氣候變化的影響歸因:來自IPCC AR6 WGⅡ的新認知

蘇布達,陳梓延,黃金龍,姜彤*

① 南京信息工程大學 地理科學學院/災害風險管理研究院,江蘇 南京 210044; ② 南京信息工程大學 氣候與環境治理研究院,江蘇 南京 210044

歸因研究是回答“氣候變化在多大程度上是由人類活動引起的”這一問題的重要科學基礎。1990年IPCC發布了第一次評估報告(FAR),指出觀測到的增溫可能主要由自然變率導致,但已經感知到人類活動的影響;1995年第二次評估報告(SAR)時,有明顯證據表明人類活動對氣候的影響,但氣候變化對系統的影響很難量化;2001年第三次評估報告(TAR)認為,新的、更有力的證據表明,過去50 a觀測到的全球大部分增暖可能(66%以上可能性)歸因于人類活動,區域氣候變化已對許多自然和生物系統產生了影響;2007年第四次評估報告(AR4)進一步指出,人類活動很可能(90%以上可能性)是氣候變暖的主要原因,區域氣候變化對自然和人類環境的影響正在顯現;2013年第五次評估報告(AR5)認為,20世紀中葉以來人類活動造成了觀測到的全球氣候一半以上的變暖,置信度達95%以上,氣候變化已對各大洲和各大洋的自然和人類系統造成了影響。2021年第六次評估報告(AR6)指出,自工業化革命以來,人類活動導致全球升溫約1.09 ℃,2020年陸地表面和海洋表面分別升溫1.59 ℃和0.88 ℃,人類活動引起了大氣、陸地和海洋變暖是毋庸置疑的,人類引起的氣候變化對自然和人類造成廣泛不利影響和相關損失及損害,遠超自然氣候變率造成的影響。

歸因用于評估一個或多個因素對觀測到的變化趨勢或事件的貢獻,可識別變化趨勢或事件中的氣候和非氣候因子相對重要性。這種變化趨勢或事件可能反映在天氣或氣候要素,也可能反映在自然、人類或受管理系統,如農業生產力或基礎設施損失,還可能體現在溫室氣體排放量的變化。歸因研究在提高決策者和公眾對氣候變化影響的認識和行動意愿方面發揮著重要作用。歸因研究通過量化人為氣候強迫、氣候系統和自然、人類或受管理系統之間的關系,為氣候預估、適應措施等提供信息和限制條件,支持氣候變化風險管理與適應的規劃和政策制定,服務于氣候變化造成損失的賠償以及氣候變化減緩對策的實行。

1 歸因的定義、方法和挑戰

1.1 定義

歸因首次出現在TAR第一工作組(WGⅠ)報告,是指以某種給定的信度建立因果關系的過程(IPCC,2001a);第二工作組(WGⅡ)報告則將觀測到的環境系統變化歸因于觀測到的氣候變化(IPCC,2001b)。AR4 WGⅠ報告認為,氣候變化歸因是以某種給定的信度評估所檢測變化最大可能原因的過程(IPCC,2007a);WGⅡ報告指出,將觀測到的系統變化歸因于人為氣候變化,系統變化應與區域氣候變化在一定信度上相關,且觀測到的區域氣候變化的可量化部分也應以一定信度歸因于人為氣候強迫(IPCC,2007b)。AR5 WGⅠ報告中,歸因是在給定的統計信度上,評估多種因子對某一變化或事件的相對貢獻的過程(IPCC,2013),而WGⅡ報告第18章首次提出了影響歸因的概念,指出影響歸因用于辨識氣候變化對系統變化的貢獻程度(IPCC,2014)。AR6 WGⅠ報告沿用了AR5 WGⅠ報告對歸因的定義(IPCC,2021);WGⅡ則區分了氣候變化歸因、影響歸因和天氣敏感性識別三種歸因研究(IPCC,2022)。

