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地球工程对全球陆地气候格式影响及其差异特征

产品时间:2021-09-22 00:30

简要描述:

原标题:1.5℃温控目的下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异摘要:基于BNU-ESM模式2010—2099年的地球工程情景和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施竣事后(2070—2099年)的全球陆地气候格式及其差异特征。...

详细介绍
本文摘要:原标题:1.5℃温控目的下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异摘要:基于BNU-ESM模式2010—2099年的地球工程情景和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施竣事后(2070—2099年)的全球陆地气候格式及其差异特征。

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原标题:1.5℃温控目的下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异摘要:基于BNU-ESM模式2010—2099年的地球工程情景和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施竣事后(2070—2099年)的全球陆地气候格式及其差异特征。效果讲明:(1)在气候格式上,两种情景下的全球陆地年均气温和降雨量在三个研究时段的空间崎岖分异格式基本一致,并未发生基础性的变化,地球工程并未颠覆原有的气候漫衍特征。全球陆地年均气温和降雨量在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空间相关系数划分为0.54、0.51和0.59与0.55、0.50和0.52(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的磨练。

(2)在气候差异上,三个研究时段的全球陆地年均气温在地球工程情景下相比非地球工程情景显着降低,有助于《巴黎协定》1.5℃和2.0℃温控目的的实现。其中2020—2069年全球陆地年均气温降低幅度最大,2010—2099年次之,2070—2099年最小。地球工程实施期间北半球陆地的降低幅度高于南半球陆地。

在2010—2099年和2020—2069年,地球工程对全球陆地的年均降雨量以抑制作用为主,促进作用为辅,2070—2099年则以促进作用为主,抑制作用为辅,且具有显着的南北半球差异特征。地球工程实施期间北半球多数陆地的年均降雨量淘汰,而南半球陆地则增多。地球工程实施竣事后北半球中低纬度的年均降雨量普遍增多。(3)在地球工程实施前后差异上,地球工程实施竣事后相比实施期间,全球陆地年均气温显着增加,且北半球陆地增加幅度高于南半球陆地,北半球陆地高纬度地域高于北半球陆地低纬度地域。

思量到两种情景下的气温差异,地球工程情景下实施竣事后的温升幅度仍未凌驾非地球工程情景。研究结果对于认识地球工程的气候影响具有参考意义。

关键词:地球工程; 平均气温; 降雨特征; 气候变化; 空间格式; 区域差异; 全球陆地;作者简介:孔锋(1986—),男,助理研究员,博士,主要从事气候变化风险与自然灾害研究。E-mail:kongfeng0824@foxmail.com;基金:国家重大科学研究计划(2019YFC1510202,2018YFC1509003,2015CB953603); 中国博士后科学基金资助项目(2019T120114; 2019M650756); 国家自然科学基金项目(41801064,41701103); 中亚大气科学研究基金(CAAS201804);引用:孔锋. 1. 5 ℃温控目的下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异[J]. 水利水电技术,2020,51( 8) : 1-11.KONG Feng. Potential impact from geoengineering project on global land climate and its regional difference under temperature control targetof 1. 5 ℃[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2020,51( 8) : 1-11.0 引 言随着全球变暖连续加剧 ,部门国家和地域开始用“全球变热”(global heating)取代“全球变暖”(global warming),其认为当前气候条件应该接纳“气候紧迫情况、危机、瓦解”(climate emergency, crisis and breakdown)来形貌,以便清楚地向读者转达情况问题的重要性。以往的“气候变化”说法听起来很被动,太过温和,而科学家在谈论的其实是人类的灾难。

当前团结国的专家和组织也在思量改变相关术语,用意义更强的语言来形貌人类当下面临的逆境。团结国秘书长安东尼·古特雷斯在2018年9月份的讲话中用到了“气候危机”(climate crisis)的表达,认为人类面临着紧迫的生存危机。气候变暖所带来的危秘密求2030年全球的碳排放必须淘汰一半,才气制止数亿人口面临更严重的干旱、洪涝、食物短缺、极端气候和贫困。面临这一紧迫形势,地球工程在IPCC评估陈诉和应对气候变化的国际气候中越来越成为讨论的焦点。

地球工程也称气候工程,是人类直接干预气候的手段之一 ,主要包罗碳移除(Carbon Dioxide Removal,CDR)和太阳辐射治理(Solar Radiation Management,SRM)两大类。地球工程一词最早可以追溯到1977年,但这一观点直到荷兰大气化学家保罗·约瑟夫·克鲁岑(Paul Jozef Crutzen)提出“人类世”观点及相关风险应对措施,才引起广泛的关注[ 10 ]。

