全球變暖與城市效應(yīng)共同作用下的極端天氣氣候事件變化的最新認(rèn)知

袁宇鋒　翟盤茂

摘要 近年來，城市氣候變化問題引起高度關(guān)注。綜合IPCC第一工作組第六次評(píng)估報(bào)告（IPCCAR6）關(guān)于氣候變暖背景下城市對(duì)極端天氣氣候事件影響的評(píng)估，本文得到以下科學(xué)認(rèn)識(shí)：城市化加劇了局部氣候變暖，全球許多城市都面臨更多更強(qiáng)的高溫?zé)崂耸录?城市化使得諸多城市區(qū)域及其下風(fēng)向極端降水增加，地表徑流加強(qiáng);沿海城市受到日益加劇的與海平面上升有關(guān)的復(fù)合型洪水的影響;城市污染物排放和不利通風(fēng)的建筑結(jié)構(gòu)加劇了區(qū)域污染，同時(shí)增加了地表的臭氧含量。預(yù)計(jì)未來城市極端高溫、極端降水及有關(guān)洪水事件將更為頻發(fā)，空氣污染形勢(shì)更為嚴(yán)峻，氣候變化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。中國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程迅速，需要進(jìn)一步加強(qiáng)氣候變化背景下城市極端事件的觀測(cè)、形成機(jī)理和數(shù)值模擬研究，以提升城市極端事件風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)水平和應(yīng)對(duì)能力。

關(guān)鍵詞氣候變化;城市化;極端天氣氣候事件;空氣污染;風(fēng)險(xiǎn)

城市是人類生產(chǎn)生活的聚集地，人口密度大，集中了人類資產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)《2019全球都市化展望報(bào)告》（科爾尼公司，2019）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)城市人口占比已經(jīng)超過了59%。研究表明，對(duì)于城市區(qū)域，受到全球氣候變化和“城市化”效應(yīng)的雙重影響，高溫?zé)崂恕O端降水等極端事件發(fā)生更為頻繁，帶來的影響和威脅尤為突出。氣候變化背景下的城市極端事件及其應(yīng)對(duì)問題，是氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)工作中最關(guān)鍵的內(nèi)容之一。

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（IPCC，2012）從城市對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)角度進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為城市熱島效應(yīng)對(duì)于全球尺度上溫度變化的影響可以忽略不計(jì)。近期，IPCC（2021）圍繞全球變暖背景下的城市化效應(yīng)影響，重點(diǎn)評(píng)估了城市區(qū)域觀測(cè)到的高溫?zé)崂?，?qiáng)降水洪澇等極端事件以及空氣污染的變化和未來“城市化效應(yīng)”引起的變化預(yù)估。

本文將根據(jù)IPCC第一工作組第六次評(píng)估報(bào)告分散在各章的內(nèi)容，同時(shí)參考?xì)夂蜃兓c土地特別報(bào)告（SRCCL;IPCC，2019）有關(guān)內(nèi)容，專門針對(duì)城市極端天氣氣候事件有關(guān)的最新科學(xué)認(rèn)知進(jìn)行梳理與解讀，并對(duì)我國(guó)未來的研究與關(guān)注的重點(diǎn)工作提出了思考與建議。

1觀測(cè)到的城市極端事件變化

受到土地利用和覆蓋變化等局地人類活動(dòng)因素的影響，城市區(qū)域建筑物增加、植被面積減少，下墊面明顯改變，與氣候系統(tǒng)之間形成了特殊的相互作用，對(duì)城市區(qū)域氣候產(chǎn)生了所謂的“城市化效應(yīng)”。城市還可以通過人為熱釋放、污染物的排放、城市冠層效應(yīng)和一些小尺度的水文過程等影響城市區(qū)域的氣候及其相關(guān)的極端事件。

在IPCCAR6中，圍繞觀測(cè)到的城市極端天氣氣候變化，在考慮全球氣候變化背景下，重點(diǎn)評(píng)估了城市對(duì)以下三個(gè)方面的影響的科學(xué)進(jìn)展：1）與溫度有關(guān)的城市熱島效應(yīng)和極端溫度變化;2）與降水、徑流以及沿海城市有關(guān)的極端降水與洪澇事件;3）與城市空氣質(zhì)量有關(guān)的臭氧以及污染天氣的變化。其相關(guān)的主要評(píng)估結(jié)論見表1。

