國際氣候變化科學評估中所反映的氣候變化 科學的重要進展

王倩 翟盤茂

（1 中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京 100081；2 中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

自1988年成立以來，IPCC已經編寫了五輪全面的氣候變化評估報告和14篇特別報告。每一份報告都向國際社會提供了對人為氣候變化的最新認知，為國際氣候談判、氣候決策提供了權威、綜合的科學依據，極大地促進了氣候變化自然科學的發展，并為適應和減緩氣候變化奠定了堅實的科學基礎。1990年，IPCC第一次評估報告（FAR）強調了氣候變化的全球影響，提出了需要開展國際合作加以應對。此次報告后，聯合國決定建立“聯合國氣候變化框架公約（UNFCCC）”，作為減少全球變暖和應對氣候變化的關鍵性國際條約。IPCC第二次評估報告（SAR）于1995年發布，為各國政府在1997年通過“京都議定書”之前提供了重要科學支撐。IPCC 第三次評估報告（TAR）關注到了氣候變化的影響和適應。2007年發布的 IPCC 第四次評估報告（AR4）奠定了后京都時代的基礎工作，重點關注到了溫升控制在2 ℃的科學問題。IPCC 第五次評估報告（AR5）于2013—2014年完成，它從多視角進一步證實和支持了AR4第一工作組有關人類活動影響的結論，認為過去一百多年人類活動導致全球氣候變暖毋庸置疑。同時，它首次給出了2 ℃條件下的CO的累計排放。AR5為簽署《巴黎協定》提供了科學基礎。正在進行中的IPCC第六次評估報告（AR6）將于2022年完成，AR6將為2023年的第33次全體締約方大會圍繞全球盤點行動提供科學支撐。

目前，IPCC正處于第六個評估周期，在該評估周期內，委員會將完成3個工作組報告、綜合報告、3份特別報告以及1份國家清單方法學報告。特別報告是基于AR5以來正在發生的變化，且在AR5中被列為重要不確定性方面、知識缺陷，或者是新出現的知識領域來編寫。如圖1所示，目前，3份特別報告以及國家清單方法學報告均已經完成。第六次評估報告（AR6）三個工作組的報告將于2021年完成，AR6綜合報告將于2022年編寫完成。IPCC AR6將以AR5和以往IPCC評估報告為基礎，重點關注全球和區域尺度的解決方案，并通過3份特別報告提供支持性證據。

圖1 IPCC第六次評估周期內相關報告時間表（根據COVIN-19爆發情況三個工作組報告和綜合報告發布時間將有所推后） Fig. 1 The relevant report timetable during the sixth IPCC assessment cycle (According to the COVIN-19 outbreak, the release time of the reports of the three working groups and the comprehensive reports will be postponed)

本文首先回顧IPCC自成立以來所發布的每次評估報告的進展情況，重點討論每次評估報告中對于氣候系統的科學認知、氣候觀測系統以及氣候系統模式的發展和進步。并且針對AR6啟動以來已經取得的重要進展，重點從AR6 第一工作組報告的設計思路、觀測系統的改善和地球系統模式的發展方面，分析AR6 第一工作組報告的重要突破與轉變。

1 IPCC歷次評估報告的演變

1.1 科學認知的發展

隨著觀測能力的不斷提升、氣候系統研究方法的逐步成熟，以及氣候模式的不斷發展，人類對于氣候系統及氣候變化的科學認知不斷加深。這在IPCC歷次評估報告中得到充分體現，無論是從每次評估報告的框架，還是從人類活動對氣候變化影響的確信程度上，都體現出人類對于氣候系統和氣候變化的科學認知在不斷深化。

