地球工程情景下中国七大区域未来强降水和极端强降水的变化特征对比分析(2010—2099年)

孔 锋，孙 劭，王 品，吕丽莉，李 颖

(1.清华大学公共管理学院应急管理研究基地，北京100084；2.中国气象局气象干部培训学院，北京100081；3.中国气象局国家气候中心，北京100081；4.杭州师范大学理学院，浙江杭州311121；5.浙江省气象科学研究所，浙江杭州310008)

1 引 言

地球工程，也称气候工程[1-3]，是目前全球气候变暖背景下人为给地球降温的热议话题[4-6]。假如1.5℃甚至2.0℃温控目标越来越被证明难以实现，地球工程作为最直接的“人工干预气候行为”，是否会被纳入气候行动框架[7-9]？因此，探讨地球工程对未来区域气候的影响具有十分重要的科学意义。

地球工程分为碳移除 (Carbon Dioxide Removal，CDR)和太阳辐射管理 (Solar Radiation Management，SRM)两大类[10-12]。CDR 旨在通过包括海洋施肥、土地利用管理、二氧化碳的捕集封存与利用、生物质碳捕获(BECCS)等人工手段移除大气中的CO2含量[13]。相比SRM，CDR直接减少大气中的温室气体含量，在机理和技术上与传统减缓途径具有很多共性[14]。SRM旨在通过影响太阳辐射为地球“直接降温”，主要包括平流层注射硫酸盐气溶胶 (Stratospheric Aerosol Injection，SAI)、设置太空反射镜，以及海洋云层增白、屋顶涂白、沙漠绿化等改变地表反照率的方法技术[15-19]。

IPCC在2011年第一次召开地球工程主题的会议，IPCC AR4和AR5中涉及地球工程的内容，并探讨地球工程的技术和治理问题[20-21]。《巴黎协定》确立了2.0℃目标并提及1.5℃，引发了国际社会对地球工程的广泛关注。学术界对地球工程的关注，催生了不少有关地球工程应对气候变化的动议。随着全球气候变化的影响越来越明显，已有研究正在尝试通过地球工程模式模拟的手段，将硫酸盐气溶胶喷射到高层大气，这将能把一些太阳光散射回太空，降低地球变暖的速率。但目前学界对太阳辐射管理的主要担忧之处并不是它的有效性，而是它的副作用[22]。已有一些学者从政策角度探讨地球工程的可能影响。地球工程会破坏区域天气气候模式和季风系统，这对依赖可预测的季节周期来完成农业等任务的部门来说是一个棘手的问题[23]。尤其是地球工程突然停止，可能会导致气温的报复性反弹，对自然环境和生物多样性造成严重威胁[25]。因此，现有研究多从地球工程对极地冰盖、海平面、农业和人类健康存在的潜在影响进行探讨[26-29]。比如在温带草原和森林地带，地球工程的实施是否会造成气温与降雨量分布的严重不协调，从而导致生物无所适从。地球工程可能会导致热带太平洋海温升高，产生El Niño现象，给南美洲带来旱灾[26]。综上所述，一方面通过全球气候模式模拟和对比分析地球工程可能产生的负面影响；另一方面社会和人文学科也在研究地球工程在法律、经济、地缘政治、伦理和社会等方面的挑战[24]。虽然地球工程是一个非常有争议的领域，但是没有任何证据可表明近十年间对地球工程的研究削减了国际社会任何减排或适应气候变化的努力[25]。科学界基本上改变了“地球工程是一种研究禁忌”的看法[26-29]。目前主要的研究机构都开始参与到地球工程的研究活动中来，并发展出相互合作的研究计划。虽然近十年的地球工程研究取得一些进展，但还有许多问题没有答案，目前的认识还不能支持未来能否实施地球工程的决策[30-31]。

极端降水作为目前气候变化研究领域的热点问题，近年来造成中国多个城市内涝问题突出，并产生严重的经济损失[32-34]。国内对地球工程主题的探讨相对较少，目前针对地球工程对中国极端降水影响的研究还处于起始阶段。在这种背景下，本文基于BNU-ESM模式的2010—2099年日值降水数据，开展地球工程和非地球工程(RCP4.5)情景下的中国及七大地理分区强降水和极端强降水变化对比研究。一方面为地球工程影响下的极端降水变化研究提供参考性案例研究；另一方面为中国未来水资源利用和城市防洪减灾提供可能的依据。