1.1城市極端高溫與熱浪

IPCCAR6中評(píng)估了1950—2018年全球不同城市的增溫趨勢(shì)，指出城市化效應(yīng)對(duì)于城市區(qū)域的增溫有著明顯影響，城市熱島對(duì)一些超大城市的溫升貢獻(xiàn)更為顯著（Blakeetal.，2018;Lietal.，2019;Kuang，2021）。表1給出，城市區(qū)域有三種主要因素有利于熱島效應(yīng)的發(fā)展與加強(qiáng)：1）城市三維幾何結(jié)構(gòu)，包括建筑密度和規(guī)劃面積，街道縱橫比和建筑高度等特點(diǎn)不利于熱量散發(fā);2）下墊面的不透水特性使得城市存儲(chǔ)了大量熱量;3）人為熱量釋放，包括建筑能源消耗，空調(diào)系統(tǒng)的廢熱，工業(yè)、交通或人體新陳代謝的直接排放（Hamdietal.，2020;Massonetal.，2020）;加之城市發(fā)展導(dǎo)致湖泊植被減少，也進(jìn)一步加劇了城市熱島效應(yīng)。

城市化進(jìn)程帶來的熱島效應(yīng)越來越明顯，證據(jù)表明城市區(qū)域相比周邊地區(qū)具有更加明顯的增溫趨勢(shì)，對(duì)城市夜間溫度的影響尤為顯著（Chapmanetal.，2017;Sunetal.，2019）。觀測(cè)研究表明，在全球變暖背景下，全世界絕大部分地區(qū)極端高溫日數(shù)和高溫?zé)崂耸录@著增加（Hortonetal.，2015;Angéliletal.，2017），針對(duì)過去十多年中全球多地發(fā)生的罕見的極端高溫事件，IPCCAR6認(rèn)為此類極端事件沒有人類活動(dòng)影響不可能發(fā)生。對(duì)于城市區(qū)域，疊加上城市熱島效應(yīng)影響，極端高溫和熱浪事件發(fā)生形勢(shì)更為嚴(yán)峻。

1.2城市極端降水與洪澇

城市化進(jìn)程對(duì)降水的影響的有四種可能機(jī)制：1）城市熱島效應(yīng)有關(guān)的水平輻合增加引起大氣濕度增加;2）城市氣溶膠濃度有關(guān)的凝結(jié)核增加;3）氣溶膠排放對(duì)云物理過程的影響;4）城市結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)流的阻擋作用。城市化改變了陸地表面的熱力和動(dòng)力特征，影響了蒸發(fā)，改變了大氣穩(wěn)定度和湍流，增加了城市及其下風(fēng)方向的降水（中等信度）;同時(shí)減少了生物氣溶膠但增加了人為氣溶膠的排放，影響云物理和降水過程。IPCCSRCCL（IPCC，2019）指出，城市區(qū)域極端降水事件的頻率和強(qiáng)度也趨于增加，在午后至前半夜更易發(fā)生極端降水。

受城市下墊面硬化的影響，城市區(qū)域下墊面滲透明顯減少，城市化效應(yīng)還顯著改變了局地水循環(huán)過程，使得地表徑流強(qiáng)度顯著增加（Chenetal.，2017）。在氣候變化有關(guān)的極端降水增加的背景下，城市區(qū)域更容易遭受洪水災(zāi)害（Guerreiroetal.，2017）。

在一些沿海的城市，熱帶氣旋移動(dòng)速度變慢，氣旋過程引起的累計(jì)降水增加，城市摩擦加強(qiáng)了熱帶氣旋過程降水及其引發(fā)的洪水（Knutsonetal.，2015）;全球變暖背景下，沿海城市受到熱帶氣旋引起的風(fēng)暴潮和極端強(qiáng)降水等共同影響，更容易引發(fā)復(fù)合型極端海平面上升事件，造成洪水災(zāi)害（Bevacquaetal.，2020）。

1.3城市空氣污染

IPCCAR6評(píng)估認(rèn)為，氣候變暖容易導(dǎo)致污染地區(qū)地表臭氧含量增加，其增加幅度取決于不同區(qū)域的臭氧前體物水平（中高信度）。在人為排放較大的區(qū)域，地表臭氧濃度時(shí)隨溫度增加而增加的（FuandTian，2019）。在城市地區(qū)人類活動(dòng)給大氣排放了大量化合物，其中氮氧化物、一氧化碳以及其余一些有機(jī)物通過化學(xué)反應(yīng)形成臭氧，導(dǎo)致城市中的臭氧含量升高。