克鲁岑认为“人类世”最典型的特征即是大量燃烧化石燃料发生巨量的二氧化碳,提出可以通过人工手段向平流层注入气溶胶以应对气候变化,使气候冷却回工业革命前状态。他的这一设想在学界受到极大的重视,成为近十几年来地球工程及其影响研究的开端。IPCC第五次评估陈诉中将地球工程界说为改变气候系统以应对气候变化的方法[ 1 ]。

英国皇家学会在2009年对地球工程相关理论举行了开端评估,并概述了在明白SRM预期效果方面的特殊差距,其最重要的结论是,缓解未来气候变化的最有效方法是淘汰温室气体排放,因此,SRM只能暂时应用,作为努力缓解气候变温暖CDR的增补。该评估同样建议人类社会可能在未来决议实施SRM,以满足特定的气候目的,他们建议在SRM实施的效益、副作用和风险方面开展深入研究。国际上现在正在举行地球工程模式比力计划(The Geoengineering Model Intercomparison Project,GeoMIP),旨在探究全球地球系统(气候)模式处置惩罚种种地球工程情景的常用方法,试图就地球工程可能发生的气候效应收集或到达模式共识,以便更好地服务科学界、决议者和民众[ 13 , 14 , 15 ]。

SRM方法涉及对“太阳辐射预算”的经心利用,其潜在技术途径主要包罗:太阳变暗、平流层注射硫酸盐气溶胶、海洋云层增亮和卷云变薄[ 16 ]。CDR方规则主要是从大气中去除二氧化碳,其潜在的方法途径包罗:增强矿物风化、海洋铁施肥、直接捕捉空气[ 17 ]。国际上专门就CRD方法开展了碳移除模式比力计划(Model Intercomparisons of CDR,CDR-MIP),旨在研究CDR的模式相互比力及其效益分析[ 18 , 19 ]。本文所指的地球工程专指SRM。

国际谈判中就地球工程争论的焦点在于实施地球工程所带来的潜在风险可能远远超出了其降温的目的,即由于地球工程涉及到行星尺度的利用水平,与全人类的福祉密切相关,其寄义令人敬畏,其结果有可能是严重的。持阻挡态度的人认为,地球工程的实施可能颠覆性地改变原有地球气候格式,这对依赖原有气候格式举行生产的国家和部门将发生重大影响。

同时,地球工程的实施可能带来潜在和连续的风险,甚至发生与实施前南辕北辙的作用。此外,地球工程实施后可能导致全球气温的抨击性反弹,引发越发猛烈的“突跃灾变”式增温。

持支持意见的人认为,地球工程是快捷、有效、低成本的“地球人工降温”的方式,一旦气候增暖突破阈值,地球工程是治理气候变热的一剂猛药。当前关于地球工程的研究多从理论、政策、哲学角度开展研究[ 13 , 14 ],而基于数据分析的定量研究相对较少,在我国则更少。GeoMIP致力于通过划定所有到场气候模式的某些试验来满足这类研究的需要,从而到达能够确定气候响应模型效果对地球工程的共性和差异的认识[ 13 ]。

GeoMIP第一阶段包罗4个方案,其中G1和G2主要是关于太阳变暗试验,G3和G4是在平流层注入气溶胶的试验[ 18 , 19 , 20 ]。GeoMIP第二阶段包罗3个试验。第一个高度理想化的试验G1ocean-albedo涉及海洋反照率的匀称增加,以抵消工业前水平二氧化碳浓度的瞬时翻倍。

单一气候模型的效果显示,陆地-海洋温度对比度增加,北极变暖,年平均降水量模式发生大幅度变化。第二个试验G4cdnc涉及增加所有低层海洋上云中的云滴数浓度,以抵消RCP4.5情景的辐射力。

该试验将测试模式在模拟地理上不匀称辐射通量变化及其对气候的影响方面的鲁棒性。第三个试验G4sea-salt涉及到在30°S~30°N的海洋界限层中注入海盐(雾)气溶胶,以抵消RCP4.5情景的有效辐射强迫。

