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日前，科学家们对法新社表示，新的气候模型显示，作为一种温室效应气体，二氧化碳比我们以前了解的要强大得多，这一发现可能会使巴黎协议中限制全球变暖的目标变得遥不可及。
这些模型由6个国家的独立团队共同开发，模型表明，几十年来，科学家们一直低估了二氧化碳使地球变暖的潜力。明年，这些模型将作为联合国修订温度预测的依据。
自从政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2013年确定了当前预测之后，更多的数据和计算能力可以用到研究当中。
巴黎皮埃尔西蒙拉普拉斯气候模型中心主任Olivier Boucher对法新社表示：“我们现在有了更好的模型了，它们可以更准确地代表预测当前的气候趋势”。
此前，由美国、英国、法国和加拿大政府支持的研究小组做出过多个最具影响力的预测，预测指出，在未来，我们一直以来认为会使地球升温3摄氏度的二氧化碳浓度很可能最终会使地球表面升温4至5摄氏度。
来自加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的巴黎条约是对新一代模型的进行第一次同行评审的主要作者，该同行评估于本月早些时候发表在《地球物理研究快报》上。
科学家的“圣杯”
一个多世纪以来，科学家们一直被一个看似简单的问题困扰着：如果大气中的二氧化碳含量增加一倍，随着时间的推移，地球表面会变暖多少?
由此产生的升高温度被称为地球的“气候敏感性”。
由于存在大量难以捉摸的变量，这个数值一直难以确定。举个例子，海洋和森林是否会继续吸收一半以上的人类二氧化碳排放量?这就很难预测。
但最大的变数一直以来都是云。
伦敦帝国学院的研究人员Joeri Rogelj是IPCC全球碳预算(指在不超过给定温度上限的情况下可以排放的温室气体数量)的主要作者，他解释说：“云在更温暖的气候下会如何演变?它们是会缓和温室效应还是放大温室效应?这一直以来都是最大的不确定性来源。”
而新模型至少从两个方面对云动力学进行了更好的探究，从而加强了我们对二氧化碳变暖影响的认识。
Zelinka说，新的研究已经证实，地球大气层底层的高云增加了太阳的辐射，而全球变暖加剧了这种变化。
他说：“另一个大的不确定性是底部云层会如何变化，比如大陆西海岸的层积云盖。长期以来，这一直是气候模型设计者的‘圣杯’。”
最近的观察表明，这种类型云层的覆盖范围会随着气候变暖而减少，这意味着较少的太阳能量会被白色的云表面反射回太空。
在过去1万年的大部分时间里，人类的数量从几百万激增到76亿，而大气中二氧化碳的浓度几乎一直保持在280ppm。但在19世纪初，随着工业革命进入高潮，石油、天然气、尤其是煤开始进入 历史 舞台，空气中的二氧化碳分子数量激增。
现在，空气中的二氧化碳的浓度为412ppm，上升了45%，其中一半是在过去三十年才增加的。仅是去年一年，人类活动就向大气中排放了410多亿吨二氧化碳，大约每小时500万吨。
到目前为止，全球气温已经上升了1摄氏度，而地球也已经在越来越致命的热浪、干旱、洪水和热带气旋中挣扎，海平面上升更是使这些灾害变得更具破坏性。
在19世纪90年代，瑞典化学家斯万特·阿雷尼乌斯(Svante Arrhenius)计算出，二氧化碳增加一倍最终将会使地球表面的平均温度升高5到6摄氏度，不过他后来把这个数字修改为4摄氏度。值得注意的是，他早就已经认识到，燃烧化石燃料可能终有一日会导致这种变化的出现。
到了20世纪70年代末，科学家确定了3摄氏度(±1.5摄氏度)的气候敏感性，相当于大气中的二氧化碳浓度处于560ppm的水平。
在现在之前，这一评估一直以来基本保持不变。
联合国气候变化专门委员会(IPCC)根据人类在减少温室气体排放方面的措施，对未来气候变暖提出了四种设想。
其中最具雄心的设想与巴黎协议将气温上升控制在“远低于”2摄氏度的目标一致，而这种设想要求从现在开始每年削减10%以上的二氧化碳排放量。
