【COP26专题】专家视角| 全球变暖加快，增温空间压缩
专家视角
COP26专题
编者按：在第26届联合国气候变化大会（COP26）期间，《大气科学进展》公众号将陆续推出【COP26专题】，介绍AAS发表的气候变化研究的相关文章及点评。敬请关注~
全球变暖加快，增温空间压缩
AR6关于全球增暖幅度的最新评估结论解读及全球平均表面温度序列（China-MST）的研发进展
李庆祥 孙文彬 梁彩霞 黎梓琛
（中山大学大气科学学院，珠海 519082）
2021年8月10日发布的政府间气候变化专门委员会第六次评估报告（IPCC AR6）第一工作组报告指出：过去40年中每一个10年都比有观测记录以来任何10年都更暖。本世纪前20年全球表面温度比1850-1900年高0.99 ℃（95%置信区间为0.84-1.10，下同），最近10年（2011-2020年）平均比1850-1900年高1.09 ℃（0.95 - 1.20）。值得注意的是，在2013年AR5发布时，当时的最近10年（2003-2012年）比1850-1900年高0.78 ℃（0.72 - 0.85）。显然，这个估计显著提高了，这主要归结于近年全球进一步升温【增加0.19 ℃（0.16 -0.22）】，此外，新的数据集及趋势估计方法的完善使AR6的增温估计较AR5加快了约0.1℃。
图1 重建前后全球平均温度序列对比（上：IPCC AR5和AR6的差异（引自 IPCC AR6）；下：CMST重建前后的差异）
这一结论看似简单，但意义重大。它至少表明了两件事情：
一是随着气候变化观测研究技术的发展，科学家们越来越准确地估计出了全球变暖的幅度；
二是《巴黎协定》提出的本世纪末的2.0℃/1.5℃温控目标的温升空间被大大压缩，也就是说，全球应对气候变化的紧迫性大大提升。
这个结论的取得，凝聚了科学家们近年来在全球变暖观测研究中的重要成果。下面结合AR6部分采用的、中国自己研发的一个新的全球基准表面温度数据集China-MST（CMST）的发展和评估过程 (Li et al., 2020; Li et al., 2021; Xu et al., 2018; Yun et al., 2019; Sun et al., 2021)，来说明相关评估结论的来龙去脉及其合理性。
AR5之前，很多研究者基于当时的几个全球温度基准数据集（包括：英国的HadCRUTEM、美国的NOAAGlobalT、GISTEMP、Berkerley Earth），提出1998-2012年这15年出现“全球增暖停滞”的研判结论，AR5也援引了这一说法。基于此，很多人甚至预测未来可能出现降温，甚至将出现“千年极寒”。一时间，似乎全球变暖变得并不是那么可怕了，但人们感受到的身边气候的切实增暖又使得这种观点还很难取信于社会公众。
这种情况下，科学家们立即行动起来，为寻找真实的气候变化真相而开展了大量的工作：
01
英国科学家观察到，如果利用遥感、融合等数据将英国气象局及东安吉利尔大学的数据集（HadCRUTEM4）中高纬度缺失数据进行补充后，1998年以来的增暖趋势将明显提高（Cowtan and Way，2014）；
02
美国NOAA数据中心科学家将他们的数据集（NOAAGlobalT）中海表温度分量（ERSSTv4）进行了重新订正后，也得出了同样的结论（Karl et al.，2015）；
03
英国ECMWF专家采用其“完美”的ERA-Interim再分析数据（Simons et al，2017）、中美科学家一项联合研究采用了冰面的浮标气温观测填补北极高纬缺失资料（Huang et al，2017）、德国科学家甚至采用时下最为流行的AI方法，他们进一步指出“全球增暖停滞”其实并不存在，以往的全球基准温度数据集均低估了该段时期的全球温度变暖趋势：基于AI重建的全覆盖数据集估计的1850-2018年的温度趋势为0.058±0.013 ℃/10年，明显高于原HadCRUT4（0.052±0.013 ℃/10年）（Kadow et al，2020）。
但由于这些研究是基于多种来源的数据混合使用或解释性稍显不足的AI方法，并没有完全解决人们心中的疑团。
基于团队已有成果，自2018年以来，我们进一步收集、整合了全球共十多个来自全球、区域和国家数据中心的数据资源，并采用一个崭新的思路对有非均一性问题的数据进行了系统均一化，升级研发了新的全球基准陆地气温数据集C-LSAT1.3；在此基础上，我们与美国NOAA专家合作，融合了其全球海洋表面温度数据集ERSSTv5，发表了一个新的1900年以来的全球基准表面温度数据集CMST1.0（Yun et al.，2019）并在国际上共享，这迅速引起了国际同行的广泛关注，当时正在编写中的IPCC AR6的有关章节主要作者注意到这一工作，并给出将CMST向前延伸到1850s（以便于计算工业革命以前的参考平均值）的建议。