FAR中，人類對于氣候變化的認知較為粗淺，主要局限于大氣圈的變化。評估觀測到的、以及預估未來的氣候變化也主要局限于溫度、降水以及海平面的變化。SAR中，首次引進了氣候系統的概念，在SAR第一工作組報告的第一章中綜合評估了氣候系統各個圈層的變化情況。這體現了人類對于氣候的認知從經典氣候學向全球氣候系統概念的發展。此次報告中的另一個重要突破是首次提出了氣候變化歸因的概念，并且開始量化氣溶膠在全球氣候變化中的作用，為未來氣候變化模擬提供可能。在TAR中，增加了對碳循環和大氣化學相關內容的評估，對全球氣候系統五大圈層之間的相互作用過程有了進一步的認識。本次評估報告中，首次將區域氣候信息的評估和預估單列成章，體現出人類對于氣候變化的認知從全球向復雜的區域過程轉變。AR4中，對于全球氣候系統各圈層的認識進一步加深，考慮了復雜的生物地球化學過程，首次將海洋氣候變化，和與冰凍圈相關的積雪、冰川和凍土的變化，以及古氣候的內容單列成章。與之前的評估報告相比，AR5中包括了一個關于近期氣候預估的新章節。評估中對于云過程以及云-氣溶膠相互作用的過程也有了進一步的認識。以往的IPCC報告中對于極端天氣氣候事件已經有了相關描述，但在第五次評估周期中針對極端事件可引發的各種災害風險，IPCC第一、第二工作組聯合編寫了《管理極端事件和災害風險、推進氣候變化適應》特別報告。該特別報告綜合了第一工作組、第二工作組和災害風險管理界所涉及的各學科內的各種技能和視角，突出強調了適應和災害風險管理。正在進行的AR6中，3份特別報告已經發布。《全球升溫1.5 ℃特別報告》（SR1.5），是世界各國政府根據《巴黎協定》提出的。該特別報告主要從以下四個方面展開：對1.5 ℃全球溫升的認識、預估的氣候變化、可能的影響及其對應的風險，與1.5 ℃全球變暖相一致排放途徑和經濟轉型，可持續發展及消除貧困行動背景下加強全球響應。《氣候變化與土地特別報告》（SRCCL）反映了關于荒漠化、土地退化、可持續土地管理、糧食安全和陸地生態系統碳通量方面的最新科學認知，并探討了如何進行更加可持續性的土地利用和管理以應對與土地相關的氣候變化問題。另外，除了將在第一工作組報告中評估海洋、冰凍圈的變化，IPCC還針對海洋和冰凍圈發布了《氣候變化中的海洋和冰凍圈特別報告》（SROCC）。該報告評估了海洋和冰凍圈有關的最新科學認識，討論了氣候變化下海洋、沿海、極地和高山地區生態系統和人類群落的影響、脆弱性和適應能力，并提供了實現氣候恢復型發展途徑的不同方案。SROCC是 IPCC首次以高山地區與極區冰凍圈和海洋為主題的評估報告，這也是AR6的重要進展之一。

歷次IPCC報告對于全球變暖程度以及人類活動對全球變暖的影響程度的認識也在逐步加強。如表1所示，IPCC歷次評估報告中平均溫度的變化結果一致表明全球變暖已經成為毋庸置疑的事實，并且全球變暖的速率在不斷加快。同時，也有越來越多的證據證實了人類活動對全球變暖的影響。FAR指出很少的觀測證據可檢測到人類活動對氣候變化的影響。6年之后的SAR的結論表明，平衡各種證據，人類對20世紀全球氣候有可辨別的影響。TAR的結論是：有新的和更強的證據表明，過去50年觀測到的增暖的大部分可歸結于人類活動，這一結論是可能的（66%～90%的概率）。自TAR以來，評估人類對最近氣候變化的貢獻的信度有很大提高，部分原因是從更長時間的記錄獲得的更強的信號，以及擴充的和改進的一系列觀測資料，以便結合氣候系統的其他變化更全面地研究變暖的歸因。AR4的結論表明，觀測到的20世紀中葉以來大部分的全球平均溫度的升高，很可能（＞90%的概率）是由于觀測到人為溫室氣體濃度增加所導致的。AR5中，人類活動影響的信號更加清晰，在整個氣候系統中都已經檢測到人類活動的影響，人類活動的影響極有可能（95%～100%的概率）是20世紀中葉以來觀測到變暖的主要原因。SR1.5的最新結果顯示，人類活動估計可能造成了全球升溫高于工業化前水平約1 ℃。這說明在全球變暖中，人類活動的影響逐漸可以被量化。此外，人類活動的證據在區域尺度上也在不斷進步。AR4表明，人為強迫可能對20世紀中葉以來除南極洲之外的所有大陸表面溫度升高起到了重要作用。

