結果如圖18所示。圖18中顏色越紅,表示地球工程實施結束後相比實施期間而言波動越小;顏色越藍,表示地球工程實施結束後相比實施期間而言波動越大。據此可知,地球工程實施結束後相比實施期間而言促進了東亞、東南亞、南亞、非洲中部東北地區、澳大利亞北部等地區的極端強降雨量波動特徵。這表明上述地區的極端強降雨量在地球工程實施結束後的2070—2099年變異增大,也即地球工程實施期間使得極端強降雨量更加集中。
圖18 地球工程實施前後全球陸地極端強降雨量波動特徵影響的空間差異特徵
3 結論與討論
3.1 結 論
(1)在氣候態特徵上,不同研究時段兩種情景下的強降雨和極端強降雨量空間高低格局並未發生根本變動,僅是數值上不同時段不同地區有所差異。兩種情景下的強降雨量差異特徵表明,地球工程實施的2020—2069年促進了南半球強降雨量的增多,而抑制了北半球強降雨量。地球工程實施結束後的2070—2099年則促進了北半球強降雨量的增多,抑制了南半球強降雨量。兩種情景下的極端強降雨量差異表明,地球工程實施期間主要以抑制作用為主,實施結束後則以促進作用為主。地球工程情景下實施前後的強降雨和極端強降雨量差異表明,地球工程實施後相比實施期間有利於全
球多數地區強降雨和極端強降雨量的增加。
(2)在變化趨勢上,兩種情景下強降雨量變化趨勢空間高低格局在2010—2099年和2070—2099年具有良好的一致性,但在實施的2020—2069年
具有一定差異。兩種情景下的極端強降雨量變化趨勢在2010—2099年格局相似,但2020—2069年和2070—2099年則空間分佈上出現異質性。兩
種情景下強降雨量變化趨勢的差異特徵表明,2010—2099年地球工程抑制了非洲中部的東北地區強降雨量增加趨勢。2020—2069年地球工程除抑
制上述地區強降雨量增加趨勢外,還促進了全球部分地區增加趨勢。2070—2099年地球工程則促進了全球多數地區的強降雨和極端強降雨量增加
趨勢。極端強降雨量變化趨勢在2010—2099年差異相對較小,2020—2069年呈現出明顯不同的區域性增減差異特徵。地球工程情景下實施前後差
異表明,地球工程實施前後強降雨和極端強降雨量變化趨勢具有各自的區域性特徵。
(3)在波動特徵上,不同研究時段兩種情景下的強降雨和極端強降雨量波動特徵空間高低分異格局相差不大,僅數值上有所差異。不同研究時段
地球工程情景下的強降雨量波動特徵相比非地球工程情景均有所減小。兩種情景下極端強降雨量波動特徵在2010—2099年相差不大,但在2020—
2069年和2070—2099年出現了截然相反的波動差異特徵,即地球工程實施期間減小了波動,而實施結束後增加了波動。地球工程情景下實施前後的
強降雨和極端強降雨量波動特徵表明,實施後的波動明顯高於實施期間。
3.2 討論與展望
(1)亟待高分辨率多模式集合的地球工程氣候影響研究。高分辨率數據對於診斷局地地球工程影響具有重要作用,尤其是地球工程的實施對海洋小島國家氣候變暖的影響具有重要作用。單一模式地球工程試驗可能囿於模式參數問題,存在某些方面的不確定性,採用多模式集合可大大降低其不確定性。因此,亟待開展高分辨率多模式集合的地球工程試驗,定量診斷地球工程實施對氣候環境的影響。
(2)亟需地球工程不同實施當量、持續時間、實施要素的對比分析。本文采用GeoMIP設定的地球工程實施當量對比分析了兩種情景下的極端降雨。GeoMIP設定的地球工程實施當量、持續時間和實施要素是否最優,是否達到了人工降溫的最佳閾值,對於這一問題,學界目前尚不清晰。因此,需要開展地球工程實施的多種對比,從理論上診斷地球工程實施的最優參數。
(3)地球工程實施的風險評估研究。地球工程實施在帶來降溫利處的同時,勢必引發其他方面的不利影響。因此,對地球工程實施風險評估具有重要作用。從多因素、多過程、多參數角度出發,診斷地球工程實施不同階段帶來的孕災環境穩定性、致災因子頻率-強度-持續時間、承災體韌性等變化情況,在此基礎上基於區域災害系統理論,系統評估地球工程實施對特定承災體造成的風險。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
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