单模型研究讲明,气溶胶-辐射相互作用发生的降温作用比气溶胶-云相互作用发生的降温作用更强[ 19 ]。现在地球工程已生长到GeoMIP6,其中的G4SSA是GeoMIP对化学气候模式倡议(Chemistry Climate Model Initiative,CCMI)的孝敬,旨在相识气溶胶化学和微物理对平流层硫酸盐气溶胶注入的气候效应的影响。该试验被提议作为一个较低条理的试验,将在GeoMIP6中由地球系统模型执行。本文接纳的BNU-ESM数据,即是RCP4.5情景下的G4SSA试验,主要是探究平流层硫酸盐气溶胶注入对全球陆地气候的潜在影响,是对地球工程影响定量分析的增补。

除上述以外,其它关于地球工程的简介可以参考《地球工程对全球陆地极端降雨影响的空间分异研究》一文[ 20 ]。在该文中详细叙述了地球工程对全球陆地极端降雨的影响。

但值得注意的是地球工程对全球陆地的平均气温和降雨的影响现在学界还未开展全面系统的研究,且这一议题也是GeoMIP和IPCC重点关注的领域,这对于科学认识地球工程对温控目的的实现及全球陆地气候的影响具有重要意义。本文正是在这一配景下,基于前期研究结果,深化探究地球工程对全球陆地气候的潜在影响。1 数据和方法本文接纳的2010—2099年非地球工程情景下气温和降水数据是BNU-ESM模式在RCP4.5情景下的日值气温和降水模拟效果,其空间分辨率是2.5°×2.5°,该模式接纳的强迫数据时段是1970—1999年[ 4 , 20 ]。

地球工程情景下的日值气温和降水预估数据是基于BNU-ESM模式效果,在2020—2069年举行G4地球工程试验,即从2020年开始至2069年底,在平流层每年连续注射牢固剂量的气溶胶来反射太阳辐射,从而降低全球温度;在2070年停止注射,即地球工程措施实施停止,模式继续运行至2099年12月31日,最后检察地球工程竣事之后的全球气候响应。BNU-ESM模式是GeoMIP的15个到场模式之一,其大气模式为CAM3.5,海洋模式为MOM4p1,陆面模式则接纳由北京师范大学自主研发的公用陆面历程模式(CoLM);本文BNU-ESM的G4试验方案都参照统一的模拟规程,即第5次全球耦合模式比力计划的规程,统一接纳荟萃模拟的措施去除模型自己的配景滋扰,进而举行模拟影响的比力研究。

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已有研究结果讲明该模式预测数据能够较好的反映气候特征,具有较高的可信度。本文接纳的方法主要包罗情景效果对比分析、图谱对比和空间相关分析,从地球工程实施期间和竣事后两个地段诊断两种情景下的全球陆地气候格式,并对比两种情景下的差异特征,以此来展现地球工程影响的区域差异特征。其中空间相关是用空间换取时间的方法;如果地球工程情景下的气温或降水的值随着非气候工程情景下的气温或降水的值测定距离的缩小而变得更相似,则这两个变量呈空间正相关;反之,则为空间负相关。

本文中划分盘算差别时段两种情景下的气温和降雨量的空间相关系数并举行显著性磨练。本文划分将2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年称为整个研究时段、地球工程实施期间和地球工程实施竣事后。2 效果与分析2.1 两种情景下全球陆地气温的气候态漫衍特征图1反映的是全球陆地年均气温在差别时段的空间分异特征。图1中颜色越蓝,表现年均气温越低;颜色越红,表现年均气温越高。

据此可知,从气候态漫衍特征来看,气候工程和非气候工程情景下的全球陆地年均气温在整个研究时段的2010—2099年、地球工程实施期间的2020—2069年和地球工程实施竣事后的2070—2099年的空间分异特征整体上基本一致,仅在局部地域漫衍细节上稍有差异(见图1)。两种情景下的年均气温空间相关系数在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年划分为0.54[见图1(a)和图1(b)]、0.51[见图1(c)和图1(d)]和0.59[见图1(e)和图1(f)](n=2 658),均通过了0.01显著性水平的磨练。其中2010—2099年地球工程和非地球工程情景下的年均气温凌驾28 ℃的地域仅漫衍在非洲撒哈拉沙漠南部、印度北部等地。

21~28 ℃的地域主要漫衍在40°N—40°S之间的地域。-28 ℃的地域漫衍在南极洲,-21~-14℃的地域主要漫衍在格陵兰。-14~-7 ℃的地域主要漫衍在俄罗斯远东地域[见图1(a)和图1(b)]。