表1 歷次IPCC報告對人類活動引起的氣候變化的重要科學認知 Table. 1 Important scientific understanding of climate change caused by human activities in previous IPCC reports

1.2 觀測系統和氣候模式的發展

氣候系統的長時間觀測是氣候變化研究的重要資料基礎和氣候模式發展的必要支撐。隨著全球觀測系統的不斷完善，全球觀測站點的空間分布密度明顯增加，觀測資料時間尺度不斷擴展，大氣和陸面以外的海洋和冰雪區的觀測數據也不斷完善。近幾十年，隨著觀測工具和觀測手段的多樣化，氣象衛星和其他類型的衛星提供了輻射收支、植被覆蓋變化、土地利用以及海面溫度等信息，為解決海洋、沙漠和高山等資料稀缺區的氣候變化問題提供了新的途徑。除此之外，利用資料同化技術再分析過去的氣象觀測資料，重建高時空分辨率的格點氣候數據集也取得了顯著進展。再分析資料的發展主要體現在數據覆蓋范圍的擴大、空間分辨率的提高、時間尺度的延長，以及全球再分析數據集的增多。目前，全球大氣資料再分析計劃主要有：美國國家環境預測中心和大氣研究中心（NCEP/NCAR）全球大氣再分析資料計劃，美國國家航空航天局資料同化部（NASA/DAO）的全球大氣再分析資料計劃，歐洲中期數值預報中心（ECMWF）的全球大氣再分析資料計劃，日本氣象廳（JMA）和電力中央研究所（CRIEPI）的全球大氣再分析資料計劃。

全球變暖的檢測和歸因以及氣候變化預估等研究都離不開氣候模式。國際耦合模式比較計劃（CMIP）以大氣模式比較計劃（AMIP）為基礎，由世界氣候研究計劃耦合模擬工作組（WGCM）于1995年發起和組織。迄今為止，WGCM已經組織了6次模式比較計劃。CMIP計劃關于氣候模式性能的評估、對當前氣候變化的模擬以及未來氣候變化的情景預估結果，為IPCC氣候變化評估報告的撰寫提供了重要支撐。例如，CMIP1的結果被IPCC SAR所引用，CMIP2、CMIP3和CMIP5的結果分別被TAR、AR4和AR5所引用。最新的CMIP6的模式評估結果將用于正在進行當中的AR6。在已經完成的5次評估報告當中，氣候系統模式的復雜程度及模擬能力都得到了顯著發展，主要體現在不斷耦合入新的分量、模式中考慮的地球生物化學過程不斷豐富，參與評估的模式數量不斷增加，模式分辨率逐漸提高。如圖2所示，在FAR中，參與評估的模式主要有大氣模式、陸面模式和海洋模式，模式數量以及模式的性能均較為薄弱。隨著全球觀測系統的不斷完善，人類對于氣候系統和氣候變化的認知能力的逐步加強，以及高性能計算機的飛速發展，一些復雜的過程如氣溶膠、碳循環、動態植被、大氣化學、陸冰等被逐漸加入到模式中。AR5已經是包含了5個圈層分量模式的地球系統模式，模式分辨率的提高以及更為復雜的生物地球化學過程的加入，使得模式的發展更加接近真實的地球氣候系統。

圖2 歷次IPCC評估報告中模式發展示意圖（改繪自IPCC WGI AR5[6]） Fig. 2 Schematic diagram of model development in IPCC assessment reports

2 IPCC AR6第一工作組報告規劃思路和重要突破

2.1 規劃思路

IPCC第一工作組致力于通過嚴格、透明、全面和可靠的評估知識狀態來評估氣候變化的物理科學基礎，為第二和第三工作組開展風險管理、適應和減緩措施方面的研究提供關鍵的科學信息。同時，將在未來的社會經濟情景、溫室氣體排放途徑、輻射強迫以及全球氣候預估方面與第三工作組緊密的合作。