2 数据和方法

2.1 数据来源

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(2.5°×2.5°)模式。日值降水数据在RCP4.5情景下通过双线性插值和ISIMIP矫正的统计降尺度方法得到的0.5°×0.5°空间分辨率网格数据 (125×105 个格点)，其经度范围为 73.25～135.25 °E，纬度范围为3.25～53.75°N。该模式的观测强迫数据使用的是1970年1月1日—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(2.5°×2.5°)模式，在 2020年 1月 1日—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(SAI情景)，从而降低全球温度；在2070年停止注射(地球工程停止)，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[35]。该套数据在《Geoscientific Model Development》期刊中发表，结果表明该数据具有良好的准确性。地球工程作为近年来热点讨论的应对气候变化的手段，虽然目前实施的可能性较小，但通过数值模拟进行理论探讨，具有重要的前瞻性和理论科学意义。

2.2 计算方法

双线性插值，又称为双线性内插。在数学上，双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想是在两个方向分别进行一次线性插值[36]。ISIMIP矫正方法可参考文献[36]。本研究首先从统计降尺度后的0.5°×0.5°的日值降水中，选取超过95%和99%分位数的降水序列[33]，作为强降水和极端强降水。本文采用的降水的95%和99%分位数，参考期是整个研究时段，即2010—2099年。然后为了诊断地球工程对强降水和极端强降水的整体性的影响，我们按照年份计算两种情景下2010—2099年逐年的强降水量和极端降水量的总和，即区域内所有格点强降水量和极端强降水量的总和。再次采用线性回归的方法对比 2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年地球工程和非地球工程(RCP4.5)情景下的强降水量和极端强降水量时序变化特征，通过线性趋势诊断地球工程对强降水量和极端强降水量的影响。最后为了诊断地球工程对中国不同区域的影响，本文首先按照Wang等[37]和程雪蓉等[38]的方法，根据区域气候的相似性特征，同时结合地貌特点，将中国划分为七个分区[37-38](图1)，即北方地区(N)、东北地区(NE)、东南地区(SE)、西北东部地区(ENW)、西北西部地区(WNW)、西藏地区(Tibet)和西南地区(SW)。我们对七大地理分区进一步采用线性回归的方法诊断地球工程对不同区域强降水量和极端强降水量的影响。已有的中国七大地理区域，即东北、华北、华东、华中、华南、西南和西北，是按照行政单元进行的划分，该划分利于社会经济指标的统计，但在气候相似性和地貌特征上具有较大的差异性，例如按行政单元划分的华北包含了内蒙古，而内蒙古东西跨度大，降雨也差异较大。类似的，西北地区也存在相同的特征。本文的七大地理分区具有区域连贯性，地域性特征大致相同，地理环境差异较小，尤其是气候异质性相比行政单元的划分较小。

3 结果与分析

3.1 地球工程情景下中国强降水和极端强降水动态变化的对比分析

从强降水动态变化来看，2010—2099年中国强降水在地球工程和非地球工程两种情景下均呈增加趋势(图2a)，且地球工程情景下的增加趋势达3 375.4 mm/a，明显高于非地球工程情景；这表明在2010—2099年整个研究时段，地球工程有利于中国强降水事件的发生。如果仅从实施地球工程的2020—2069年来看，两种情景下年际强降水量均呈增加趋势(图2b)。但值得注意的是，非地球工程情景下的中国强降水量增加趋势达3 031.7 mm/a，而地球工程情景下增加趋势仅为2 090.7 mm/a，明显小于非地球工程情景；这极可能是实施地球工程的时段内，过多的气溶胶抑制了强降水事件的发生，即气溶胶凝结核过多，而大气中有限的水汽凝结在气溶胶凝结核上，不能达到强降水事件发生的阈值，因此，强降水事件明显减少。如果从2070—2099年来看，即地球工程实施结束后的30年，可发现地球工程情景下中国强降水量呈明显增加趋势，趋势值达3 057.0 mm/a(图2c)；而非地球工程情景下则呈减少趋势，趋势值为-3 906.1 mm/a。这表明地球工程结束后，大气中还存在部分气溶胶凝结核，但不如地球工程实施期多，残存的气溶胶凝结核，使得强降水事件增加，说明地球工程结束后的30年强降水事件明显增多。通过2010—2099年不同时段的两种情景下的强降水量对比分析，表明地球工程在不同时间尺度上对强降水事件的作用不同。同时分析两种情景下不同研究时段的极端强降水时序趋势变化特征与强降水具有很好的一致性(图3)。表明地球工程对中国强降水和极端强降水在不同时段的影响不同。