相比2010—2099年而言,2020—2069年地球工程情景下年均气温凌驾28 ℃的地域相比非地球工程有所淘汰[见图1(c)和图1(d)]。而2070—2099年地球工程情景下年均气温凌驾28 ℃的地域相比2020—2069年显着增加,增加的区域漫衍在澳大利亚北部和南美洲北方中部地域[见图1(e)和图1(f)]。综上可知,地球工程实施差别阶段并未从基础上彻底改变全球平均气温的空间分异格式,仅是在局部细节上有所差异。

其中地球工程实施期间的细节差异最大,整个研究时段次之,地球工程实施竣事后最小。2.2 地球工程对全球陆地气温的潜在影响为了诊断两种情景下全球陆地差别时段的年均气温空间差异特征,我们接纳差别时段地球工程情景下全球陆地年均气温,减去非地球工程情景下对应时段的全球陆地年均气温,以此来定量厘定地球工程对全球陆地年均气温的可能影响,效果如图2所示。

图2中颜色越蓝,表现地球工程对年均气温的降温作用越显着;颜色越红,则表现地球工程对年均气温的增温作用越显着。据此可知,从整个研究时段来看,2010—2099年地球工程的实施对全球陆地年均气温起到了差别水平的降温作用,其中北半球的降温作用显着高于南半球[见图2(a)],这极有可能是因为南半球的海洋面积大,导致整体气温保持惯性,使得面积较小的陆地降温作用缓慢。南半球陆地的降温多在0~0.5 ℃。

相比而言,北半球降温较大,其中亚洲、欧洲东部和北美洲的降温作用多数在0.5~1.0 ℃;北美洲的西北部降温作用甚至到达了1.5~2.0 ℃。从地球工程实施期间的2020—2069年来看,相比2010—2099年而言,地球工程对全球陆地的降温作用有了进一步增强,尤其是南半球和北半球高纬度地域[见图2(b)]。其中地球工程对全球多数地球降温作用到达了0.5~1.0 ℃,对亚洲北部和北美洲北部的降温作用到达了1.0~1.5 ℃。亚洲远东东北和北美洲西北部地域的降温作用到达了1.5 ℃以上,部门地域的降温作用甚至到达了2.0 ℃以上。

整体而言地球工程实施期间对高纬度地域的降温作用大于低纬度地域。图1 两种情景下差别时段的全球陆地年均气温空间分异特征从地球工程实施竣事后的2070—2099年来看,相比2010—2099年和2020—2069年而言,地球工程对全球陆地的降温作用显着降低,部门地域甚至泛起了增温作用[见图2(c)]。其中全球多数地域的降温作用主要在0~0.5 ℃之间。

北美洲北部的降温作用在0.5~1.0 ℃,局部地域降温作用到达了1.0~1.5 ℃。地球工程竣事后起到升温作用的地域主要集中漫衍在东北亚、澳大利亚北部等地域。虽然这一阶段地球工程对全球陆地多数地域的的降温作用仍在连续,但效果已大大削弱。对比差别时段两种情景下的全球陆地气温差异特征发现,地球工程在差别研究时段对全球陆地的气温均以降温作用为主,且对北半球的降温作用大于南半球,对北半球高纬度地域的降温作用大于低纬度地域。

地球工程实施期间的2020—2069年的降温作用最大,整个研究时段次之,地球工程实施竣事后最小。地球工程实施竣事后的2070—2099年开始泛起升温现象,但区域面积相对较小,且漫衍零星。整体而言,地球工程的实施一方面有效降低了全球气温,另一方面延缓全球气温的上升,因此,地球工程的实施有助于《巴黎协定》制定的1.5 ℃温控目的的实现。2.3 地球工程实施前后对全球陆地气温影响的差异特征图2 地球工程对全球陆地年均气温影响的空间分异特征进一步地,为了对比地球工程情景下实施期间和实施后的全球陆地气温差异特征,我们接纳地球工程实施竣事后的2070—2099年的全球陆地年均气温减去实施期间的2020—2069年的全球陆地年均气温,效果如图3所示。