而另一个极端设想，也就是所谓的“一切照旧”的情况，化石燃料使用的增加将会使大部分地球在本世纪末变得无法居住。
许多科学家认为，第一种情况只是一厢情愿的想法，而最糟糕的情况也是不可能发生的，除非地球本身开始释放自身储存的温室气体，比如说，永久冻土融化中逸出气体。
这就留下了中间两种设想了，即RCP4.5和RCP6.0，它们更有可能反映我们气候的未来。
根据政府间气候变化专门委员会的说法，RCP4.5相当于大气二氧化碳浓度升高至为538ppm，而RCP6.0设想则是使大气二氧化碳浓度增加到670ppm。
“热议”
1850年的二氧化碳浓度翻一倍，即相当于570ppm左右，这就介乎于两个设想之间了，因此在现实世界中也就具备了重要性，这可能会让19世纪晚期的瑞典化学家阿雷尼乌斯(Arrhenius)大吃一惊。
波茨坦气候影响研究所所长、地球系统科学家约翰·罗克斯特罗姆(Johan Rockstrom)说：“目前，气候模型领域存在着非常激烈的争论。
他对法新社说：“有12或13个模型已经显示出地球的气候灵敏度已经不再是3摄氏度了，而是5摄氏度或者6摄氏度。特别令人担忧的是，这些还不是异常值。”
Zelinka 说，法国、美国能源部、英国气象局和加拿大的模型显示，地球的气候敏感性分别为4.9摄氏度、5.3摄氏度、5.5摄氏度和5.6摄氏度。
“你必须认真对待这些模型的结果，它们是最先进最前沿的模型。”
在Zelinka研究的27个新模型中，这些模型也是最符合过去75年气候变化的一些模型，这进一步验证了它们的准确性。
尽管如此，其他将纳入IPCC下一份主要评估报告的模型则发现，温度的增幅明显较小，但几乎所有模型的增幅都高于此前的估计。
科学家们还在仔细研究这些结果，检查是否存在方法上的错误或不一致的地方。
Rockstrom说：“目前还没有定论，但情况令人担忧。30多年来，气候敏感性一直在1.5至4.5摄氏度之间，如果现在上升到3摄氏度到7摄氏度之间的话，那将会变得非常危险。”
未来气候变化对作物需水量的影响
赤道至北极：热带雨林气候——热带季风气候——亚热带季风气候——温带季风气候——温带大陆气候——苔原（冰原）气候。重点分析了气候变化背景下海洋的变化及其对中国气候的作用，评估了中国近海及相邻大洋对气候变化的响应、未来变化及其对中国气候的影响。结果表明：①1958—2018年，特别是1970年代末以来，全球和中国海洋明显变暖，且中国海洋升温高于同时段全球平均，主要归因于黑潮暖水入侵中国近海陆架的年代际增强;在不同气候情景下（温室气体从低到高排放的情景，RCP2.6， 4.5， 8.5）中国近海尤其是东中国海（渤海、黄海和东海）可能成为全球海洋升温最高的海区之一。1970年代中期以来，中国东海和南海海表盐度呈现下降趋势。1970年代末以来，中国近海环流变化显著，黑潮入侵东中国海陆架以及通过吕宋海峡入侵南海出现年代际增强，冬季黄海暖流以及南海上层环流年代际减弱。②20世纪以来，全球海平面上升速率约1.5±0.4 mm/a，主要贡献来自海水热膨胀和陆地冰川冰盖融化;2006年以来，全球海平面上升明显加速，上升速率达3.6 mm/a。1980年迄今，中国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a，高于同时段全球平均;在不同气候情景下海平面将持续上升，当前沿海地区百年一遇极端水位的重现期将显著缩短。③1970年代之后，热带海洋的海温分布如厄尔尼诺信号出现年代际变化，厄尔尼诺显著增强，持续时间更持久。并且，1990年之后，中部型厄尔尼诺趋于频发，发展年夏季长江流域降水偏少、气温偏高，华南降水偏多，次年春季华南降水偏少，而东部型厄尔尼诺的影响则大致相反;未来厄尔尼诺对中国气候的影响预估有较大不确定性。印度洋海盆增暖明显加强，与此相关的是中国东部高温天气频发。1977年以来，全球超强台（飓）风和海洋热浪等极端事件趋频、趋强。④中国近海总体可能是大气CO2的汇，每年从大气中吸收约10.8 TgC的CO2。长江口和珠江口及附近海域有长期酸化和溶解氧降低的现象，但近海碳源汇格局及酸化的长期变化仍不够清楚。此外，未来中国近海盐度、环流、强台风和海洋热浪的变化，以及海洋的碳源汇、酸化和溶解氧的观测和研究亟须加强。来源：中国人口.资源与环境