3.2 地球工程情景下中国七大地理分区的强降水动态变化的对比分析

从七大地理分区的强降水对比来看，2010—2099年中国七大地理分区的强降水量，在地球工程和非地球工程两种情景下均呈增加趋势(图4)。除东南地区外，东北、北方、西北东部、西北西部、西藏和西南地区在地球工程情景下的强降水量年际变化趋势均高于非地球工程情景(图4)，这表明地球工程有利于该六个分区强降水量的增加。但值得注意的是地球工程情景下西北西部和西南地区的强降水量，相比非地球工程而言，增加较少。而相比之下，东北、北方、西北东部和西藏地区在地球工程情景下的强降水量则增加较多。值得注意的是，东南地区在地球工程情景下的强降水量则表现出相对减少趋势，但幅度较小，这表明地球工程抑制了该地区强降水量的增加。因此，总体来看，整个研究时段中地球工程有助于中国强降水量的增加。

如果仅从实施地球工程的2020—2069年来看，地球工程情景下的强降水仅在西南地区呈现微弱减少趋势(图5)，其它地区在两种情景下均呈不同程度的增加趋势。但值得注意的是，地球工程实施期间东北、北方、西北西部、西南和东南地区的强降水在非地球工程情景下的增加趋势大于地球工程情景下的变化趋势，这与2010—2099年整个研究时段在两种情景下的强降水变化趋势形成截然相反的趋势对比结果。仅西北东部和西藏的强降水在非地球工程情景下的增加趋势小于地球工程情景下的增加趋势的地区。这表明在地球工程实施期间地球工程大量释放的气溶胶抑制了中国多数地区强降水事件的发生。

进一步从地球工程实施结束后的2070—2099年来看，东北、西北西部、西藏、西南和东南地区的强降水变化趋势在地球工程情景下大于非地球工程情景(图6)；仅北方和西北东部的强降水变化趋势在地球工程情景下小于非地球工程情景。这表明地球工程实施结束后的30年有利于中国大多数地区强降水事件的发生。但值得注意的是2070—2099年，除了东北、北方和东南外，其它四个地理分区的强降水量在两种情景下均呈减少趋势。其中东北和东南强降水量在地球工程情景下呈增加趋势，而在非地球工程情景下呈减少趋势；北方地区则在两种情景下均呈增加趋势。通过三个研究时段的对比发现，不同研究时段地球工程对中国强降水所产生的影响均有一定区域差异，且这种差异在地球工程实施前后表现在不同的地区。

3.3 地球工程情景下中国七大地理分区的极端强降水动态变化的对比分析

从七大地理分区的极端降水对比来看，2010—2099年整个研究时段，中国七个地理分区的极端强降水量，在地球工程和非地球工程情景下均在波动中呈不同程度的增加趋势(图7)。进一步对比两种情景下的极端强降水变化趋势，结果发现东北、北方、西北东部、西北西部、西藏、西南地区的极端强降水量在地球工程情景下的增加趋势大于非地球工程。尤其是东北和西藏地区的极端降水量，在地球工程情景下的增加趋势远超过非地球工程。而东南地区的极端强降水量在两种情景下的增加趋势差异幅度不大。2010—2099年整个研究时段的结果说明地球工程有助于中国多数地区极端强降水量的增加。

如果仅从实施地球工程的2020—2069年来看，非地球工程情景下的极端强降水量，在七个地理分区均在波动中呈增加趋势(图8)。而地球工程情景下的北方、西北西部和西南地区极端强降水量则在波动中呈现减少趋势，其它四个地理分区呈增加趋势。进一步对比发现，东北、北方、西北西部、西南和东南地区的极端强降水量变化趋势在地球工程情景下大于非地球工程。地球工程实施阶段对极端强降水既有促进作用，又有抑制作用。但整体上地球工程实施阶段抑制了中国多数地区，尤其是东部地区极端强降水事件的发生。该时段相比强降水而言，地球工程对极端强降水的影响分区与强降水具有较好的一致性。