在他们的建议下，我们将C-LSAT 1.3和CMST 1.0数据集均延长到了19世纪50年代；仅采用升级更新后的全球基准温度数据CMST 1.0，我们率先发现，1998-2012年的所谓“增暖停滞”，其实并不存在：显然，这一段短期的温度增暖水平在统计上仍然是显著的。加上2012年以后的几年，全球温度几破极值，全球温度的升温明显加快，这就是前文所说的近年的进一步升温【约增加了0.19 ℃（0.16 -0.22）】。
正如前面说到，基准观测数据集中的覆盖不足导致的全球增暖趋势低估的问题也得到了各方面的注意，并已经成为了需要加以重视并解决的现实问题。
GISTEMP4采用了外插方法（插值半径提高到1200km）、Berkerley Earth 采用了地统计学插值方法、HadCRUTEM5采用陆地外扩方法、NOAAGlobalT5采用序列重建方法等纷纷对高纬度数据进行了插补。各家数据集升级后，评估结论无一例外地反映出了1998-2012年的所谓“增暖停滞”其实只是一种统计假象。
基于此，AR6也趋向于采用这种覆盖更为全面的数据集来对全球温度升温幅度进行综合评估。当时AR6的主要作者也对CMST提出函询：能不能在短期内将我们的数据集完成重建，以赶上AR6的使用的截止日期。我们根据全球和区域温度数据的特点，对陆地气温分量C-LSAT2.0进行了高、低频分量的分解，首先解决了较为容易的低频重建，然后参考目前最为先进的做法，利用“完美”再分析数据（ERA5）训练了全球温度的经验正交遥相关模态（EOT），采用不同的参数选型，对全球温度数据集进行了集合重建，并融合了NOAA的海表温度分量，完成了新版本的集合重建全球温度数据集CMST-Interim，并系统估计了数据集的参数不确定性和重建不确定性，发现CMST-Interim的不确定性水平和其他几个同类基准数据集相比相差无几，甚至比一些传统数据集还稍低（Sun et al.，2021）。
基于我们重建数据集，我们得出基于这种全球增暖水平比未重建的数据集进一步加快，这与前文所说的IPCC AR6给出的0.1 ℃的提高是一致的。也就是说，重建后的各家数据集给出的增温结论基本相同。
图2 IPCC 基于AR6收录引用的几个代表性数据集重画的全球温度距平序列（CMST-Interim由于没有进行北极冰面温度重建，全球增暖速率略低于其他数据集，CMST2.0通过极地气温重建，变暖速率明显加快）
“
基于AR6的评估，CMST-Interim的陆地气温分量C-LSAT2.0（ensemble）完全符合AR6的使用标准；但由于采用的还有表面温度分量ERSSTv5中在高纬度海洋中冰面数据是固定的，在对全球表面温度变化的描述上还存在一定的不确定性（图2中红色序列）。因此，在AR6全球表面温度序列中并没有出现CMST-Interim的序列，但在表2.3，2.4（下表）及相应章节的附表中，均已被收录，并明确将部分结果贡献于图2.11 b，c中。
近期，我们已经将CMST-Interim进一步升级，在新版本数据集CMST 2.0中，我们按照北半球高纬度冰面最小和最大面积，分别对北极冰面的气温数据进行了重建，进一步提高了数据集的准确性（图2中黑色序列）。
表1 IPCC AR6关于全球变暖事实研究所用到的代表性数据集（引自AR6 表2.4）
发展最新技术，研发新的全球温度基准数据集产品，并在此基础上建立国际认可的全球温度序列，将为全球增暖幅度的进一步准确估计及其不确定性评估做出应有的贡献；
其次，全球变暖加快，意味着未来温升空间的压缩，也为各国提前行动谋划、主动应对各种变化提供了有利的决策支撑，为未来实现全球碳达峰、碳中和目标做好周密部署抢得先机；
最后，由中国科学家主导的新的全球温度数据集和序列成功进入国际主流群体，为我国在联合国气候变化框架公约框架下，使我国在全球变暖事实研究领域发出自主的声音，也为我国在国际气候谈判中争得更多话语权。
主要参考文献
Sun, W. B., and Coauthors, 2021: The assessment of global surface temperature change from 1850s: The C-LSAT2.0 ensemble and the CMST-Interim datasets. Adv. Atmos. Sci. , 38(5), 875−888, https://doi.org/10.1007/s00376-021-1012-3
推荐阅读：
作者介绍
李庆祥（通讯作者）
相关参考文献
Cowtan, K., and Way R. G.: Coverage bias in the HadCRUT4 temperature series and its impact on recent temperature trends, Quarterly Journal of Royal Meteorological Society, 140, 1935–1944，2014
