何博文, 关 群

(1.范德堡大学 土木与环境工程系,美国 纳什维尔 372435; 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

全球环境生态和气候系统在人类的生产和生活过程中正在经历着不断的变化,大量的工业生产、交通运输所产生的温室气体造成环境生态及全球气候系统的急剧变化。燃烧诸如煤炭、石油、天然气等化石能源所产生的的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)等温室气体会加剧全球变暖[1-4]。在这些温室气体排放中,CO2的排放一直是环境生态变化引起全球气候变暖的主要诱因,其关联性非常大,因此研究CO2排放对未来全球气候的影响至关重要[6-8]。

关于CO2排放与全球气候系统的关系,如气候对CO2排放的正(负)反馈、CO2排放与海平面上升的关系、地表温度升高与CO2排放的关系等,已有大量的模拟研究。文献[9]利用一个中等复杂的大气海洋冰川模型计算并预测未来全球气候变暖的情况,并把模型的预测时间延续到了3000年;文献[5]提出一个用于计算气候对人类CO2排放反馈的新理论——碳-气候反馈(carbon-climate response,CCR),发现气候温度与累积CO2排放量的比值与大气层中CO2的总浓度和其在10年乃至1个世纪的变化率无关;文献[10] 精确分析气候变化对碳循环的负反馈,发现2个之前被忽略的关键过程,即掌控地球化学循环中CO2摄取的南海循环过程、植被土壤对全球气候变暖的碳反馈过程;文献[11]探究海平面上升与累积CO2排放量之间的关系,发现海平面空间上升的程度随着累积CO2排放量的增加而增加,同时也取决于当地海洋对于气候变化的敏感度;文献[12]采用在排放与浓度驱动下代表性浓度路径8.5(Representative Concentration Pathway 8.5,RCP8.5)情景中的11种不同地球模型(earth models),预测未来气候变化所产生的不确定性。上述研究对排放-气候系统获得了一些认知,但从多个不同的CO2排放假设情景出发,比较地表大气温度、降雨量和积雪覆盖率等多个不同的环境生态表征量对于排放的反馈,并预测对未来全球气候影响程度的相关研究很少。

本文探究未来全球气候系统在3种不同的CO2排放情景中的反馈:① RCP4.5(低排放); ② RCP8.5(照常排放);③ 2倍RCP8.5(2倍照常排放)。RCP4.5情景假设长期的全球范围内温室气体排放强度将在2100年达到并控制在4.5 W/m2之内,它是一个假设在全球气候政策充分实施来抑制过度排放下的稳定全球排放量的情景,因此该情景是一个代表低排放量的情景。RCP8.5情景假设在没有任何关于气候政策实施的情况下,全球范围内的温室气体排放强度将显著提高,并在21世纪达到8.5 W/m2,因此该情景通常代表RCPs假设情景系统的上限,又称照常排放情景[13-14]。2倍RCP8.5是一种新的假设情景,假设在加速排放的情景下,全球范围内的温室气体排放强度将在2100年达到2倍的RCP8.5的排放强度,即17.0 W/m2,纳入这个新的假设排放情景旨在与前2个常见的RCP情景进行对比,并探究全球气候系统在该假设的极端排放情景中会如何反馈。

1 方法与模型简介

本文通过应用EdGCM(Educational Global Climate Modeling)软件来模拟3种不同的全球CO2排放情景。EdGCM软件是一个功能全面的全球气候模拟软件系统,其在环境生态变化与全球气候变化相关领域研究中有着广泛的应用。文献[15-17] 应用EdGCM软件分别在沙特阿拉伯、巴基斯坦、伊拉克构建相应环境生态变化与气候变化模型。

本文基于全球视角，应用EdGCM软件模拟在21世纪100年内的全球气候系统。为了探究CO2单一温室气体对气候系统的影响,采取控制变量的方法来构建模型,即向模拟系统输入排放强度时只考虑不同情景下CO2排放强度的不同,而其他气体的排放强度均保持一致。3种不同的CO2排放情景下,大气中φ(CO2)变化如图1所示。

年份图1 3种CO2排放情景下21世纪φ(CO2)变化曲线

本文φ(CO2)数据来自最新的联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)报告[18-19]。由于报告中的数据只提供每10年期第1年的数据(2000年、2010年、2020年等),因此本文采取线性插值法计算21世纪每年的数据,并将3种不同情景的φ(CO2)作为输入条件,使用EdGCM软件模拟21世纪从2000—2100年地表大气温度、降雨量、积雪覆盖率3个不同的环境生态表征量的反馈。地表大气温度对农业农作物有深刻影响,并控制地表生态系统与大气的热交换机理;降雨是地球上地表水资源最重要的来源之一,大量的研究已经表明碳排放与降雨量之间可能存在着重要联系;地表积雪覆盖率是一个表征地球气候系统的重要物理量,其承担着调节地表温度和在河流与地下水资源之间平衡水资源储藏的重要任务。大量研究表明碳循环系统正在深刻地影响并改变着南北极的气候系统[20-27]。基于上述考虑,本文采取上述3个不同的环境生态表征量,通过相互对比来探究其随着不同的CO2排放情景是如何反应及反馈的。