氣候變化歸因用于評估人為強迫對氣候系統變化的貢獻程度,如何區分由外部人為強迫導致的長期變化與內部變率是氣候變化歸因的難點;氣候變化影響歸因用于評估氣候變化對觀測到的自然、人類或受管理系統變化的貢獻程度,主要挑戰是辨識氣候與非氣候因子的作用。此外,AR6 WGⅡ還提出了天氣敏感性識別的概念,指出天氣敏感性識別用于評估極端天氣氣候事件和波動對觀測到的自然、人類或受管理系統變化的影響程度,如相比于管理措施變化,天氣條件變化對觀測到的作物產量變率有多大貢獻,這一問題就屬于天氣敏感性識別(Ray et al.,2015;Müller et al.,2017)。

1.2 方法

氣候變化歸因常用的方法包括貝葉斯方法、時間序列法(格蘭杰因果檢驗法)和最優指紋法。英國學者貝葉斯于1763年提出了一種歸納推理的理論,后發展成為一種系統的統計推斷方法,即貝葉斯方法。貝葉斯方法由先驗分布和后驗分布組成,先驗分布是對樣本抽樣前就存在的關于總體分布參數的先驗信息的概率表述,不依賴客觀依據,可部分或完全由主觀獲取;后驗分布在樣本抽樣后根據樣本分布和未知參數的先驗分布,通過求解條件概率分布的方法,獲取樣本已知情況下未知參數的條件分布(Hegerl et al.,2010)。格蘭杰檢驗法主要通過檢測兩個時序變量之間的相互關系和其自身變化,推斷兩個變量之間的因果關系,并控制與這兩個變量相關的第三方變量的影響(Granger,1980)。假設兩個時間序列分別為和,格蘭杰檢驗法分析預測的結果是否通過統計檢驗,如果通過,則認為是的原因,反之亦然。最優指紋法應用最為廣泛,由2021年諾貝爾物理學獎獲得者克勞斯·哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)于1998年提出,該方法通過最大化信噪比來增強氣候變化信號特征,使之排除低頻自然變率噪聲干擾,可用于區分不同的強迫機制來進行歸因分析(Hasselmann et al.,1998)。最優指紋法可以通過廣義多元回歸來實現,公式如下:

=+。

(1)

觀測到的氣候變化可看作是外部強迫引起的氣候變化信號的線性疊加,再加上氣候系統內部變率。式(1)中為氣候變化信號的響應系數,當顯著大于0時,表示可以檢測出外部強迫對觀測的影響。

IPCC報告的“影響”是指氣候系統變化引起的自然生態系統、作物、經濟指標、基礎設施或人體健康等自然、人類或受管理系統變化。

AR6 WGⅡ報告第16章總結了不同部門、區域和系統受到的影響的歸因。影響歸因包括一系列不同的定性和定量方法,這些方法以遙感、現場觀測和監測為基礎,結合了當地知識、過程理解和分析技術(Stone et al.,2013;Cramer et al.,2014)。

目前,影響歸因研究不要求系統變化必須歸因到人為氣候強迫,而“聯合歸因”在某些情況下可以指示人為氣候變化的影響(Rosenzweig et al.,2007)?！奥摵蠚w因”首先將氣候系統觀測到的變化歸因于人為氣候強迫,繼而將自然、人類或受管理系統的變化歸因于氣候系統的變化。

氣候變化影響歸因需要考慮其他非氣候驅動因子,進而將自然、人類或受管理系統的變化歸因于氣候系統變化,這需要將觀測到的系統變化與非氣候驅動的影響進行比較,也就是對比觀測期與無氣候變化基準期(no-climate change baseline)。無氣候變化基準在排除其他人類干擾的情況下,可以被近似的認為是早期沒有或只有較低溫升水平時的觀測數據。無氣候變化基準也可以通過設置氣候相關預測因子保持不變的前提下,采用統計影響模型模擬獲取;或采用觀測氣候的去趨勢數據,驅動基于過程的影響模型模擬獲取。

自AR5以來,出現了將特定的天氣/氣候事件(Hope et al.,2016)或系列事件(Sun et al.,2014;Stott et al.,2016)歸因于驅動因子的方法。一種是將觀測到的強迫下模擬的歷史變化與無人為強迫下模擬的非事實氣候(counterfactual climate)進行比較;另一種是通過基于過程的歸因來檢測天氣的特征和事件的熱力狀況(Shepherd et al.,2018)。