除了臭氧增加風(fēng)險(xiǎn)外，人類活動(dòng)還排放了大量的污染物（包括顆粒物，PM10，PM2.5等），加上城市建筑物的遮擋作用，風(fēng)速減小，污染物在城市中不容易散逸，使得污染天氣增加。

2城市極端事件預(yù)估

城市效應(yīng)在城市氣候變化中有著不可忽視的作用，未來城市將進(jìn)一步發(fā)展與擴(kuò)張，將面臨更加嚴(yán)峻的極端天氣氣候事件風(fēng)險(xiǎn)。

在溫度影響方面，城市的不斷發(fā)展將使得熱島效應(yīng)不斷增強(qiáng)，人為釋放熱增加，進(jìn)一步加劇城市區(qū)域氣候增暖，對(duì)城市最低溫度增暖的影響量級(jí)可以與溫室氣體引起的全球變暖的幅度相當(dāng)（Berckmansetal.，2019）。結(jié)合區(qū)域氣候模式的研究，無論采用哪種全球氣候變化情景，未來的城市化效應(yīng)都會(huì)進(jìn)一步放大城市區(qū)域溫度變化（Kaplanetal.，2017;Lietal.，2018），這意味著未來城市區(qū)域高溫?zé)崂耸录⒏鼮轭l發(fā)。

在降水變化方面，綜合城市化引起的熱力作用，城市結(jié)構(gòu)、冠層效應(yīng)的動(dòng)力作用以及植被減少、下墊面硬化引起的小尺度水循環(huán)過程等因素，未來城市可能面臨更頻繁更極端的強(qiáng)降水事件（Boyajetal.，2020）。在全球溫升越高的情景下，城市極端降水與洪澇的發(fā)生概率越高，概率的變化隨溫升幅度呈非線性指數(shù)增長(zhǎng)（Guerreiroetal.，2017），尤其在沿海城市和一些島嶼，受極端海平面上升、風(fēng)暴潮等復(fù)合影響，未來將面臨更大的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)（Hallegatteetal.，2013）。

在大氣污染影響方面，多模式集合平均結(jié)果顯示出全球變暖引起的大氣水汽增加將增大臭氧的化學(xué)清除，總體上看未來全球表面臭氧將趨于減少，但在歐洲，東亞等臭氧濃度比較高的區(qū)域，預(yù)計(jì)未來近地面臭氧濃度進(jìn)一步增加（FuandTian，2019）。在欠發(fā)達(dá)的城市區(qū)域，人類活動(dòng)將持續(xù)排放不同類型的污染物，加上城市增溫作用和城市結(jié)構(gòu)阻擋作用，此類地區(qū)的污染及重污染天氣發(fā)生概率可能會(huì)增大（Chengetal.，2020;Hanetal.，2020）。

目前，在單一或是某種情景下城市模塊在模擬城市氣候變化方面能力較強(qiáng)，AR6改進(jìn)了城市極端事件的預(yù)估結(jié)論，但在多元情景下的城市極端事件的預(yù)估仍需要進(jìn)一步地加強(qiáng)。

3思考和建議

IPCCAR6中在城市氣候變化及其有關(guān)極端事件科學(xué)評(píng)估方面跨出了重要的一步。這一方面得益于氣候變化科學(xué)研究的深化，顯示了從關(guān)注全球氣候變化到區(qū)域影響評(píng)估的拓展;另一方面也反映出以解決科學(xué)問題為導(dǎo)向的氣候變化評(píng)估工作的深入。

IPCCAR6評(píng)估了城市化對(duì)局地氣候及其相關(guān)極端事件變化具有重要的影響，指出全球氣候變化背景下城市對(duì)高溫?zé)崂恕?qiáng)降水和洪澇災(zāi)害、空氣污染的影響具有加劇作用。從影響角度來看，城市是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施和人類財(cái)產(chǎn)和活動(dòng)的中心，對(duì)極端天氣氣候事件的影響特別敏感。到2050年前后，城市化步伐進(jìn)一步加大，預(yù)計(jì)全球三分之二的人口將居住在城市地區(qū)，城市也將面臨氣候變化帶來的更大的風(fēng)險(xiǎn)。