2 模拟分析与预测

2.1 3种CO2排放情景模拟结果

(1) RCP4.5情景(情景1)。RCP4.5情景下3个环境生态表征量的变化如图2所示。从图2可以看出:在RCP4.5情景下,全球平均地表大气温度预计会从21世纪初的13.5 ℃左右升高到21世纪末的18.0 ℃左右,升高约30%,其升高的速率会随着时间的推移慢慢降低;全球平均降雨量预计会从21世纪初的3.0 mm/d升高到21世纪末的3.5 mm/d左右,升高约13%;全球平均积雪覆盖率预计会从21世纪初的10.7%降低到21世纪末的8.0%左右,降低约29%。

图2 RCP4.5情景下的3个环境生态表征量的变化

(2) RCP8.5情景 (情景2)。RCP8.5情景下3个环境生态表征量的变化如图3所示。

图3 RCP8.5情景下3个环境生态表征量的变化

从图3可以看出:在RCP8.5情景下,全球平均地表大气温度会显著升高,预计会在21世纪末升高到21.0 ℃左右,相比于21世纪初的水平升高约50%,与情景1不同的是,其升高的速率不会随着时间的推移慢慢降低;全球平均降雨量也会升高,预计会在21世纪末升高至3.7 mm/d左右,虽然从绝对数值上看,该值比情景1多0.2 mm/d,但是相比于21世纪初的水平升高约22%,比情景1升高约9%;全球平均积雪覆盖率预计会在21世纪末降低到5.5%左右,相比于21世纪初的水平降低约50%。

(3) 2倍RCP8.5情景(情景3)。2倍RCP8.5情景下3个环境生态表征量的变化如图4所示。从图4可以看出:在2倍RCP8.5情景下,全球平均地表大气温度会显著升高,预计会在21世纪末升高到25.0 ℃左右,相比于21世纪初的水平升高约79%,其升高的速率会在2010—2020年间达到峰值,其后保持不变;全球平均降雨量会显著升高,预计会在21世纪末升高至4.1 mm/d左右,相比于21世纪初的水平升高约33%;全球平均积雪覆盖率预计会在21世纪末大大降低到4.0%左右,相比于21世纪初的水平降低约63%,换言之,若CO2持续增大排放,则会在21世纪末基本失去冰川覆盖,因此需要人们引起足够的警惕。

图4 2倍RCP8.5情景下3个环境生态表征量的变化

2.2 3种CO2排放情景对比

下面分析比较3种不同排放情景下3个环境生态表征量的反馈结果,并针对每个表征量的变化作全球空间差异对比。

2.2.1 地表大气温度

全球平均地表大气温度在3种不同CO2排放情景下的对比如图5所示。比较RCP4.5与RCP8.5情景可以看出,全球平均地表大气温度的差异逐渐从2050年后变得显著,产生此现象的原因是在RCP4.5与RCP8.5情景中,φ(CO2)从2050年后才开始产生显著差异(图1)。在2倍RCP8.5情景下,全球平均地表大气温度显著高于其他2种情景的反馈。对比图1与图5可以看出,全球平均地表大气温度增长趋势与大气中平均φ(CO2)增长趋势存在高度相似性,再次验证了CO2排放会直接影响地表大气温度的理论[28-29]。

图5 全球平均地表大气温度在3种排放情景下的对比

在21世纪末(2095—2100年),与RCP4.5情景相比RCP8.5情景下、与RCP8.5相比2倍RCP8.5情景下,全球平均地表大气温度变化的空间对比如图6所示。

图6 2095—2100年全球平均地表大气温度变化的空间对比

从图6可以看出,在2种排放情景对比中,其空间差异是显著的,其主要的地表大气温度变化会出现在北极的位置,上升约10～20 ℃,并出现从北极向南极递减的趋势。

2.2.2 降雨量

全球平均降雨量在3种不同CO2排放情景下的对比如图7所示。与地表大气温度类似,对比RCP4.5与RCP8.5情景可以看出,全球平均降雨量差异逐渐从2050年后变得显著,产生此现象的原因是在RCP4.5与RCP8.5情景中,φ(CO2)从2050年后才开始产生显著差异(图1)。在2倍RCP8.5情景下,全球平均降雨量显著高于其他2种情景的反馈。对比图1与图7可以看出,全球平均降雨量增长趋势与大气中平均φ(CO2)增长趋势也存在高度相似性,该结论与文献[24,30]的结果一致。