1.3 挑戰

歸因研究的關鍵是明確觀測到的系統變化、影響或結果及其特征,包括基準條件的假設(Hansen et al.,2016;Mann et al.,2017)。同時,歸因研究通常需要選擇隱式或顯式的物理、概念或經驗模型,模型可靠性將影響歸因結果的信度(Vautard et al.,2019)。此外,由于研究者對一些重要的驅動因子了解甚少,歸因研究可能并沒有充分考慮潛在的混淆因子(Hegerl et al.,2010)。

氣象要素的選擇可能會影響歸因結果。例如,對于降雨事件,持續時間和空間范圍非常重要;尤其對于局部的亞熱帶極端降水,熱力因子可能在高強度的短壽命降水事件中有明顯作用,但這種作用可能會被長時間尺度上的環流變化所掩蓋(Hope et al.,2018;King,2018)。此外,歸因對象的選取也會影響歸因結果。就洪水事件而言,由于依賴不同的非氣候因子,對洪水損失、導致的死亡人口或影響范圍的歸因結果可能存在差異。最后,中間變量的選取也會影響結果。例如,對于洪水事件,中間變量不僅包括流域自然條件,也包括處于風險中的資產類型。

氣候因子和非氣候因子之間的相互作用,特別是缺乏暴露度和脆弱性長序列數據的情況,對氣候變化影響歸因形成了挑戰。非氣候驅動因子的趨勢或變率可能主導氣候對系統的影響。影響歸因受到的挑戰還涉及適應措施對氣候變化影響的作用。

2 影響歸因的主要結論

已有資料證明目前觀測到的氣候變化對自然系統的影響最強、最全面,對人類系統也有一定影響,氣候變化作用有主次之分,氣候變化對人類系統的影響因氣候和社會經濟因素的區域特征呈現地理異質化,且可區別于其他因素——如技術創新、社會和人口變化以及環境退化等(丁永建等,2021)。圖1總結了全球不同地區各類系統的氣候變化歸因、影響歸因和天氣敏感性識別研究結果。其中,受氣候變化影響的系統包括陸地生態系統、海洋生態系統、海岸系統、水系統、食物系統和人類社會。

圖1 氣候變化或天氣波動的影響Fig.1 Impact of climate changes or weather fluctuations

2.1 陸地生態系統

陸地生態系統可歸因于氣候變化影響的方面主要包括陸地物種分布范圍縮小或轉移、初級凈生產力變化、生態系統結構變化、陸地物候變化和火燒跡地變化等。

全球范圍內,氣候變化是物種向高海拔和高緯度地區大規模遷移的主要貢獻因素(高信度);分大洲看,氣候變化對亞洲物種分布范圍縮小的貢獻中等(中等信度);澳洲物種范圍的大幅縮小歸因于氣候變化(高信度);氣候變化對非洲物種分布范圍和種群規?？s小的貢獻較低(低信度);中南美洲物種范圍中度縮小可歸因于氣候變化(中等信度);北美物種繁殖棲息地中度減少可歸因于氣候變化和相關野火變化(低信度)。

全球初級凈生產力(NPP)的中度增加可歸因于氣候變化(中等信度);各大洲范圍內,氣候變化對歐洲NPP的影響較小(低信度);亞洲NPP因氣候變化中度增加(中等信度);氣候變化影響下,澳洲NPP中度增加(低信度)、非洲NPP中度增加(高信度);中南美洲NPP的變化受氣候變化影響較小(低信度);由于CO的施肥效應,北美NPP顯著增加(中等信度)。

CO濃度上升對全球觀測到的灌叢和林地密度增加以及林地和森林擴張貢獻中等(中等信度);在各大洲與地區,氣候變化對歐洲山地植被結構變化的貢獻較大(低信度);澳洲半干旱區植被增加受大氣CO中度影響(中等信度);氣候和CO變化對非洲林地范圍擴張與密度增加的貢獻中等(中等信度);在中南美洲,氣候驅動因子對森林侵蝕的貢獻較低(中等信度);在北美,干旱區草地擴張和其他區域森林覆蓋面積增加受到氣候和CO變化中度影響;氣溫升高和降水減少對小島嶼上植被組合變化和關鍵動物行為改變的貢獻中等,這些島嶼的生態功能可能會受到影響。

