本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2012年第9期
作者：翟盤茂，劉靜.
來源：氣候變暖背景下的極端天氣氣候事件與防災減災[J].中國工程科學，2012,14(9):55-63，84.
編者按
在全球氣候變暖的背景下，極端事件頻發，強度增強，人類社會面臨的災害風險提高。大陸各類極端事件均呈現出不同的時空演變特征，長江流域強降水頻率趨于增加，而華北和東北地區幹旱範圍趨于擴大，西南幹旱趨于頻繁。是以，亟需因地制宜評估災害的風險因子，制定風險管理措施，降低極端天氣氣候事件所帶來的影響。
中國工程院院刊《中國工程科學》2012 年第 9 期發表中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室翟盤茂研究員團隊的《氣候變暖背景下的極端天氣氣候事件與防災減災》一文。文章首先概括極端天氣氣候事件以及“氣候極值”的相關定義，并把極端事件分為單要素的極端事件、與天氣現象有關的極端事件、多要素極端事件和極端氣候事件，在此基礎上，總結上述幾類極端事件在氣候變暖背景下的變化趨勢及影響。文章指出，氣候變暖背景下大陸長江中下遊區域強降水事件更趨頻繁，大陸東部地區高溫熱浪天氣更為明顯；東北華北地區幹旱趨勢增加，尤其在20世紀末期和21世紀初期最為明顯；近年來西南地區幹旱趨于頻繁。為減輕日益增加的重大氣象災害帶來的損失，大陸有必要加強高影響極端事件的監測、預警能力建設，同時還要根據極端天氣氣候事件變化規律加強工程性防禦措施，以防範和應對強降水引發的洪澇災害和城市漬澇，以及與降水持續不足有關的重大幹旱和高溫熱浪等氣象災害。
一、前言
在全球變暖的大背景下，極端天氣氣候事件的變化引起了國内外學者的廣泛關注。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第 4 次評估報告指出，過去的 100 年裡全球平均氣溫上升了 0.74 ℃，在近 50 年全球氣溫以 0.13 ℃/10 a 的速度上升 。全球氣候變暖似乎使夏季變得更熱，冬季變得溫和，并伴随着熱浪頻率和強度的增加，霜凍日數減少更明顯，冷極端事件減少，夜晚更明顯。與此同時，近 50 年占全球陸地面積一半以上的區域發生強降水的頻率呈現增加趨勢。強降水事件在美國、中國、澳洲、加拿大、挪威和墨西哥、波蘭和前蘇聯均有所增加。受溫度升高和區域性降水減少的影響，幹旱的強度更強、持續時間更長。
極端天氣氣候事件加劇會給社會、經濟和人民生活帶來嚴重影響和損失。中國是旱澇、台風、寒潮等自然災害多發的國家，大陸北方旱災、雪災、寒潮和沙塵暴災害頻發，東南部地區台風、高溫和雨澇災害影響嚴重（見圖 1 ）。據統計，從 1949 年以來，氣象災害的損失趨于增加，20 世紀 90 年代中期以來每年的損失接近或超過了 2 000 萬億，其中 1998 年受到長江和嫩江流域持續的強降水等極端事件的影響，全國氣象災害損失達 3 000 萬億元，2008 年大陸南方地區持續的低溫雨雪冰凍事件也造成了超過 3 000萬億的嚴重經濟損失，2010 年受到舟曲突發強降水影響引起的泥石流滑坡事件等造成的損失達 5 000 萬億元（見圖 2 ） 。
圖1 中國主要氣象災害分布綜合示意圖
注：引自2007年中國災害性天氣氣候圖集