图3中颜色越红,表现地球工程实施期间相比竣事后的降温作用越大,也即地球工程实施竣事后的升温作用越显着;颜色越蓝,则表现地球工程实施期间相比竣事后的升温作用越大,也即地球工程实施竣事后的降温作用越显着。据此可知,相比地球工程实施期间而言,地球工程实施竣事后全球陆地气温整体上以升温为主,且北半球的升温作用大于南半球,北半球高纬度地域的升温作用大于低纬度地域。其中亚洲和北美洲北部多数地域的升温幅度到达了1.5 ℃,亚洲远东地域和北美洲西北地域的升温幅度凌驾了2.0 ℃。

联合图2和图3效果可知,虽然地球工程情景下,其实施竣事后相比实施期间全球陆地气温显着升温,但思量到地球工程情景相比非地球工程情景,差别时段全球陆地均以降温作用为主,因此,地球工程仍是有助于全球气温的降低,只是差别阶段的降温作用差别。且地球工程实施竣事后的2070—2099年,地球工程情景下的全球陆地气温相比非地球工程而言仍然偏低,讲明地球工程延迟了升温时间,有助于1.5 ℃和2.0 ℃温控目的的实现。而且延迟的时间为人类创新应对全球气候变暖争取了时机,有助于气候变化风险的防范和转移。

图3 地球工程实施前后全球陆地年均气温差异的空间格式2.4 两种情景下全球陆地降雨的气候态漫衍特征图4反映的是地球工程与非地球工程情景下的全球陆地降雨量气候漫衍特征。图4中颜色越红,表现年均降雨量越少;颜色越蓝,则表现年均降雨量越多。

据此可知,两种情景下的全球陆地年均降雨量在整个研究时段、地球工程实施期间和地球工程实施竣事后的空间崎岖分异格式基本一致,讲明地球工程的实施在差别研究时段并未彻底颠覆全球陆地降雨量气候漫衍特征。两种情景下的全球陆地年均降雨量在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空间相关系数划分为0.55[见图1(a)]、0.50[见图1(b)]和0.52(n=2658)[见图1(c)],均通过了0.01显著性水平的磨练。从整个研究时段来看,全球陆地年均降雨量最高的地域主要漫衍在全球季风区和中低纬度地域。其中年均降雨量凌驾2000 mm的地域主要漫衍在非洲中部、南亚、东亚局部、东南亚和南美洲的亚马逊流域等地域,这些地域靠近赤道,水汽泉源富厚。

全球陆地年均降雨量小于250 mm的地域主要漫衍在北非、西亚、南美洲等地。40°N—80°N全球陆地的降雨量大多在500~750 mm;40°S—80°S全球陆地的降雨量大多在250~500 mm。综上可知,地球工程相比非地球工程情景而言,其实施的差别研究时段对全球陆地年均降雨量的空间崎岖分异特征影响不大,讲明地球工程影响全球陆地年均降雨量是整体性的,并未从基础上颠覆全球陆地降雨相对崎岖的格式,换言之,地球工程可能对对全球陆地降雨的影响相比全球陆地气候态特征来说相对较小,所发生的风险也是可以接受、降低、转移或规避掉的。因此,这对依赖于原有水热条件的区域农业生产和经济运动可能所发生的影响较小,其工业结构可能只需要举行相应适应和微调即可正常运营。

图4 两种情景下差别时段的全球陆地年均降雨量空间分异特征2.5 地球工程对全球陆地降雨的潜在影响为了诊断两种情景下全球陆地差别时段的年均降雨量空间差异特征,与诊断两种情景下的全球陆地年均气温一样,我们接纳差别时段地球工程情景下全球陆地年均降雨量,减去非地球工程情景下对应时段的全球陆地年均降雨量,以此来展现地球工程对全球陆地年均降雨量的可能影响。诊断效果如图5所示,图5中颜色越蓝,表现地球工程对年均降雨量的促进作用越显着,即地球工程有利于降雨量增多;颜色越红,则表现地球工程对年均降雨的抑制作用越显着,即地球工程使得降雨量淘汰。据此可知,从2010—2099年的整个研究时段来看,地球工程对40°N—40°S之间的中低纬度的陆地地域的降雨量影响较大[见图5(a)]。其中地球工程对20°N—20°S之间的陆地地域主要以抑制作用为主,尤其是非洲中部、东南亚、南美洲亚马逊东部地域的年均降雨量因地球工程实施淘汰了100 mm以上。

