2012年真是極其艱難的一年！根據(jù)瑪雅歷法所推算的世界末日讓全球憂心忡忡，但最后被證實是杞人憂天。但是這一年，全球的日子的確不好過：美國的干旱和熱浪，英國、肯尼亞、索馬里、日本和澳大利亞非同尋常的降雨記錄，西班牙的干旱，中國的洪水，當(dāng)然還有超級風(fēng)暴桑迪。氣候變化的問題，近10年來，不管是在科學(xué)界還是坊間，甚至尤其是政府首腦，都將這個問題看做一個非常重要的問題?？茖W(xué)家一直在提醒，氣候變化與災(zāi)難性極端氣候是緊密相連的。所以這一年如此多的極端氣象事件，很容易使人們再次聯(lián)想這個問題：這樣的極端天氣，是由于氣候變化影響的嗎？在此背景下，一個被稱為“氣候歸因科學(xué)”（climate attribution science）的研究正在萌芽，主要研究極端事件的效應(yīng)，確定有多少是人類活動導(dǎo)致的氣候變化所引起的，有多少是自然的變化，諸如厄爾尼諾/拉尼娜-南方濤動的氣候模式、海表溫度、入射太陽輻射的變化，或者許多其他可能的因素[1]。
最近發(fā)布的《美國氣象學(xué)會通報》[2]，對全球10多個極端事件所做的20個相關(guān)科學(xué)研究進(jìn)行了分析，試圖尋找人為導(dǎo)致的氣候變化的相對影響有多大。這些證據(jù)令人信服地表明，人類引起的變化是一個重要的因素，約占一半。在許多情況下，人類對于氣候的影響增加了相關(guān)極端事件的風(fēng)險。本周的科學(xué)新聞（Science News）[1]也對此做了報道，并列出了一些事件及其相應(yīng)的研究結(jié)論：
（1） 2011年12月：新西蘭南島兩天的極端降雨所產(chǎn)生的滑坡是500年一遇的事件。結(jié)論：這次極端事件中所提供的總水分因為人為溫室氣體的排放增加了1-5%。
（2） 2012年9月：北極海冰達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的新低340萬平方公里。研究調(diào)查了三個不同的因素：比正常地表大氣溫暖的條件，與全球變暖有關(guān)；海冰在融化季節(jié)到來之前就變薄，也與全球變暖有關(guān)；以及8月肆掠北極的風(fēng)暴，攪動大洋，使海冰破裂被送到溫暖的南部。結(jié)論：全球變暖是主因，溫暖大氣條件和海冰變薄在一定程度起作用，但它們本身也是全球變暖所導(dǎo)致的結(jié)果。
（3）2012年夏天：澳大利亞東部的暴雨。結(jié)論：2012年的拉尼娜事件（很長時間處于比正常年份更濕潤的條件）對強(qiáng)降雨有非常大的貢獻(xiàn)，但不是全部。因全球變暖導(dǎo)致澳大利亞北部海表溫度的變化也可能起了作用，使得未來降雨量有增加5%的幾率。
（4）超級風(fēng)暴桑迪：盡管這不是在歷史上襲擊美國東海岸的最強(qiáng)大暴風(fēng)雨，但這場暴風(fēng)雨的實際影響卻冰粉來自暴風(fēng)雨本身，而是暴風(fēng)雨之后的潮水上涌和淹水，這倒是打破了這個海岸的歷史記錄。結(jié)論：暴風(fēng)雨恰逢紐約港的大潮。而海平面上升可能會加劇未來的這種泛濫，即使暴風(fēng)雨本身可能并沒有那么嚴(yán)重，但卻更容易發(fā)生類似桑迪水平的極端事件。
關(guān)于極端氣候的話題，最近真的是很熱。半個月前，Nature也有篇綜述文章“極端氣候事件與碳循環(huán)”[3]，專門介紹了極端氣候?qū)Φ厍蜿懙靥佳h(huán)的影響，下面對此做一簡要介紹。
在過去50年里，地球上人為排放的CO2約有25-30%被生態(tài)系統(tǒng)所吸收，其中大部分CO2被吸收后積累在森林生物量和土壤中。人類其他的影響還包括生態(tài)系統(tǒng)中氮肥的增加，大氣中CO2濃度的增加和氮施肥導(dǎo)致植被生長增強(qiáng)，還逐步增加了北半球的生長季長度。因此，曾經(jīng)我們認(rèn)為，這些持續(xù)的環(huán)境變化可能增加了全球陸地碳吸收，響應(yīng)也減輕了大氣中CO2水平的人為增加，并在氣候/碳循環(huán)系統(tǒng)中提供了一個負(fù)反饋。究竟在何種程度上，持續(xù)多長時間，以及在何種生態(tài)系統(tǒng)中，這個CO2吸收和負(fù)反饋將一直繼續(xù)？越來越多的證據(jù)卻表明，極端事件（如熱浪、干旱或風(fēng)暴）的發(fā)生及其相關(guān)干擾，可能會部分抵消掉這些碳匯，甚至導(dǎo)致碳庫的凈損失，將生態(tài)系統(tǒng)儲存的CO2釋放到大氣中。因為極端事件首先可觸發(fā)生態(tài)系統(tǒng)即時的反應(yīng)，之后還有一些后繼反應(yīng)。例如，樹木死亡、火災(zāi)或蟲害，它們對碳通量和碳庫的影響是非線性的。因此，極端氣候即使發(fā)生了很小的頻率或嚴(yán)重程度的改變，也可能大幅度減少碳匯并可能對氣候變暖產(chǎn)生相當(dāng)大的正反饋作用。由負(fù)反饋效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檎答佇?yīng)，這將是一個質(zhì)的轉(zhuǎn)變。