圖2 1949-2010 年期間與極端天氣緊密有關的氣象災害損失的變化氣象災害一方面與極端事件頻率和強度有關，另一方面與大陸的經濟發展水準和防災減災能力緊密相聯。加強與氣候變化有關的極端事件的變化研究，有利于國家防災減災和應對氣候變化。鑒于不同類型的極端事件的影響具有很大差别，監測、預測和評價極端事件及其影響必須對各種極端事件進行嚴格的定義并給出定量名額。文章總結了極端溫度、極端降水、台風、冰雹、霧和霾、幹旱、寒潮、沙塵暴等極端事件的各種名額及其應用，探讨了其中存在的問題和未來需要關注的重點工作。
二、極端天氣氣候事件的定義
極端天氣氣候事件是在特定地區和時間發生的罕見的氣象事件，當某地的天氣氣候狀态嚴重偏離其氣候平均态時，就可以認為發生了極端事件。在統計意義上，認為極端事件是小機率事件，有些人認為是 50 年一遇甚至 100 年一遇的事件。從時間尺度上分，極端天氣事件是時間尺度較短（一般在一周以内）的罕見的或高影響的氣象事件。而極端氣候事件時間尺度較長的極端事件，通常是極端天氣事件累積的結果。極端事件從極端性的性質上分可以包括兩大類。一類是依賴于基本天氣氣候要素的極端值進行定義的，例如極端強降水、極端高溫和低溫事件。氣候變化研究中通常通過分析這些要素的變化趨勢來分析極端事件的演變規律。另一類極端事件是對自然環境有重大影響并且通常會帶來較大經濟損失的災害性極端事件（如幹旱、洪澇、熱浪等），這些極端天氣氣候事件也稱為綜合性極端事件，因為一般來講，它們并不是由單一氣象要素的異常引起的，而是由于兩個甚至更多氣象要素的共同作用造成的，例如降水減少和全球變暖是引起幹旱加劇的兩個重要因子。
目前研究和業務中主要為基于單一台站監測技術的定義，采用“氣候極值”量化和表征異常天氣氣候現象，當氣候要素（如氣溫、降水量等）達到定義的氣候極值時，便可認為極端事件發生。關于極端值門檻值的選取，國際上主要有兩種處理方法，即絕對極值和相對極值。根據絕對實體界線值定義的事件有寒潮和霜凍日數、大雨和暴雨日數等，這種門檻值的定義雖然相對簡單，但在一定程度上也能較好地表征極端事件的特征和變化規律，是以，仍受到各界學者和從業人員的青睐。同時，“極端天氣和氣候”具有時空相對性，如日降水量 30 mm 在華南沿海和長江下遊為正常降水量，而在西北地區已達到極端降水量水準，即使是同一地區，相同的降水量在不同季節所帶來的影響也有可能不同。是以，确定某些事件（如日降水量等）的相對門檻值是非常有必要的。目前國際上常采用某個百分位值（如第 95 百分位值）作為極端值的門檻值，翟盤茂等利用百分位方法分析和研究了大陸北方近 50 年溫度和降水極端事件變化，此方法在大陸極端氣候研究中得到了廣泛的認可和應用；也有人對不同氣候要素采用不同分布型的邊緣值來确定氣候極值，研究指出，大陸降水量以Γ分布拟合效果較好（見圖 3），江志紅等利用Γ分布模式拟合區域降水百分率的機率分布，由此推求黃淮流域夏半年（4—10 月）旱澇機率，并探讨該區出現各級旱澇機率的時空分布特征。李威和翟盤茂利用Γ分布函數對中國 1951—2004 年地面台站逐日降水觀測資料進行雨日降水量機率分布拟合并定義極端降水事件，在此基礎上對極端降水日數與 ENSO（EL Nino Southern Oscillation）的關系進行分析研究。
圖3 北京和廣州日降水量Γ分布機率密度函數和頻率分布曲線與溫度和降水相聯系的極端事件變化的研究，大都基于逐日的氣候資料進行。20 世紀 90 年代後期以來，大陸的一些學者開始利用中國逐日氣象資料開展多種極端氣候名額變化格局分析，這些研究今天仍然具有較普遍意義。
三、極端天氣氣候事件指數及其變化