從全球范圍來看,氣候變化對陸地物候行為變化的影響強烈(高信度)。分大洲與地區來看,亞洲物候變化受到氣候變暖強烈影響(高信度);非洲物候變化受到氣候變化中度影響(低信度);由于氣候變暖,北美物種產卵時間中度提前(中等信度);在小島嶼,干旱化對物種早期繁殖有著強烈影響(高信度)。

全球平均而言,氣候變化導致火燒跡地微弱減少(低信度)。在不同大洲與地區,氣候變化對歐洲西班牙東北部火燒跡地減小趨勢的貢獻較低,中等程度地貢獻了葡萄牙火燒跡地增加趨勢,但趨勢受其他直接人類活動影響而減弱(低信度);澳洲東南部森林火燒跡地增加受氣候變化中度影響(低信度);氣候變化對非洲火燒跡地減少的貢獻中到強(中等信度);在中南美洲亞馬孫地區,氣候變化對火燒跡地增加有中度貢獻(中等信度);北美部分地區火燒跡地呈增加趨勢,是因為受到了氣候變化的強烈影響(高信度)。

2.2 海洋生態系統與海岸系統

海洋生態系統中可歸因于氣候變化影響的方面主要包括海洋物候變化、海洋物種分布范圍遷移或縮小、大規模珊瑚白化、海藻林和海草損失等。

全球尺度上,氣候變化對觀測到的海洋物候變化貢獻巨大(高信度)。從海域來看,氣候變化對極地海域浮游植物爆發時間有強烈影響,對溫帶海洋浮游動植物季節性事件的發生時間有中等至強烈的影響(高信度)。

全球范圍內,氣候變化對暖屬物種分布范圍的擴張和以其為代表的新物種組合發展影響強烈(高信度);不同海域內,氣候變化對極地魚類分布范圍的縮小和北方魚類分布范圍的強勁擴張貢獻較高(高信度);氣候變化對溫帶海洋暖屬物種分布范圍向較冷地區擴張的貢獻較高(高信度),對以暖屬物種為代表的新物種組合發展的影響強烈(高信度);熱帶海洋物種豐度中等損失可歸因于氣候變化(低信度)。

幾乎可以肯定的是,氣候變化對觀測到的熱帶海洋大規模珊瑚白化的貢獻較高,對熱帶太平洋珊瑚有強烈的不利影響(高信度)。

從全球角度看,氣候變化導致海藻林增加(中等信度)。在不同海域,氣候變化是極地海洋海藻林豐度微弱增加(中等信度)以及溫帶海洋海藻林退化和物種范圍變化(高信度)的主要貢獻因素。

全球范圍內,海草中度減少可歸因于氣候變化(低信度)。不同海域,氣候變化對觀測到的南非海岸海草損失的貢獻中等(低信度),而對西澳大利亞海岸海草損失起到主要影響(高信度);熱帶小島嶼海岸觀測到的海草損失受氣候變化影響較低或中等。

海岸系統影響歸因研究的重點是氣候變化對海岸系統的損害程度。氣候變化導致的海平面上升引起歐洲局部海岸系統遭受的損失微弱至中度增加(低信度);北美相關案例研究表明,相對海平面上升、熱帶氣旋相關的降水增加和海冰退縮對海岸人類系統產生了強烈的不利影響(中等信度);相對海平面上升對所羅門群島和斐濟海岸系統的損失貢獻巨大(中等信度)。

2.3 水系統

水系統可歸因于氣候變化影響的方面主要有可獲得水資源/水安全、缺水導致的經濟損失、洪水災害、洪水致死率、洪水導致的經濟損失等。

在全球近年來幾次較嚴重的水資源危機中,氣候變化對2018年非洲開普敦水危機事件發生的貢獻巨大(低信度),對2015年中南美洲圣保羅水危機事件發生的貢獻較小(中等信度),對北美加利福尼亞州2014—2021年的極端缺水貢獻中等(中等信度)。