我國(guó)在城市氣候變化方面也開展了大量研究（儲(chǔ)鵬等，2016;Qianetal.，2016;Yanetal.，2016;Bianetal.，2017），未來中國(guó)大城市區(qū)域在內(nèi)的全球諸多地區(qū)的夏季將會(huì)變得更熱，黃河中下游地區(qū)以及淮河中下游地區(qū)，在未來極端降水事件的概率將明顯增加（Sunetal.，2016;Yuetal.，2018）。近期研究指出，21世紀(jì)末我國(guó)東部城市區(qū)域日夜復(fù)合型極端高溫事件頻率將增長(zhǎng)2～5倍，綜合考慮人口增長(zhǎng)、人口向城市遷移、復(fù)合型極端高溫頻次的增加，未來我國(guó)東部城市人口暴露度可能是目前水平的3～6倍（Wangetal.，2021）。過去十年中，北京2012年7月21日以及河南鄭州2021年7月20日特大暴雨，引起嚴(yán)重城市洪澇災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。盡管目前針對(duì)城市極端事件已經(jīng)有了大量研究和深入認(rèn)識(shí)，但是氣候變化對(duì)類似特別極端的城市區(qū)域局地性強(qiáng)降水影響的認(rèn)識(shí)還存在很大的不足。

結(jié)合氣候變化背景下城市相關(guān)極端事件的研究現(xiàn)狀以及我國(guó)面臨日益嚴(yán)峻的城市氣象防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)，需要特別重視以下幾個(gè)方面工作：

1）加強(qiáng)全球氣候變化對(duì)城市極端事件及其風(fēng)險(xiǎn)的影響研究。加強(qiáng)城市觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，提升城市極端事件形成與影響的監(jiān)測(cè)能力與水平;加強(qiáng)城市化對(duì)極端事件的影響機(jī)理研究，深入認(rèn)識(shí)城市化過程，特別是氣溶膠變化對(duì)城市極端事件的影響;綜合考慮全球、區(qū)域以及城市局地氣候變化的疊加影響，深入氣候變暖與城市化效應(yīng)共同影響下的極端強(qiáng)降水研究，深化對(duì)中國(guó)城市洪澇災(zāi)害影響的認(rèn)識(shí);加強(qiáng)城市氣候數(shù)值模擬，優(yōu)化參數(shù)化方案，提升模式分辨率，發(fā)展未來不同城市發(fā)展情景，加強(qiáng)城市氣候變化對(duì)人體健康、生產(chǎn)生活與城市運(yùn)營(yíng)的影響研究，提高全球不同升溫情景下未來城市的氣候變化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估水平。

2）科學(xué)制定城市氣候變化應(yīng)對(duì)相關(guān)政策。城市是二氧化碳排放的主體，加強(qiáng)城市“雙碳”行動(dòng)，對(duì)國(guó)家實(shí)施應(yīng)對(duì)氣候變化戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義;此外，需要加強(qiáng)極端強(qiáng)降水洪澇與高溫?zé)崂祟A(yù)警，進(jìn)一步強(qiáng)化城市污染特別是臭氧污染的防治工作，努力加強(qiáng)城市氣候變化恢復(fù)力建設(shè)，提高極端災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力。

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1CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters（CICFEMD），NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology，Nanjing210044，China;

2StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081，China

Inrecentyears，urbanclimatechangehasreceivedgreatattention.ThispapersynthesizesIPCCAR6WGIassessmentonurbanizationinfluenceonextremeweatherandclimateeventsincontextofglobalclimatechange.Thenewunderstandingaresummarizedasfollows：Urbanizationhasexacerbatedlocalwarming，thuslargecitiesarefacingmoresevereheatwaves;Moreextremeprecipitationeventsareobservedinmanyurbanareasandtheirdownwinddirection，resultinginincreasedsurfacerunoff;Coastalcitiesareaffectedbyincreasingcompoundfloodingrelatedtosealevelrise;Urbanpollutantemissionsandbuildingstructureswithunfavorableventilationhaveenhancedregionalpollutionandincreasedsurfaceozoneconcentration.Inthefuture，extremetemperature，extremeprecipitationandairpollutionareprojectedtooccurmorefrequentlyandintensifiedincities，thusleadtoincreasedrisksofclimatechange.ConsideringtherapidprogressofChinainurbanization，itisnecessarytofurtherstrengthenobservationnetwork，mechanismstudyandnumericalsimulationforurbanextremeeventsunderglobalwarming，thustoimproveourunderstandingandenhanceresponsecapabilitiesincopingwithurbanextremeevents.

climatechange;urbanization;extremeweatherandclimateevents;airpollution;risk

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20211011001

（責(zé)任編輯：張福穎）

20211011收稿，20211025接受

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC1507700）