进一步从地球工程实施结束后的2070—2099年来看，地球工程情景下的东北、北方和西北西部极端强降水量在波动中呈增加趋势(图9)，而其它四个地理分区则呈减少趋势。对比发现地球工程情景下的极端强降水量呈增加趋势的地区主要集中在中国北部，而中国南部和西北内陆地区则为减少趋势。非地球工程情景下仅北方和西北东部的极端强降水量在波动中呈增加趋势，而其它五个地理分区的呈不同程度的减少趋势。对比2070—2099年两种情景下的极端强降水变化趋势，可发现东北、西北西部、西藏和东南地区的极端强降水量变化趋势在地球工程情景下大于非地球工程；而北方、西北东部和西南地区的极端强降水量变化趋势在地球工程情景下小于非地球工程。综上所述，地球工程结束后，其后续对极端降水量的促进作用小于强降水量。

4 结论与讨论

4.1 结 论

从中国整体和七大地理分区出发，本文对比分析地球工程和非地球工程情景下的强降水和极端强降水变化趋势。

(1)不同研究时段七大地理分区的强降水量和极端强降水量变化趋势均有一定区域差异，且这种差异在不同时期表现在不同地区。

(2)2010—2099年整个研究时段中地球工程有利于中国多数地区强降水量的增加；2020—2069年实施地球工程期间整体上抑制了中国多数地区强降水量；2070—2099年地球工程实施结束后整体上有利于中国多数地区强降水量的增加。

(3)对比七大地理分区表明，地球工程在2010—2099年和2020—2069年对强降水和极端强降水的地理分区具有较好的一致性，而在2070—2099年地球工程对强降水量的促进作用明显高于极端强降水。

4.2 讨 论

(1)极端降水阈值的讨论。中国地域辽阔，气候多样，各地的降水有明显的地理气候特征，因此有时各地都有本地的暴雨定义或标准。例如，在华南地区，降水强度一般较大，泄洪条件一般较好，因此R24≥80 mm才成为暴雨。而有些地区降水量气候平均较小，因此R24不到50 mm便称为暴雨，如东北地区有时把R24≥30 mm称为暴雨，西北地区把R24≥25 mm称为暴雨。一般来说，各地以当地年总降水量气候平均值的1/15作为暴雨的标准，凡R24≥年总降水量的1/15，便称为暴雨[39]。因此，采用日降水量达到50 mm和250 mm作为暴雨和特大暴雨，在一定程度上会缩小(放大)华南(西北)地区的极端降雨事件。同时已有研究表明90%、95%和99%分位数的降雨事件大致相当于中国气象局颁布的降雨强度中的大雨(≥25 mm)、暴雨(≥50 mm)和大暴雨(≥100 mm)的标准。因此，本文采用降水序列的95%和99%的分位数作为极端降水阈值具有合理性。

(2)地球工程影响及其多情景多模式的探讨。地球工程作为人类干预气候变暖的最直接手段，虽然理论情况下地球工程可有效控制气温[1,3]，并对降雨格局产生影响。但是目前学界最关注的是地球工程实施的负面影响是否会超过有利影响[40]。尤其是地球工程的实施会对季风系统、大气环流等产生影响，甚至发生重大格局变化，这对长期依赖季风和稳定气候的人类社会经济活动产生重大影响[5]。因此，是否真的到了采用地球工程的阶段，需要决策者和学者共同关注。但作为学术理论研究，地球工程掀起探讨无疑具有重要的科学意义。首先是地球工程实验下的多模式降水对比研究。囿于地球工程情景下的降雨数据限制，本文仅采用了BNU-ESM模式的地球工程G4实验研究强降水和极端强降水的动态变化特征。单一模式的研究相对而言具有某种程度的不确定性，为了降低这种不确定性，还需要采用地球工程情景下的集合模式数据进行对比分析。其次是不同排放情景下的地球工程实验对比研究。本文仅分析了RCP4.5情景下的采用地球工程实验和不采用地球工程实验的强降水和极端强降水的动态变化对比分析。其它排放情景下的强降水和极端强降水相对变化如何？目前尚不清楚，仍有待于进一步深入系统研究。最后是地球工程实验设计的时间长短与类别讨论。地球工程何时实施，实施多久时间，这关系着地球工程的影响效果。到底地球工程在实施阶段和结束后，其多大程度上可造成降雨变化产生，影响的区域分异如何，这对于未来水资源利用和洪涝干旱灾害风险防范具有重要的意义。因此，仍需设计多组地球工程实验，通过模式模拟进一步对比验证地球工程实施的效果，以备未来全球变暖超出警戒值时的温控之需。