这可能是因为在G4试验情景下,每年巨量的硫酸盐气溶胶注入赤道平流层下部,导致赤道四周地域每个气溶胶凝聚核上的水滴凝聚较少,不足以形成降雨,因此抑制了中低纬度陆地地域的降雨量。而对于20°N—40°N和20°S—40°S之间的陆地,可能由于适量的硫酸盐气溶胶增多,促进了降雨量的增加,这些地域主要漫衍在北美洲南部、澳大利亚中部和南部、中国中东部、非洲南部偏东地域等地。综上,全球陆地的降雨量增加与否,与硫酸盐气溶胶凝聚核、水汽条件的多寡密切相关。当过多的硫酸盐气溶胶凝聚核形成时,会抑制降雨量,而适当的硫酸盐气溶胶凝聚核增多则会促进降雨量增加。

图5 地球工程对全球陆地年均降雨量影响的空间分异特征从地球工程实施期间的2020—2069年来看,相比2010—2099年而言,地球工程对全球陆地年均降雨量的影响有了进一步增强。其中非洲中部和包罗中南半岛在内的东南亚地域的降雨抑制区面积有了进一步的扩张,且抑制的幅度多数凌驾了100 mm[见图5(b)]。美国东部及40°N以北的陆地地域的降雨量抑制作用显着增强,多数地域的降雨抑制幅度在25~50 mm之间。与此同时,亚马逊流域东部、澳大利亚中部和南部、非洲南部偏东地域等地的降雨量显着增强,且多数地域的年均降雨量增加幅度凌驾了50 mm,局部地域的增加幅度凌驾了100 mm。

整体而言,地球工程实施期间全球陆地降雨量淘汰的区域面积大大凌驾了降雨量增加的区域面积,且地球工程对北半球的降雨量主要以抑制作用为主,而南半球则主要以促进作用为主。因此,地球工程实施期间可能使得北半球多数地域变得越发干旱,而使得南半球多数地域变得越发湿润。值得注意的是,北半球的人口占全球总人口的约89%,尤其是北半球20°N—60°N的中纬度地域是全球人口最为麋集的漫衍区,占全球总人口的80%,而南半球人口只占全球总人口的约11%。

因此,地球工程实施期间可能会对全球绝大多数人口赖以生存的降水资源及其农业生产发生一定水平的倒霉影响。从地球工程实施竣事后的2070—2099年来看,相比2010—2099年和2020—2069年而言,地球工程对北半球10°N—40°N以内的中低纬度陆地地域的年均降雨量主要以促进作用为主[见图5(c)],多数地域的促进作用凌驾了50 mm,中国中东部、中南半岛、美国中东部等地域的促进作用凌驾了100 mm。

与此同时地球工程对北半球10°N以南地域和南半球的年均降雨量主要以抑制作用为主,其中非洲中东部、赤道四周的东南亚和南美洲亚马逊流域的年均降雨量抑制幅度多数凌驾了100 mm。对比差别时段两种情景下的全球陆地年均降雨量的差异特征发现,地球工程在实施的2020—2069年,全球陆地年均降雨量呈淘汰态势的面积多于增加的面积,且淘汰区主要漫衍在北半球,增加区主要漫衍在南半球。

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地球工程实施竣事后的2070—2099年,全球北半球陆地年均降雨量呈增加态势的区域面积和南半球陆地年均降雨量呈淘汰态势的区域面积均显着增加。整体而言,无论在哪个时段,相比非地球工程情景来说,地球工程对澳大利亚中部、非洲南部偏东地域、墨西哥等地的年均降雨量均以促进作用为主,而对包罗欧洲在内的北半球50°N以北的陆地地域的年均降雨量均以抑制作用为主。

地球工程差别时段对南极洲年均降雨量的增减作用均不显着。因此,在地球工程实施期间北半球中低纬度地域要以防范旱灾为主,南半球要以防范涝灾为主;在地球工程实施竣事后,北半球中低纬度地域要以防范涝灾为主,南半球要以防范旱灾为主。2.6 地球工程实施前后对全球陆地降雨影响的差异特征进一步地,为了对比地球工程情景下地球工程实施前后对全球陆地年均降雨量的影响,我们接纳地球工程实施竣事后的全球陆地年均降雨量,减去地球工程实施竣事后的全球陆地年均降雨量来举行诊断,效果如图6所示。