IPCC AR6第一工作組報告聚焦以解決問題為導向的編寫思路，在內容和框架上均較AR5進行了較大改善。AR5是從觀測、物理過程、模式和綜合分析的思路來進行陳述，而AR6首先用第一章的內容來給出整個報告的結構框架，然后從大尺度的氣候變化、氣候過程、以及區域信息的思路來編寫。氣候過程部分將一些內容和第三工作組相關聯，而區域信息方面將和第二工作組相關聯，這樣充分地加強了AR6之間的銜接和一致性。IPCC AR6第一工作組的報告需要考慮AR5以來氣候變化的觀點、AR5顯示的關鍵不確定性和差距以及新興知識，并且要協調好與3份特別報告以及與第二工作組和第三工作組報告的銜接與交叉問題。這既是AR6取得的突破，同時也是其面臨的挑戰。AR5以來，隨著人類對于氣候系統中水循環變化和極端天氣氣候事件檢測歸因的認知的進步。在AR6的內容規劃中，首次將水循環的變化以及極端天氣氣候事件的檢測歸因以單獨的章節呈現。另外，與以往的IPCC報告相比，AR6中有關區域氣候變化信息的內容更加豐富，并且增加了區域氣候變化風險評估有關的內容，這充分加強了AR6三個工作組之間的銜接和一致性。

2.2 氣候觀測的發展

氣候科學的進步依賴于地面儀器觀測、飛機和其他高層大氣觀測、衛星觀測、海洋觀測以及古氣候記錄等觀測結果的質量和數量。自IPCC AR5以來，觀測能力大幅提升，包括現有數據集性能的提升、新興數據集的發展、以及大量氣候數據集數據長度的擴展，為氣候變化評估提供了很好的條件。衛星觀測的發展在大氣觀測能力的提升中發揮了重要作用。AR5以來，CO的觀測已經擴展到包括通過NASA軌道碳觀測衛星進行檢索，這種方式可以改進對大氣和地表間CO通量的量化。目前，已經形成了用于確定溫室氣體通量和大氣濃度源匯的均一化衛星觀測網絡。同時，通過擴展現有的地面觀測網絡并通過諸如飛機觀測的手段，進一步改善了對大氣成分（如氣溶膠、云和痕量氣體）的觀測。AR5強調了氣溶膠-云相互作用的巨大不確定性，隨著大氣觀測系統能力的改善和提升，在AR6中該不確定性將會得到改善。

自AR5以來，對海洋的觀測已經大大擴展，包括對海洋溫度、鹽度觀測、海洋生物地球化學觀測、以及衛星獲取的各種基本海洋變量的全球覆蓋范圍均已擴大。對于冰凍圈而言，AR5以來，通過存檔和解密航拍照片、衛星資料以及高分辨率的數字高程模型擴大了全球陸地冰川觀測網絡。多年凍土參數的監測以及南北極冰蓋變化的測量方面均取得較大進步。

陸地觀測系統中，利用衛星和雷達等先進觀測技術，使得估計全球陸地生物量變化的能力有所提高。這可以改善碳儲量的量化以及由于森林砍伐而導致的人為變化。目前，土壤濕度的觀測資料可以通過衛星檢索獲得，填補了觀測陸地水文趨勢和變率的空白。

此外，自AR5以來，用于發展再分析資料的方法也取得了新的進展，這對于氣候變化的研究具有重要意義。再分析資料的最新進展主要包括覆蓋范圍的擴大、空間分辨率的提高、時間尺度的延長，以及最大程度地減少觀測網絡時空變化的影響。耦合的再分析資料也正在不斷開發，以使得海洋、大氣、陸地和冰凍圈保持更好的一致性。

2.3 地球系統模式的發展

在AR6的未來氣候變化預估模塊中，主要的突破體現在地球系統模式的發展。地球系統模式是理解氣候系統的變化規律、再現其過去演變過程、預測和預估其未來變化的重要工具。第六期耦合模式比較計劃（CMIP6）中最新的全球氣候模式的比較結果將用于IPCC AR6中。當前正在進行的CMIP6計劃，參與模式研發團隊達到33個，而注冊參加CMIP6的模式版本也創紀錄地達到了112個。這是CMIP 計劃實施20多年來參與的模式數量最多、設計的數值試驗最豐富、所提供的模擬數據最為龐大的一次。我國有9家機構報名參加CMIP6，注冊的地球（氣候）系統模式版本有13個。我國參與CMIP6的模式水平分辨率較之CMIP5有一定提高，大氣模式分辨率多在100 km左右，海洋模式分辨率在100 km與50 km之間各占一半。