Huang，J., Zhang，X., Zhang，Q., et al.：Recently Amplified Arctic Warming Has Contributed to a Continual Global Warming Trend，Nature Climate Change, 7, 875–879. doi:10.1038/s41558-017-0009-5，2017
Li, Q., Sun, W., Yun, X., Huang, B., Dong, W., Wang, X. L., Zhai, P. and Jones, P.: An updated evaluation of the global mean land surface air temperature and surface temperature trends based on CLSAT and CMST, Climate Dynamics, 56, 635-650, doi: 10.1007/s00382-020-05502-0, 2021
Li, Q., Sun, W., Huang, B., Dong, W., Wang, X., Zhai, P. and Jones, P.: Consistency of global warming trends strengthened since 1880s, Science Bulletin, 65, 1709-1712, doi: 10.1016/j.scib.2020.06.009, 2020
Kadow C., Hall, D.M. and Ulbrich, U.: Artificial intelligence reconstructs missing climate information. Nature Geoscience，13, 408–413. 2020
Karl T.R., Arguez A., Huang B., Lawrimore J.H., McMahon J.R., Menne M.J., Peterson T.C., Vose R.S., Zhang H.M.：Possible artifacts of data biases in the recent global surface warming hiatus. Science,348: 1469–1472. doi:10.1126/science.aaa5632，2015
Simmons, A.J., Berrisford, P., Dee, D.P., Hersbach, H., Hirahara, S. and Thépaut, J.N.：A reassessment of temperature variations and trends from global reanalyses and monthly surface climatological datasets. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 143: 101–119,. doi: https://doi.org/10.1002/qj.2949，2017
Xu, W., Li, Q., Jones, P., Wang, X. L., Trewin, B., Yang, S., Zhu, C., Zhai, P., Wang, J., Vincent, L., Dai, A., Gao, Y. and Ding, Y.: A new integrated and homogenized global monthly land surface air temperature dataset for the period since 1900, Climate Dynamics, 50, 2513-2536, doi: 10.1007/s00382-017-3755-1, 2018
Yun, X., Huang, B., Cheng, J., Xu, W., Qiao, S. and Li, Q.: A new merge of global surface temperature datasets since the start of the 20th century, Earth System Science Data, 11, 1629-1643, doi: 10.5194/essd-11-1629-2019, 2019
大气科学进展
Advances in Atmospheric Sciences
科研前沿|行业热点|学科动态
写作规范|投稿技术|科研工具