石家庄平原区种植的主要农作物为冬小麦和夏玉米，种植面积占农作物总种植面积的70%以上，为一年两季轮作种植。因此，本研究以冬小麦和夏玉米为代表作物进行计算。计算时间段为2011～2060年。
为了将未来气候情景与现状气候条件进行对比，采用由中国国家气候中心研制的NCC/GU-WG(2.0)天气发生器软件生成2011～2060年现状气候条件(RCP)气象数据作为对照。该模拟软件由中国国家气候中心根据全国671个气象站点1961～2000年的逐日气象资料率定研制，具有较高的精度，见表7-1，软件操作方便，直接选用相应模拟站点，然后点击输出按钮即可，主要为2011～2060年逐日降水量、最高气温、最低气温和日照时数等。
表7-1 模拟气象数据与实测数据之间的对比
注：表中最高气温为多年平均日最高气温，最低气温为多年平均日最低气温，降水量为多年平均降水量，日照时数为多年平均日照时数。实测数据来自中国气象数据共享服务网。
一、计算方法
采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算农作物需水量，计算公式如下：
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：ETo为参照作物需水量，mm；Rn为地表净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2；T为2.0m高处日平均气温，℃；U2为2.0m高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；r为干湿表常数，kPa/℃。以上计算公式所需基础计算数据有逐日最高温、逐日最低温、平均风速、平均相对湿度及日照时数等，其余计算参数均可由相应经验公式计算获得。本文计算过程在联合国国际粮农组织研发的EToCalculatorV32软件上实现，空气湿度(%)选用 Tdew=Tmin+2℃ 按钮，风速(m/s)选用 light tomoderate wind 按钮，选用 interior lacation 按钮。
农作物灌溉需水量采用如下公式计算：
IR =KcETo-Pe (7-2)
式中：IR为灌溉需水量，mm；Kc为作物需水系数，采用刘钰等(2009)的实测数据；Pe为作物生育期内有效降水量，mm。
作物生育期内有效降水量(Pe)采用如下公式计算，计算时间单元为旬。
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：P为作物生育期内的降水量，mm。
二、数据来源
由于MPI-ESM-MR大气环流模型的输出数据分辨率较低(1.865°×1.875°)，需要进行降尺度处理。本文采用统计降尺度软件SDSM(4.2)，对RCP4.5气候情景模式的逐日最高气温和逐日最低气温进行降尺度处理，预测因子为地面2.0m温度场和海平面气压场，统计模型校核期为1961～1975年，验证期为1976～1990年。
图7-1和图7-2 为研究区逐月最高气温和逐月最低气温实测数据与模拟数据1976～2010年系列。采用归一化均方根差(RMSE)来度量实测与模拟系列的差异化程度，其计算公式为式(7-4)，用两者相关性来度量其一致性。
图7-1 逐月最高气温实测数据与模拟数据之间的对比
图7-2 逐月最低气温实测数据与模拟数据之间的比较
一般认为，RMSE＜10%为极好，10% ＜RMSE＜20%为好，20% ＜RMSE＜30%为中等，RMSE＞30%为差。两者相关系数越接近1，说明两者相关性越好(图7-3)。
图7-3 实测逐月气温数据与降尺度数据相关关系
a—最高气温；b—最低气温
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：Si为模拟值，℃；Ri为实测值，℃；R为实测平均值，℃。经计算，1976～1990年年均最高气温的归一化均方根差(RMSE)为8.9%，为极好水平，年均最低气温的为22.6%，为中等水平；从相关系数来看，最高气温为0.98，最低气温为0.99，均很高，说明实测值与模拟值一致性较好。