較之CMIP5 中的模式，參與CMIP6 的模式有2個特點：一是考慮的過程更為復雜，以包含碳氮循環過程的地球系統模式為主，許多模式實現了大氣化學過程的雙向耦合，包含了與冰蓋和多年凍土的耦合作用；二是大氣和海洋模式的分辨率明顯提高，大氣模式的最高水平分辨率達到了全球 25 km。AR5中強調模擬水循環的趨勢和變率仍然存在挑戰，而目前具有更細水平網格的全球模式更好地描述了大氣和海洋的大規模環流，為全球水循環的模擬帶來了重大改善。全球大氣、海洋模式垂直分辨率的提高，有效增強了模式對于平流層過程以及海洋混合層上層的模擬。與CMIP5相比，CMIP6模式的一些參數化方案和參數均有所更新，目的是為了更好地描述物理過程并使模式氣候更接近最新的觀測數據集，有利于加強對氣溶膠-云微物理過程的理解，進一步增進對氣溶膠和短壽命氣體對氣候影響的了解。這將填補AR5中對于氣溶膠和云過程評估的不足。同時，AR5以來，海洋、冰凍圈模式發展也取得了顯著進展。基于模式分辨率的提升，海洋渦流的精確再現是CMIP6海洋模式組中取得的主要進展。海冰以及冰蓋模式的發展對于南北極海冰變化趨勢的分析，以及相關物理過程的理解均發揮重要作用。

IPCC AR5指出溫度以外變量的觀測不確定性、氣溶膠強迫的不確定性以及模式的不確定性對水循環變化、區域氣候變化以及極端事件的檢測和歸因帶來諸多限制。AR5以來，由于對數據集的新觀測和分析，包括再分析，以及模式的發展，全球氣候模式分辨率的提高。在AR6中，對于水循環變化、區域氣候變化以及極端事件的歸因能力均有所增強。

3 結論

本文回顧了IPCC歷次評估報告中人類對于氣候系統變化科學認知的進步，全球變暖和人類活動影響的變化，以及氣候系統觀測和氣候系統模式的發展。并進一步介紹了AR6評估周期內已經發布的3份特別報告和第一工作組報告在規劃思路和內容安排上的創新和突破，以及AR5以來氣候觀測系統和氣候系統模式的發展。主要結論如下：

1）IPCC歷次評估報告的結果顯示，人類對于氣候系統和氣候變化的認知在逐漸加深。對氣候變化的認識經歷了從最初的大氣圈到氣候系統多圈層的轉變，這在IPCC歷次評估報告的內容安排上得到了充分體現。從對全球變暖的認識來看，IPCC歷次評估報告中平均溫度的變化結果一致表明，全球氣候變暖已經成為毋庸置疑的事實。對于人類活動影響的認識，也經歷了從最初的很少的證據表明，到AR5中氣候系統各圈層均能檢測到人類活動的影響，再到SR1.5中已經可以量化出人類活動對全球變暖的影響這一過程。

2） 隨著全球觀測系統的不斷完善，站點觀測資料不斷積累，氣候觀測的覆蓋范圍、空間分辨率以及時間尺度均明顯增大。模式的發展也經歷了從簡單的氣候模式到氣候系統模式和地球系統模式的進步。從FAR到AR6，模式中新分量的不斷加入、模式分辨率的不斷提高，更為復雜的生物地球化學過程的加入，使得模式的發展更加接近真實的地球氣候系統。

3） IPCC AR6第一工作組報告聚焦以解決問題為導向的編寫思路，在內容和框架上均較AR5進行了較大改善。AR6首先用第一章的內容來給出整個報告的結構框架，用綜合反映氣候系統變化的方式，從大尺度的氣候變化、氣候變化過程、以及區域氣候變化信息的思路來開展評估。首次將水循環的變化以及極端天氣氣候事件的檢測歸因以單獨的章節呈現。另外，AR6中有關區域氣候變化信息的內容更加豐富，并且增加了區域氣候變化風險評估有關的內容，這充分加強了IPCC三個工作組之間的銜接和一致性。