近年來極端事件研究在不斷深入，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）針對天氣氣候極端事件變化及其對自然實體環境影響的認識進行評估，其分析跟 IPCC 報告中極端事件變化内容的差别在于除了強調極端事件的變化以外，還突出了與極端事件緊密相關的天氣氣候現象和影響。重點強調 3 方面内容：a. 大氣中的天氣氣候極端事件變化（溫度，降水，風等變量）；b. 影響極端天氣氣候事件發生的天氣氣候現象（季風，厄爾尼諾，其他變率模态，熱帶氣旋，溫帶氣旋）；c. 對自然實體環境的影響（幹旱，洪水，極端海平面，波浪，沿海影響，冰川、地形和地質影響，包括高緯度多年凍土在内的變化，沙塵暴）。這種分類，把極端天氣氣候事件與其形成的天氣氣候環境以及影響聯系到了一起，但也容易把形成極端事件的條件和極端天氣氣候事件造成的災害混為一談。文章對以上分類方法進行了修正，主要從極端事件的影響要素出發，将其分為單要素極端事件、與天氣現象有關的極端事件以及多要素極端事件，并進一步分析了這些極端事件的氣候變化特征。從極端事件的持續時間上看，有時也将極端事件分成極端天氣與極端氣候事件。文章涉及的大部分極端事件由于時間尺度較短，都應屬于極端天氣事件的範疇。幹旱由于其持續時間長，是長期降水極度偏少的結果，是典型的極端氣候事件。
（一）單要素極端事件
為了有效推動世界各國開展極端天氣氣候事件變化檢測研究，WMO（ World Meteorological Organization）氣候委員會等組織聯合成立了氣候變化監測和名額專家組 （ ETCCDI , Expert Team on Climate Change Detection and Indices），并定義了 27 個典型的氣候指數，其中包括 16 個氣溫指數和 11 個降水指數（見表 1 和表 2）。國内外學者利用這些基本指數對各種極端溫度和降水事件進行了探讨。Manton 發現在東南亞和南太平洋地區，自從1961 年以來，熱日和暖夜顯著增多，而冷日和冷夜卻減少了。Kunkel､Kostopoulou､Sen 分别分析了美國、意大利、印度等國家的極端降水，研究表明全球大部分地區極端降水量及其頻次有增加的趨勢。翟盤茂等指出大陸北方夜間溫度極端偏低的日數顯著變少，白天溫度偏高的日數趨于增多。随着大陸氣溫呈現明顯的上升，特别是 20 世紀 80 年代中期以來升溫速度的顯著加快，大陸的霜凍日數顯著下降（見圖 4）。王小玲和翟盤茂針對不同等級的降水強度，分析了 1957—2004 年中國 8 個區域年降水量、降水頻率和平均降水強度的線性變化趨勢，結果表明，西北西部、青藏高原和華東地區年降水量有明顯增多趨勢，華北、東北和西北東部年降水量明顯減少；年降水頻率除西北西部和青藏高原顯著增加外，其餘地區年降水頻率均呈減少趨勢；平均降水強度在華北、東北和西北東部呈減弱趨勢，其餘地區則呈增強趨勢。年極端強降水日數表現為東北和華北以及四川盆地為減小趨勢；西部地區和長江中下遊一直到華南都表現出增加趨勢（見圖 5）。Alexander 根據不同地區專家研究的結果，首次給出了全球陸地地區的極端溫度和降水變化趨勢，但在非洲和中 東等地區仍然存在空間上的空白。
表1 極端氣溫指數
表2 極端降水指數
圖4 基于逐日最低溫度計算的 1951-2010 年逐年霜凍日數的變化
圖5 1951-2004年極端強降水日數的變化趨勢
注：實心（空心）圓點代表增加（減少），根據圖示的大小， 其趨勢分别為大于 7 .5 %和小于 7.5 % ，叉号代表趨勢達到 0 .05 以上的顯著性水準
風是影響人類安全、海上航空活動以及基礎設施建設的重要氣象因子。近 50 年來中國年平均風速存在逐年減小的變化趨勢，Jiang 等指出中國的大風日數也呈減小的趨勢。雖然在 ETCCDI 的 27 個指數中沒有給出明确的極端風速的概念，國内外一些研究也已經開展了極端風速變化的研究。