由于对降水序列进行降尺度处理相对复杂，且运用SDSM(4.2)软件降尺度所得到的数据较同期实测数据误差较大。本文参考了丛振涛等(2010)人的研究方法，采用如下步骤进行降尺度处理：
(1)分别统计大气环流模型 MPI-ESM-MR 历史输出数据(1961～2000年)和RCP4.5气候情景2011～2060年输出数据1～12月降水量平均值。
(2)对比分析计算RCP4.5情景模式下1～12月降水平均值分别相对于历史输出数据1～12月平均值的增大程度。
3)将计算得到的RCP4.5情景模式下1～12月降水量平均值相对于历史输出数据的增大幅度分别计算叠加到由NCC/GU-WG(2.0)天气发生器模拟生成的石家庄站2011～2060年1～12月降水序列，从而得到石家庄站RCP4.5情景模式下的逐日降水序列。
主要计算流程如图7-4所示：
图7-4 逐日降水量降尺度计算流程
三、结果分析
以气温为横坐标，作物需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-5)。从图上可以看出，随着温度的升高，两种气候情景下农作物需水量均呈直线递增关系，但递增幅度有所不同。在现状气候条件下，气温每升高1.0℃，农作物需水量增大40.7mm，RCP4.5情景下，需水量增大27.8mm。从未来50年2011～2060年农作物平均需水量来看，现状气候条件为1107mm，RCP4.5情景增大到1139mm。
图7-5 不同气候情景下年均最高气温对作物需水量的影响
a—RCP；b—RCP4.5
利用公式(7-2)和公式(7-3)可以计算得到石家庄平原区2011～2060年作物灌溉需水量。以降水量为横坐标，灌溉需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-6)。可以看出，随降水量的增大，两种气候情景下灌溉需水量均呈直线递减关系，但递减幅度有所不同。在现状气候条件下，降水量每增加100mm，灌溉需水量减小40mm，RCP4.5情景下，需水量减少45mm。
图7-6 不同气候情景下年均最高气温对作物灌溉需水量的影响
a—RCP；b—RCP4.5
从多年平均水平来看(2011～2060年)，现状气候条件灌溉需水量为715mm，2011～2035年期间为709mm，2036～2060年期间为720mm。RCP4.5需水量为712mm，2011～2035年期间为707mm，2036～2060年期间为717mm。为了定量评价气候变化对年需水量的影响，以需水量大于750mm为高强度灌溉需水量，700～750mm为中强度灌溉需水量，小于700mm为低强度灌溉需水量，则在现状气候条件下(RCP)，低强度灌溉需水量年占42%(2011～2060年)，中强度占34%，高强度占24%；RCP4.5气候情景下，低强度需水量年所占比例较现状气候条件增大8%，中强度减小6%，高强度减小2%。
从年际角度来看，现状气候条件下，在2011～2035年期间，灌溉需水量在5%显著水平上呈明显下降趋势，下降速率为13.5mm/10a，2036～2060年期间，无明显上升或下降趋势(图7-7)。RCP4.5气候情景下，在2011～2035年期间，灌溉需水量下降速率较现状气候条件下有所增大，为15.7mm/10a，同样在2036～2060年期间，灌溉需水量无明显上升或下降趋势(图7-8)。
图7-7 现状气候条件下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征
图7-8 RCP4.5气候情景下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征
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