氣候?qū)W和水文學(xué)研究氣候和極端天氣事件有著悠久的歷史，一般普遍采用應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)框架來定義極端氣候?，F(xiàn)在的問題是，這種僅僅基于氣候統(tǒng)計對極端事件的定義，是否適合評估對生態(tài)系統(tǒng)及其碳循環(huán)的影響？例如，考慮這個問題：如果在過去100年某地的年降雨量總是介于500mm和510mm之間（雖然也有相當(dāng)大的季節(jié)性變化）， 那么當(dāng)某年的降水量為499mm，盡管實際上只有1-11mm的不同，或者說在生態(tài)學(xué)上只產(chǎn)生了0.2-2%微不足道的影響，那么在統(tǒng)計學(xué)上也可被看做是極端事件了。同樣，在現(xiàn)實世界中，如果在某高緯度地區(qū)冬季的月氣溫一般在30°C和40°C之間，那么根據(jù)氣候?qū)W的定義，某月25°C也是極端事件，但這遠(yuǎn)低于任何可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生響應(yīng)的關(guān)鍵閾值，也就是說，這樣的變化可能并沒有帶來實際災(zāi)難性的影響。
因此，過去對氣候極端事件的定義可能在類似的研究中是不合適的，應(yīng)該給一個特定的定義，考慮生態(tài)系統(tǒng)預(yù)期響應(yīng)的極端性，而不僅僅考慮氣象本身的驅(qū)動力。根據(jù)這樣一個原則，將極端氣候事件定義為：發(fā)生的一段情節(jié)或一個事件，其中統(tǒng)計學(xué)上罕見或不尋常的氣候來臨改變了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或功能，使其范圍在典型或正常的變化之外。這個定義包含了一系列氣象指標(biāo)，也許對單一變量來說并非極端，但對變量組合來說則是極端的（多元極端或復(fù)合事件），比如熱浪和干旱的組合，或者干旱之后的極端降雨事件。同時，為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了影響，可將這個定義重新描述為與生物圈有關(guān)的極端氣候：“在規(guī)定時間和空間內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)的功能（如碳吸收）高于或低于一個確定的極端百分?jǐn)?shù)所出現(xiàn)的條件，可通過單一或多元的異常氣象變量進(jìn)行描述”。根據(jù)這個定義，鑒定和檢測極端氣候事件問題首次聚焦到對生態(tài)系統(tǒng)的診斷上，這就需要將極端生態(tài)系統(tǒng)對氣象變量的即時和滯后效應(yīng)進(jìn)行歸因，這顯然是更為合理的評價方法。
有證據(jù)表明，極端事件不僅并發(fā)影響碳循環(huán)（例如，在火災(zāi)事件中減少植被生產(chǎn)力或破壞碳庫），同時還會帶動滯后反應(yīng)。例如，一個異常溫暖季之后的一年，草原中土壤的異養(yǎng)呼吸增強(qiáng)，抵消了生態(tài)系統(tǒng)碳的凈吸收；土壤凍結(jié)增加了森林中異養(yǎng)呼吸應(yīng)對夏季干旱的敏感性；在許多實例中，嚴(yán)重干旱會導(dǎo)致樹木死亡率的增加。有關(guān)極端事件對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的滯后和遺留效應(yīng)，我們還不太了解，可能會涉及到不同組織水平和時間尺度上的多個協(xié)同和拮抗機(jī)制，為此提出了層次響應(yīng)框架。這些機(jī)制包括：(1) 減少植物對非生物脅迫（例如，通過抗氧化劑，滲透性或膜穩(wěn)定性的改變）的抗性、害蟲和病原體（例如，通過改變次生代謝產(chǎn)物），以及它們對植物性能的影響；(2) 改變凋落物和根際沉積的數(shù)量、質(zhì)量和時間；(3) 對土壤物理和化學(xué)特性（土壤有機(jī)質(zhì)組分、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、疏水性）的影響；以及(4) 植物、微生物和動物物種組成的變化（例如，真菌樹木增加，因為真菌比徐俊更抗旱），以及碳和氮循環(huán)的相關(guān)變化，這會反饋于(1)-(3)。
除了上述在生態(tài)系統(tǒng)水平的機(jī)制外，在社會和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中同樣存在滯后效應(yīng)。例如，如果低產(chǎn)量提高了食品的價格，就會鼓勵更多人將森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田或草原。
