全球气候变暖加剧了极端降水强度，诱发洪涝灾害等，对自然和社会系统可持续发展带来严峻挑战。可靠预估未来极端降水变化对制定气候适应决策和防灾减灾至关重要，但局地尺度极端降水预估一直存在很大不确定性，这给科学决策带来重大挑战。华东师范大学地理科学学院李超教授与国内外学者合作，提出了一种基于观测约束的预估方案，成功将全球大部分地区的局地极端降水预估不确定性降低了20%以上。这些更为可靠的预估结果可以惠及全球近90%的人口，为极端降水变化评估和适应规划提供更为精准的科学支持。研究成果近期发表在国际权威期刊 Nature Communications 上。
Nature Communications 刊发华东师大李超教授团队在局地极端降水约束预估方面的进展
局地尺度极端降水预估面临的挑战
气候变暖会增强大气的持水能力，导致极端降水事件发生时，产生更多的降水量。该热力学机制表明，减小未来全球变暖预估的不确定性，能够间接提高对极端降水变化预估的可靠性。IPCC第六次评估报告指出，历史变暖反映了气候系统对历史辐射强迫变化的敏感性，因此，历史变暖观测资料可有效约束未来全球变暖预估。由于极端降水变化与气候变暖的紧密联系，研究团队此前也成功将历史变暖应用于约束全球和区域尺度的极端降水预估（Li et al., 2024）。
Geophysical Research Letters 刊发华东师大李超教授团队研究成果
局地尺度是极端降水影响发生的主要层面，也是适应措施的决策和实施尺度。极端降水影响评估和适应规划需要在局地尺度上提升预估可靠性。然而，由于气候系统自然变率和局地环流变化的不确定性随尺度减小而急剧增加，直接使用历史变暖约束局地极端降水变化的有效性受到限制。
不确定性溯源为局地极端降水约束预估提供了新视角
面对上述挑战，研究团队利用气候模式多成员模拟结合“空间换成员”策略，降低了自然变率不确定性；同时，从极端降水变化的物理过程出发，将CMIP6气候模式预估的局地/网格极端降水变化分解为水汽变化产生的热力响应和局地环流变化产生的动力响应。研究发现，热力响应的模式间差异是造成热带外极端降水预估不确定性的重要来源，而动力响应的模式间差异主导了热带极端降水预估的不确定性。多模式集合模拟的历史变暖与热力响应之间在全球范围内保持紧密的正相关关系，这意味着历史变暖可以在全球范围内有效约束热力响应的不确定性。尽管热带的不确定性由动力响应主导，但不同模式预估的热力和动力响应在很多地方表现出正协同增益效应，这意味着历史变暖约束直接作用于极端降水预估可以更有效地降低这些区域的预估不确定性。这些发现为如何利用可靠的温度观测数据约束局地极端降水变化开拓了新视角。
历史变暖也能够有效约束局地极端降水预估
基于上述发现，研究团队提出了一种新的涌现约束方法（Emergent Constraint）。该方法充分发挥温度约束的效率，当热力和动力响应在多模式集合中呈现正协同增益时，采用历史变暖直接约束极端降水变化；否则仅约束热力响应，并将其与动力响应结合，重建约束后的极端降水变化。
高排放情景SSP5-8.5常用来评估地球系统未来可能面临的最极端气候风险。针对该情景的世纪末预估结果表明，该方法有效降低了全球绝大多数地区局地极端降水预估的不确定性，全球中位数预估方差减小量为18%。在考虑自然变率不确定性降低后，预估方差减小量的全球中位数值可达42%（图一a）。
温度作为观测覆盖最广、模拟最可靠的气象变量，是当前最可信的气候模式约束因子。该方法依托这一可靠的约束因子，以基础热力学定律为支撑，在气候适应政策规划和实施层面，为提高极端降水预估的可靠性提供了切实可行的稳健解决方案。
图一：约束方案对降低局地极端降水预估不确定性的效果及覆盖的人口分布
支撑更加科学的气候变化适应策略
约束后的预估结果能够为当地极端降水变化影响评估和适应策略制定提供更加可靠的科学依据，这有望惠及全球近90%的人口（图一b）。统计显示，长期受极端降水困扰的东亚和南亚地区，居住着全球40%以上的人口，经约束后，这些区域在SSP5-8.5高排放情景下，世纪末局地极端降水的预估方差平均减少约30%。在北京、东京、伦敦、巴黎等全球特大城市群和经济中心所在地，约束后不确定性也都明显减少，从而为全球重要城市的雨洪适应规划提供更可靠的参考依据。
华东师范大学地理科学学院李超教授为论文第一作者和通讯作者，合作者包括兰州大学大气科学学院博士生刘婕妤、华东师范大学地理科学学院博士生杜馥君、加拿大维多利亚大学Francis Zwiers院士和国家气候中心封国林研究员。研究得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的支持。