（二）與天氣現象有關的極端事件
除了跟溫度、降水和風等單要素有關的極端事件，與台風、冰雹、霧和霾等有關的強天氣現象緊密有關的極端天氣氣候事件也給社會經濟和人類活動帶來了較大的影響。
台風是發生在熱帶海洋上的一種具有暖中心結構的強烈氣旋性渦旋，總是伴有狂風暴雨，常給受影響地區造成嚴重的災害。中國是世界上熱帶氣旋（TC）登陸最多、災害最重的國家之一，平均每年登陸 7~8 個。通常以台風中心地面最大平均風速和台風中心海平面最低氣壓為依據判斷台風的強度大小。
劉燕等利用 1949—2006 年熱帶氣旋年鑒資料， 根據 2006 年新制訂的 TC 等級标準，分析了登陸大陸 TC 的氣候特征，結果表明，登陸 TC 的平均強度出現減弱趨勢，但進入 21 世紀以來，平均強度顯著增加，尤其是 TC 逐年強度極值表現更為明顯。
冰雹是強對流天氣系統引起的一種劇烈的氣象災害，它持續時間短，作用範圍小，但是強度一般很大，對農業的損害最大，Xie 等統計了中國 1960—2005 年冰雹出現頻率的年際變化特征和趨勢，結果表明，20 世紀 80 年代之前年平均冰雹日數沒有顯著的變化，而在此之後年平均降水日數有顯著的減小趨勢。
霧和霾嚴重影響大氣能見度，并對交通運輸、人體健康以及農作物生産具有重要的影響。根據能見度将霧劃分為重濃霧、濃霧和大霧，陳潇潇等分析了不同等級霧的年代際變化，結果表明，對于多數地區來說，重濃霧在 20 世紀 70 年代有增多的突變，而濃霧與大霧無此特征。高歌利用 1961—2005 年中國霾日統計資料，探讨了霾的變化趨勢，研究表明， 大陸東部大部分地區的霾日主要呈現增加趨勢，而西部和東北大部分地區以減小趨勢為主。
（三）多要素極端事件
1.寒潮
寒潮天氣過程是一種大規模的強冷空氣活動過程，主要特點是劇烈降溫和大風，有時還伴有雨、雪、雨凇或霜凍，會給農業生産、人類活動以及交通運輸帶來很大影響。中央氣象台以過程降溫與溫度負距平相結合來劃定冷空氣活動強度，當過程降溫達到10 ℃ 以上、溫度負距平的絕對值達到 5 ℃ 以上就可認為是寒潮事件。Lau 等以 3 個标準定義寒潮，即降溫大于 5 ℃，中國内陸與沿海的地面壓力差大于 5 hPa 以及南海北部盛行北風風速大于 5 m/s。西伯利亞中部（70°~90° E，43°~65° N）為寒潮關鍵區，絕大部分冷空氣在這裡堆積加強進而入侵大陸。從年代際變化上看，1961—2010 年中國平均寒潮頻次呈明顯的減少趨勢，其線性變化趨勢系數為 -0.3 次/10 a，通過了 95 % 的顯著性檢驗（見圖 6）。魏鳳英的結果表明，氣候變暖後，冬春季發生在全國性寒潮災害的頻次顯著減少，并指出這種減小趨勢與 AO 位相的增強趨勢背景有一定的聯系。錢維宏等的結果表明，發生在大陸的寒潮以北方最多，東北的寒潮始于 10 月份，而河套和江南的寒潮在 4 月份比較頻繁。
圖6 1961-2010 年中國平均寒潮頻次變化曲線
2.沙塵暴
沙塵天氣多出現在幹旱地區，空中沙塵彌漫會降低能見度，對交通運輸和身體健康造成不良影響。如果遭遇持續強勁大風，便形成沙塵暴，強沙塵暴的風力可達 12 級以上，其摧毀力遠遠超過同樣級别的普通風災。