極端氣候可誘導(dǎo)一系列相互關(guān)聯(lián)的影響，所有這些影響有可能在不同時間尺度深刻地改變生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。下圖采用熱浪和干旱的效應(yīng)對此進(jìn)行了說明：這種類型的極端氣候?qū)O2的通量有直接影響，因為光合作用和呼吸作用都會對更溫暖的溫度和土壤水分限制發(fā)生反應(yīng)。此外，這些因素在葉片、生態(tài)系統(tǒng)和區(qū)域尺度是協(xié)同工作的。干旱導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉，減少葉片蒸騰作用和蒸發(fā)冷卻作用，加重了高氣溫（和強(qiáng)勁短波輻射）的影響。同樣，在區(qū)域尺度上，土壤水分-溫度反饋更可能導(dǎo)致在干燥土壤條件的熱浪。
另外，土壤干旱意味著更多的負(fù)土壤水勢和較低的土壤導(dǎo)水率，通常會導(dǎo)致在葉片和大氣層之間更高的蒸汽壓梯度，造成植物水分循環(huán)系統(tǒng)的脅迫在高溫下進(jìn)一步加劇。結(jié)果，木質(zhì)部的高壓觸發(fā)了莖中水分運(yùn)輸?shù)乃ㄈ筒糠质?，甚至是一個導(dǎo)致死亡的促成因素。這種機(jī)制，連同與碳水化合物代謝和蟲害相關(guān)的機(jī)制，目前被認(rèn)為是樹木在干旱條件下死亡的一個主要原因。在這方面，植物死亡可能是炎熱和干旱的一個滯后效應(yīng)，至少在幾十年里都會影響碳平衡，在當(dāng)?shù)睾蛥^(qū)域水文與氣候的反饋作用下，導(dǎo)致植被覆蓋的變化。干旱脅迫的進(jìn)一步影響包括火災(zāi)風(fēng)險的增加，病原體和害蟲爆發(fā)的延遲反應(yīng)，后者也與生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對暴風(fēng)雨的靈敏度以及森林中與風(fēng)災(zāi)死亡有關(guān)。
雖然這種由不同極端氣候引發(fā)的機(jī)制，可在概念上進(jìn)行描述，但是它們具體的影響是高度依賴于生態(tài)系統(tǒng)類型的，這總結(jié)在下表中。
土地覆
蓋類型
極端事件
關(guān)鍵影響機(jī)制
高度敏感地區(qū)的記錄
對未來發(fā)生
的科學(xué)認(rèn)識
碳循環(huán)影響
的科學(xué)認(rèn)識
森林
暴風(fēng)
l 風(fēng)倒事件將碳庫從活生物量轉(zhuǎn)換為干的死木
l 風(fēng)倒事件增加了增加火災(zāi)和病原體暴發(fā)的風(fēng)險
亞馬遜流域、北美、中歐
低
中
干旱炎熱
l 水的有效性會影響植物生理、物候和碳分配模式
l 增加樹木死亡、火災(zāi)風(fēng)險和病原體的易感性
l 植被組成發(fā)生變化（影響大，長壽命的樹木會延遲這種影響）
中歐、北美西部、亞馬遜流域
低到中
中到高
低
低
火災(zāi)
l 樹木死亡對森林中巨大碳庫有巨大而快速的影響
北美西部、東南亞、地中海、環(huán)寒帶林區(qū)、亞馬遜流域
低
低
冰暴和霜凍
l 物理傷害可以包括對整個森林的破壞
l 木質(zhì)部栓塞和干燥
中國、北美
中到高（對低溫來說）
低
草原
干旱炎熱
l 物種組成變化（尤其是加上額外的壓力如過度放牧）
l 退化和沙漠化（特別是加上過度放牧）
l 侵蝕（加上強(qiáng)降雨或風(fēng)暴）
北美、歐洲、中亞
低到中
中到高
中
低
農(nóng)田
風(fēng)暴
l 風(fēng)力侵蝕和對碳循環(huán)后果不清楚的土壤位移
l 直接損害作物
中國、北美
低
低
強(qiáng)降雨
（包括冰雹）
l 造成土壤損失和位移的侵蝕，以及因此對碳的影響
l 影響土壤長期生產(chǎn)能力的侵蝕
l 農(nóng)作物損壞，或冰雹和土壤淹水及后續(xù)的厭氧條件產(chǎn)生的問題
l 作物倒伏，即谷類作物的莖被垂向莖永久取代
l 增加害蟲和病原體
熱帶地區(qū)、北美、澳大利亞、地中海、西歐、東亞
中到高
（對冰雹來說是低）
低
干旱和炎熱
l 降低生長或整個作物歉收
歐洲、北美、中國
低到中
中
極端寒冷
l 降低生長
l 整個冬季作物歉收，尤其是春季的霜凍（結(jié)合干旱脅迫）
北美、南澳大利亞、歐洲
中到高
低
參考資料：
[1] Science News: 'Half' of Extreme Weather Impacted by Climate Change. 20130905. http://news.sciencemag.org/climate/2013/09/half-extreme-weather-impacted-climate-change?rss=1
[2]http://www.ametsoc.org/2012extremeeventsclimate.pdf
[3]Climate extremes and the carbon cycle. Nature 2013-08-15, V500: 287-295