氣候變化對新西蘭的干旱損失有巨大的貢獻,對一些小島嶼干旱缺水導致的經濟損失增加也有巨大貢獻(低信度)。

氣候變化對全球洪澇頻次和洪峰流量出現時間變化的影響巨大(高信度),氣候變化導致了全球平均年最大流量和淹沒面積的小幅增加(中等信度)。在洲際尺度,氣候變化對歐洲觀測到的年最大流量變化趨勢的影響強烈(中等信度);受氣候變化的強烈影響,澳洲東南部年最大流量減少(低信度);氣候變化對非洲南部年最大流量減少的貢獻中等(低信度);在北美,氣候變化對觀測到的洪澇災害變化的貢獻較小。

全球范圍內,氣候變化對觀測到的河流洪澇導致的死亡人數增加的影響較小(中等信度)。

全球尺度上,氣候變化對已觀測到的洪澇經濟損害的貢獻較小,但在流量呈增加趨勢的區域貢獻率中等(低信度)。分大洲來看,氣候變化對歐洲洪澇損失的影響較小(中等信度);亞洲部分流量呈上升趨勢的區域受到了氣候變化的強烈不利影響(低信度);在澳洲,澳大利亞年最大流量下降地區的經濟損失中度減少,新西蘭的洪澇經濟損失強烈增加可歸因于人為氣候變化(低信度);氣候變化對中南美洲洪澇導致的經濟損失有輕微的影響(低信度);在北美,氣候變化導致洪澇經濟損失增加幅度各異(中等信度)。

2.4 食物系統

在食物系統中,影響歸因研究內容主要針對作物產量。氣候變化導致全球平均小麥產量中度下降(中等信度),由于證據有限,其他作物還未有全球層面的評估。氣候變化對歐洲不同作物產量有著混合影響,對小麥產量有強烈的負面影響(低信度),但其他作物的研究結果多數不一致;亞洲水稻產量受氣候變化的影響較小(中等信度),而其他作物的研究結果多數不一致;在澳洲,氣候變化導致的小麥產量變化趨勢的估計不一致,對其他作物的研究欠缺;氣候變化對非洲作物產量有混合影響,導致西非小米和高粱產量大幅下降,但對北非木薯、高粱、大豆和小麥的增產有中度貢獻;氣候變化導致中南美洲大豆和玉米產量變化的證據不一致;氣候變化對北美不同作物產量有混合影響,對美國玉米產量有強烈正面影響,而對美國小麥有中度負面影響(低信度);在小島嶼,農業生產和作物產量中度下降可歸因于氣候變化(中等信度)。

2.5 人類社會

氣候變化對人類社會產生方方面面的影響,主要包括熱相關死亡、媒介傳播疾病、宏觀經濟、國家間不平等、局部沖突、流離失所及人口遷徙等。

氣候變化對全球熱暴露度相關的死亡人口有微弱至強烈的影響(中等信度)。在不同大洲,氣候變化對歐洲熱相關超額死亡人口有中度到強烈的影響(中等信度);亞洲熱相關死亡人口受氣候變化中度至強烈影響(低信度);氣候變化對澳洲熱相關超額死亡人口有中度到強烈的影響(中等信度);氣候變化導致非洲的熱相關死亡人口大幅增加(低信度);在中南美洲,熱相關超額死亡人口受氣候變化中度至強烈影響(低信度);在北美,熱相關超額死亡人口受氣候變化中度影響(中等信度);氣候變化對小島嶼熱相關超額死亡人口的影響強烈(低信度)。