人們一般根據能見度和風速劃定沙塵暴的等級，中國氣象局沙塵暴強度等級标準根據能見度将沙塵暴劃分為 3 個等級：沙塵暴、強沙塵暴、特強沙塵暴分别對應的能見度為 500 ~1000 m、50~500 m和<50 m。康玲等在此基礎上，又考慮了沙塵暴緻災的嚴重程度，将沙塵暴劃分為 4 個等級，即弱沙塵暴、次強沙塵暴、強沙塵暴以及特強沙塵暴，對應的能見度分别為500~1000 m、200~500 m､50~200 m和≤50 m，并采用該名額，利用 1995—2007 年内蒙古地區地面測站的沙塵暴、能見度、風速風向觀測資料，分析研究了内蒙古地區沙塵暴的分布特征，結果表明，在一年内，内蒙古地區的沙塵暴、強和特強沙塵暴集中出現在春季的 3 月—5 月，4 月最多,沙塵暴下旬相對集中,上､下旬是大､小範圍強和特強沙塵暴易發時段。李棟梁等以水準能見度小于1000 m定義沙塵暴事件，選用中國 185 個正常氣象觀測站，分析了近 50 年來中國北方沙塵暴的氣候特征，研究表明，中國沙塵暴日數呈減小趨勢，20 世紀 90 年代是近 5 個年代中最少的,并且指出中國沙塵暴與夏季青藏高原地面感熱關系密切。
（四）幹旱
幹旱是由于受到長期降水不足引起的典型的極端氣候事件。幹旱及其形成機理是一個古老但又富有挑戰性的研究課題，是人類面臨的主要自然災害， 在全球變暖的大背景下，幹旱化趨勢已經成為國内外學者關注的主要問題之一。有關幹旱指數的定義多種多樣，總體來講，一類是僅僅考慮降水量這一單因素的名額，另一類是綜合水分盈虧的名額。
降水量幹旱名額（如降水偏少名額，降水距平百分率名額等）是通過氣象學方法研究降水量的統計分布規律或以無降水持續日數反映幹旱的強度和持續時間。标準化降水指數 SPI 在大陸國家氣候中心的旱澇監測中得到了較為廣泛的應用。
降水量－蒸發量、蒸發量 ／降水量、降水量－作物需水量、作物需水量 ／降水量等幹旱名額考慮了降水量和溫度變化兩因子的影響，降水資料容易獲得， 而蒸發量的計算方案有很多，通常以潛在蒸散量來代替，常見的計算潛在蒸散的方法有 Thomthwaite、飽和差、Penman 等模型，其中 Penman 模型及其修正方案在大陸應用最為廣泛。
《氣象幹旱等級》國家标準推薦使用綜合氣象幹旱指數Ic，該指數是由降水量标準化降水指數和相對濕潤指數綜合而得，反映短時間尺度（月）和長時間尺度（季）降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度（影響農作物）水分虧欠情況。采用綜合氣象幹旱指數分析近半個世紀以來全國及不同地區幹旱變化情況，結果表明，東北和華北地區幹旱化趨勢顯著（見圖 7），近年來，西南地區的重大幹旱事件也頻繁發生。
圖7 大陸東北和華北地區 1951-2010 年幹旱面積變化
涉及幹旱發生機理的名額有很多，其中使用最多的是 Palmer 提出的 PDSI 名額，它是一個綜合考慮水、可能蒸散、前期土壤濕度和徑流的名額。PDSI 在世界各國得到了廣泛的應用和認可，早在 20 世紀 70 年代，該指數被引入中國，并根據大陸的實際情況對指數進行修正，得到了許多有意義的研究成果。翟盤茂等利用幹旱監測降水指數（PDSI）分析了 1951—2003 年中國幹旱變化特征，結果表明，在近半個多世紀中，大陸發生較大範圍的幹旱主要出現在 20 世紀 60 年代、70 年代後期至 80 年代前期以及 20 世紀 90 年代後期至 21 世紀初。近 10 多年來西南幹旱頻繁發生，給當地人民生産生活帶來了重大影響。
對于幹旱，據統計世界各國一共有 55 種名額，也有人把幹旱分為氣象幹旱、水文幹旱、農業幹旱和社會經濟幹旱 4 類，并定義了各自對應的幹旱指數。有些指數具有區域和應用領域的局限性。是以，在選擇極端指數對幹旱事件進行監測時要針對具體情況，濫用名額很可能會得到與實際不符的結論。
（五）氣候變暖背景下極端事件的變化趨勢
自 20 世紀 70 年代以來，大陸極端天氣氣候事件變化特征呈現出明顯的差異（ 見表 3 ） ，異常冷事件霜凍、寒潮等顯著減少，異常暖事件高溫熱浪變化不明顯，極端降水事件變化趨勢表現出較大的空間差異性，大風、熱帶氣旋、冰雹、霧和霾、沙塵暴等表現為減小的趨勢。