图6中颜色越蓝,表现地球工程实施期间相比竣事后而言对降雨量的抑制作用越强,也即地球工程实施竣事后对降雨量的促进作用越强;颜色越红,则表现地球工程实施期间相比竣事后而言对降雨量的促进作用越强,也即地球工程实施竣事后对降雨量的抑制作用越强。据此可知,相比地球工程实施期间而言,地球工程实施竣事后极大地促进了全球陆地多数地域的年均降雨量,这些地域主要漫衍在北半球和南半球的非洲中部等地域,半数以上地域的促进幅度凌驾了50 mm。南半球的亚马逊流域和澳大利亚地域的主要以抑制作用为主,多数地域的抑制幅度凌驾了50 mm。

综上所述,相比地球工程实施期间而言,地球工程实施竣事后的2070—2099年,北半球多数地域要高度关注因降雨增多而发生的洪涝风险,而澳大利亚和亚马逊流域要高度关注因降雨淘汰而发生的干旱风险。对中国而言,地球工程竣事后使得中国多数地域的年均降雨量增多100 mm以上,而长江中下游流域以南地域的降雨量则有25~50 mm左右的淘汰。

图6 地球工程实施前后全球陆地年均降雨量差异的 空间格式3 讨 论全球气候模式为未来气候情景提供了最全面的评估,因此,它们是评估地球工程预期效果和副作用的最佳工具。无论是否举行户外实地试验,都有须要举行广泛的盘算机建模研究,以确定情况影响和地球工程的预期气候效应,并为任何户外实地试验或实际工程的治理提供独立的建议。现在还没有任何技术可以立刻实施这些方案,而且GeoMIP研究效果将资助人类社会决议是否对特定方案的此类技术开发举行投资。

地球工程实施对全球陆地气候所发生的影响不尽一致。详细体现在同一时段差别地域气候对地球工程的响应差别,同一地域差别时段气候对地球工程的响应也差别。

本文研究效果讲明地球工程情景相比非地球工程情景而言,在差别时段有效降低了全球陆地的年均气温,在降温区域中,北半球降温幅度高于南半球,北半球高纬度地域降温幅度高于北半球低纬度地域。在降温时段中,地球工程实施的2020—2069年降温幅度显着高于地球工程实施竣事后的2070—2099年。这一效果讲明相比全球陆地气温自然变化而言,地球工程的实施有利于实现《巴黎协定》制定的1.5 ℃温控目的。

地球工程实施竣事后,全球陆地开始快速升温,可是相比非地球工程情景而言,这一升温并未凌驾非地球工程情景的自然升温。全球变暖是全球性的,但却具有区域性差异特征。高纬度地域的增暖幅度高于低纬度地域,这将加速冰冻圈的消融,加剧全球海平面的上升,严重威胁全球陆地沿海地域和海洋小岛国家的生存空间。

而本文研究效果讲明地球工程的实施恰恰大幅降低了北半球高纬度地域的温升幅度,这意味着地球工程可以有效缓解地球工程所带来的海平面上升。综上可知,地球工程的作用一方面降低了全球陆地年均气温,另一方面将同等温升幅度的时间大大推迟。就现在而言,地球工程的实施对气温上升时间的推迟,可以为全球气候变暖所带来的倒霉影响应对措施赢得时间,在这推迟的时间之中人类可以接纳工程措施和非工程措施,从物理设防、人文设防和社会设防维度开展综合风险防范。

相比气温变化,全球陆地降雨对地球工程的响应较为庞大。相比非地球工程情景而言,地球工程情景下全球陆地中低纬度地域降雨响应高于高纬度地域。这种响应能力主要取决于地球工程发生的气溶胶凝聚核与水汽条件相对几多的关系。

如果气溶胶凝聚核适当增多,那将促进区域的降雨;如果气溶胶凝聚核过分增多,那将抑制区域的降雨。其原因在于过多的气溶胶凝聚核外貌凝聚的水滴过少,达不到降雨条件,因此,抑制了降雨事件发生。在地球工程情景下其实施前后具有显着的南北差异特征,地球工程实施期间相比实施竣事后有效的抑制了北半球陆地的降雨,促进了南半球陆地的降雨。因此,地球工程实施期间和实施竣事后,北半球的干旱和洪涝风险划分上升。

图7 基于防御性的气候宁静界线总体而言,地球工程对全球陆地气候发生的影响将通过差别承灾体而发生较大的差异。承灾体的适应性、懦弱性和袒露度在很大水平上将决议着地球工程实施带来的倒霉风险。可是值得注意的是,地球工程的实施并非对所有地域发生倒霉影响。