图7 全球平均降雨量在3种排放情景下的对比

在21世纪末(2095—2100年),与RCP4.5情景相比RCP8.5情景下、与RCP8.5相比2倍RCP8.5情景下,全球平均降雨量变化的空间对比如图8所示。从图8可以看出,在2种排放情景对比中,都存在十分明显的空间与地域差异性,并在临近海洋的位置降雨量会随着φ(CO2)增大而升高,而在靠近大陆的位置,降雨量却会随着φ(CO2)增大而降低。结合图7全球平均降雨量会随着φ(CO2)增大而升高的现象,可以推测随着φ(CO2)增大,海洋上空的降雨量升高程度要远大于陆地上空降雨量降低程度。该现象在图8b中变得更加明显。随着φ(CO2)不断增大,大面积海洋上空将产生更多的降雨,从而使全球平均降雨量升高。该现象的可能合理解释是:随着φ(CO2)增大,地表大气温度会随之升高,从而会显著提升地表水分子的蒸发速率,而海洋有全球范围内最多的水资源,因此地表大气温度的升高会显著提升海洋上空的水分子蒸发速率,从而提高海洋上空的降雨量。图8显示在临近海洋位置,降雨量会随着φ(CO2)增大而升高3～6 mm/d, 而在靠近大陆的位置, 降雨量会随着φ(CO2)增大而降低1～3 mm/d。

图8 2095—2100年全球平均降雨量变化的空间对比

2.2.3 积雪覆盖率

全球平均积雪覆盖率在3种不同CO2排放情景下的对比如图9所示。类似地,对比RCP4.5与RCP8.5情景可以看出,全球平均积雪覆盖率的差异会逐渐从2050年后变得显著,产生此现象的原因是在RCP4.5与RCP8.5情景中,φ(CO2)从2050年后才开始产生显著差异(图1);所不同的是,全球平均积雪覆盖率与大气中平均φ(CO2)呈负相关的关系。在2倍RCP8.5情景下,全球平均积雪覆盖率显著低于其他2种情景的反馈。对比图1与图9可以看出,全球平均积雪覆盖率与大气中平均φ(CO2)存在高度相关性,该结论与文献[31-32]的结果一致。

图9 全球平均积雪覆盖率在3种排放情景下的对比

在世纪末(2095—2100年),与RCP4.5情景相比RCP8.5情景下、与RCP8.5相比2倍RCP8.5情景下,全球平均积雪覆盖率变化的空间对比如图10所示。

从图10可以看出:① 在2种排放情景对比中,其空间差异是显著的,并与全球平均地表大气温度的空间差异(图6)存在一定的相似性;② 在北极的位置随着φ(CO2)增加会出现大量积雪冰川融化的现象,此现象的合理解释是随着φ(CO2)增加,北极位置的地表大气温度会得到显著提高(图6),而同时北极地区又有全球最多的冰川积雪覆盖面积,从而会受到由于φ(CO2)增大而带来的最深刻影响,在极端排放的情景下会损失高达63%的积雪覆盖面积;③ 一些大陆地区也会受到冰川融化的深刻影响,例如中国北部、加拿大北部、俄罗斯西北部等。

图10 2095—2100年全球平均积雪覆盖率变化的空间对比

3 结论

(1) 环境生态中CO2排放对未来气候的影响与地理位置及其地表情况有深刻的联系,全球平均地表大气温度增长趋势与大气中平均φ(CO2)增长趋势也存在高度相似性,环境生态中CO2排放是直接影响地表大气温度的重要原因之一。

(2) 不同CO2排放情景产生的地表大气温度空间差异是显著的,其主要的地表大气温度变化会出现在北极的位置,上升约10～20 ℃,并出现从北极向南极递减的趋势。

(3) 降雨量与φ(CO2)的关系存在地域性差异,其与生态环境的地表情况也存在深刻的关联性,如在临近海洋的位置,降雨量会随着φ(CO2)增大而升高约3～6 mm/d,而在靠近大陆的位置,降雨量会随着φ(CO2)增大而降低约1～3 mm/d。随着φ(CO2)持续增大,海洋上空的降雨量升高程度要远大于陆地上空降雨量的降低程度。

(4)φ(CO2)增加对冰川积雪融化的影响与地域存在十分紧密的联系。例如,北极会产生由于CO2排放而带来的最严重的大面积积雪冰川融化现象,在极端排放的情景下会损失63%的积雪覆盖面积,同时一些大陆地区的冰川融化也受到深刻影响。

本文应用环境生态变化与未来全球气候变化的关联性模型,分析并预测未来全球气候变化趋势。面对全球变暖加剧的现状,全球各个国家或地区采取切实可行的方法保护环境已刻不容缓,需要因地制宜采取措施抑制CO2排放的增加,在经济发展与保护环境并重的前提下,制订可持续发展的发展战略政策。