氣候變化正在增加全球高原地區的瘧疾傳播(高信度),對歐洲媒介傳播疾病發病率增加的貢獻中等(中等信度)。

從宏觀經濟的角度看,全球高緯度地區GDP的中度增長以及亞熱帶和熱帶地區GDP的大幅減少可歸因于氣候變化(低信度)。

氣候變化引發國家間不平等現象大幅增加(低信度),如撒哈拉以南非洲長期的降雨下降趨勢導致撒哈拉以南非洲國家和其他發展中國家之間的不平等現象大幅增加(低信度)。

氣候變化對局部沖突影響的有限研究表明,氣候變化對歐洲漁業爭端的貢獻中等(低信度),對亞洲敘利亞內戰的貢獻較低(低信度,低一致性),而非洲武裝沖突事件中度增加或減少可非線性地歸因于溫升(低信度)。

氣候變化引起的土地淹沒和土壤鹽漬化對亞洲國家國內和國際人口遷移的貢獻中等(低信度),在北美,相對海平面上升、凍土融化和海冰退縮對定居區位的抉擇有強烈的影響(中等信度),對于所羅門群島等島嶼,居民流離失所主要受由人為氣候強迫導致的相對海平面上升的強烈影響(中等信度)。

3 結論與展望

1)AR6 WGII報告明確了氣候變化歸因、氣候變化影響歸因和天氣敏感性識別等三類歸因。氣候變化影響歸因用于評估氣候變化對觀測到的自然、人類或受管理系統變化的貢獻程度,以辨識氣候與非氣候因子的作用,并提出氣候變化影響歸因中構建“無氣候變化基準期”的研究思路,以及利用早期觀測數據、采用統計模型或基于過程的影響模型獲取“無氣候變化基準期”數據的方法。

2)AR6 WGII報告指出,在自然系統方面,氣候變化已經對全球的陸地和海洋生態系統產生了廣泛而深遠的影響。全球范圍內,陸地生態系統中,氣候變化導致物種向高海拔和高緯度地區大規模遷移,對陸地物候行為變化影響強烈(高信度);海洋生態系統中,氣候變化對暖屬物種分布范圍擴張影響強烈,對觀測到的海洋物候變化貢獻巨大(高信度)。

3)氣候變化已對全球人類或受管理系統產生多種不利影響,熱相關死亡、媒介傳播疾病、流離失所及人口遷徙、作物產量、洪水災害等方面的評估結果信度較高。氣候變化對全球熱暴露相關的死亡人口產生微弱至強烈的影響(中等信度),增加了全球高原地區的瘧疾傳播(高信度),其引起的相對海平面上升、凍土融化和海冰退縮對部分區域流離失所及人口遷徙有強烈的影響(中等信度);氣候變化導致全球平均小麥產量中度下降(中等信度),對全球洪澇頻次和洪峰流量出現時間變化也有強烈影響(高信度)。

AR6 WGII報告在影響歸因研究方面取得了一定進展,氣候變化對自然系統影響歸因研究的結論信度相較于AR5有所提升。如“亞馬孫地區火燒跡地受氣候變化影響而增加”,信度由低提升為中等;“氣候變化導致極地魚類分布范圍縮小,溫帶魚類分布范圍向高緯度地區擴張”,信度由中等提升為高。同時,AR6在AR5的基礎上,結合新的研究成果,得到了氣候變化對社會系統影響方面的歸因研究結論(Buhaug et al.,2020;Hauer et al.,2020;Krichene et al.,2020)。但仍有部門、區域和系統存在研究案例不足(如氣候變化對水媒疾病、食物價格、營養不良、國家內部不平等的影響),量化氣候變化影響困難(如量化氣候變化對居民流離失所的貢獻率)的問題。其次,影響歸因研究中可能存在“研究偏好”,即現有影響歸因研究多是在具有長期可靠觀測資料的區域開展,而觀測資料缺乏或數據質量有限區域的影響歸因研究較少,進而導致氣候變化全球影響的相關結論出現偏差(Huggel et al.,2016)。最后,自然、人類或受管理系統以及影響它們的多種因素的觀測數據質量還需進一步提高,氣候模式和評估模型需要改進和調整(Vautard et al.,2019;van Oldenborgh et al.,2021),此外,還需要更全面地理解系統變化的機制,例如,氣候和其他驅動因素與系統相互作用的機制,以及影響這些機制的直接人類干預行為(包括減緩和適應)的作用。