换言之,全球陆地部门地域将因地球工程的实施其气候条件将有所改善。地球工程的影响对人类社会来说如果超出了当前经济生产调整的界限,将对人类社会发生扑灭性的攻击。如图7所示,从控制变量和相应变量来看,当气候处在宁静区间时,其发生的风险是可以接受的。一旦气候变化到达了不确定性的气候区间阈值,气候变化所带来的潜在风险具有高度不确定性,此时的风险需要举行转移。

当气候到达危险气候阈值时,首先是区域性的气候宁静受到严峻挑战,必须举行风险防范。一旦触发高危气候宁静阈值,全球性的气候宁静将受到极大的挑战,风险规避将迫在眉睫,此时地球工程将是不得已而为之。由于地球工程研究时限较短,且其发生的负面影响和不确定影响较大,不到万不得已,最好制止地球工程的实施。

一旦人类全面相识并掌握了地球工程实施所发生的负面影响,那么地球工程必将成为人类应对气候变化的利器之一。4 结 论(1)在空间格式上,地球工程与非地球工程两种情景下的全球陆地年均气温和降雨量在整个研究时段的2010—2099年、地球工程实施期间的2020—2069年和地球工程实施竣事后2070—2099年的空间崎岖分异格式并未发生颠覆性变化,其崎岖分异特征在全球陆地反而具有较好的一致性。其中2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年全球陆地年均气温在两种情景下的空间相关系数划分为0.54、0.51和0.59(n=2 658),全球陆地年均降雨量在上述三个时段的空间相关系数划分为0.55、0.50和0.52(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的磨练。(2)在两种情景气候差异上,地球工程情景相比非地球工程情景而言,在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年对全球陆地平均气温均以降温作用为主,其中地球工程实施期间降温最高,整个研究时段次之,地球工程实施竣事后最小。

在区域差异上,北半球陆地降温幅度高于南半球陆地;北半球高纬度降温幅度高于北半球低纬度地域。地球工程的实施有助于《巴黎协定》制定的1.5 ℃和2.0 ℃温控目的的实现。在降雨量上,地球工程对全球陆地中低纬度地域的影响高于高纬度地域,其中2020—2069年影响最高,2070—2099年次之,2010—2099年最小。

其中三个时段地球工程均促进了澳大利亚、非洲南部偏东地域和墨西哥等地域的降雨量,而抑制了北半球高纬度地域的降雨量。地球工程实施竣事后的2070—2099年北半球中纬度地域降雨量显着增加。(3)在地球工程情景实施前后的差异上,全球陆地的年均气温在地球工程实施竣事后循序上升,其中北半球陆地的上升幅度高于南半球陆地,北半球高纬度地域的上升幅度高于北半球低纬度地域。但相比非地球工程情景而言,地球工程实施前后的差异讲明地球工程仍是有效降低了全球陆地平均气温,且有效迟缓了同等温升幅度的时间。

全球陆地多数地域年均降雨量在地球工程实施后迅速增加,多数地域的增加幅度凌驾了100 mm。南北半球对比来看,北半球陆地的年均降雨量增加地域和面积显着高于南半球陆地地域。南半球澳大利亚、南美洲亚马逊流域地域的年均降雨量淘汰,且多数地域的淘汰幅度凌驾了100 mm。

地球工程实施前后的对比讲明2020—2069年地球工程抑制了北半球绝大多数陆地地域的年均降雨量增加,2070—2099年则促进了年均降雨量增加。地球工程作为应对气候变化讨论的焦点议题之一,当前学界多从政策、伦理、哲学等人文角度举行探讨 ,而从定量角度分析地球工程影响的研究相对较少。未来仍有待于基于多模式荟萃从多尺度、多要素、多历程、多时相开展地球工程影响研究,并在此基础上进一步开展地球工程对人类社会经济生长系统的风险研究,并举行相应的风险区划,从而更好的指导地球工程综合风险防范。因此,我们提倡综合评估地球工程利弊,促进地球工程研究从一个边缘话题生长为一个辽阔的、国际性的、多学科交织的研究领域。

水利水电技术水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊(月刊),为全国中文焦点期刊,面向海内外公然刊行。本刊以先容我国水资源的开发、使用、治理、设置、节约和掩护,以及水利水电工程的勘察、设计、施工、运行治理和科学研究等方面的技术履历为主,同时也报道外洋的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工修建、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水情况与水生态、运行治理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利计划、防汛抗旱、建设治理、新能源、都会水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。


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