表3 各種極端天氣氣候指數定義及全球氣候變化背景下其變化趨勢
關于氣候變暖與極端天氣氣候事件變化聯系的研究，涉及到有關形成機制的複雜問題。Trenberth 指出，地面溫度的升高會使地表蒸發加劇，使得大氣保持水分的能力增強，大氣水分含量增加。地面蒸發能力增強，将使幹旱更易發生，同時為了與蒸發相平衡，降水也将增長，易于發生洪澇災害。Liu 等探讨了各個強度的降水量随溫度的變化關系後指出，當全球平均溫度升高 1 K，極強降水量（90 % ~100 % 最強強度的降水量）約增加 94.2 %，而 30 % ~60 % 百分位降水量約減少 20 %；全球平均降水強度随溫度的增加幅度明顯大于大氣含水能力的變化幅度。由此看來，氣候變暖通過大氣水循環影響降水極端事件确實值得關注。由于冷空氣活動的減弱，蒙古氣旋頻數減少、強度減弱，中國平均大風日數和極大風速呈減弱趨勢，對應中國沙塵暴頻率的減少。大尺度變暖還可能減少大霧頻次，使得半個世紀中國大部分地區霧日呈減少趨勢。
此外，極端天氣氣候事件的頻發發生與 ENSO 事件、季風異常與不同的氣候異常模态緊密相關，在大尺度環流異常時極端天氣氣候事件也更為突出。
四、極端天氣氣候事件的應對
在全球變暖的大背景下，大陸各類極端事件均呈現出不同的時空演變特征。20 世紀中葉以來，雖然不是所有極端事件都增加了，但在大陸長江流域強降水頻率趨于增加，而華北和東北地區幹旱範圍趨于擴大，近 10 年來，西南幹旱又頻繁發生。
特大幹旱、持續性強降水、超強台風、強寒潮、區域性高溫熱浪等極端天氣氣候事件會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，可稱之為重大氣象災害。氣候變暖會引起一些極端事件的強度和頻率增強，人類社會将面臨更高的災害風險，而且随着經濟的發展，重大氣象災害經濟損失不斷加大，必須加強研究、應對和防禦。由于極端天氣氣候事件緻災程度取決于事件本身的性質和強度、還取決于孕災環境、承載體脆弱性和防災能力等，是以需要從以下方面加以應對。
(1) 有必要建立高影響極端事件的指數和名額體系，加強高影響的極端天氣氣候事件發生發展過程監測、研究和預警。随着研究的深入，科技工作者逐漸認識到探究極端天氣氣候事件形成機理的重要性。在今後的工作中，要進一步加強對高影響的極端事件監測和研究，深入探究極端天氣氣候事件尤其是高影響極端事件的形成機理和預測技術，不斷提高大陸的災害天氣氣候預警水準。
(2) 必須加強高影響極端事件的防禦能力建設｡據統計，在發達國家極端事件造成的經濟損失較大，而在開發中國家極端事件造成的人員傷亡較為嚴重，這在很大程度上與開發中國家抵抗災害的能力較弱以及對極端事件的預警能力不足有關。是以，改善人類面對極端事件時的脆弱性和暴露度有利于提高一個國家的防災、抗災和減災能力。例如，針對高溫熱浪天氣頻發，可以通過加強預警系統建設、完善公共場所的制冷設施、改善城市基礎設施等加以應對；針對強降水頻率和強度增加，為減少突發洪水的危害性，可加強防洪工程建設，提高建築品質、改善城市排水系統等風險防禦措施；對于重大幹旱事件的增加，可通過加強節水農業技術發展、加強水資源管理的抗旱工程建設等措施減少旱災的影響。
人類面臨的氣象災害具有很大的地域性特點和經濟社會影響屬性，需要根據當地的實際情況，評估災害的風險因子，因地制宜地制訂風險管理措施有利于降低極端天氣氣候事件所帶來的影響。
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。