為了解決人類社會面臨的可持續發展問題，

WCRP

的聯合科學委員會提出了急需投入研究力量來應對的七大科學挑戰（

Grand Challenges

），具體包括：冰凍圈消融及其全球影響，雲、環流和氣候敏感度，氣候系統的碳反饋，天氣和氣候極端事件，糧食生產用水，區域海平面上升及其對沿海地區的影響，近期氣候預測。上述挑戰都是受到社會高度關注的、非常具體的熱點話題，也是因正在阻礙著氣候科學關鍵領域的進步而迫切亟待解決的科學前沿。

WCRP

針對七大科學挑戰專門成立了各自的科學委員會，負責大挑戰科學計劃的組織實施。

大挑戰科學計劃的成功實施需要全球相關領域頂尖研究人才的合作攻關，所提出的科學問題與社會可持續發展需求密切相關，解決這些問題是實現可持續發展的重要基礎。下面對七個大挑戰計劃的核心科學目標做扼要介紹。

冰凍圈消融及其全球影響

冰凍圈是地球氣候系統的重要組成部分，主要包括冰川、冰蓋、凍土（季節凍土和多年凍土）、積雪、海冰和冰架。在氣候變暖的大背景下，冰凍圈的加速消融不可避免，這些現象已經發生並將持續下去，其影響範圍可達全球尺度。冰凍圈消融的主要影響包括：多年凍土的融化會將其固定的

CO 2

和甲烷釋放進入大氣，從而加劇全球變暖；山地冰川的退縮和冰蓋的融化會導致海平面上升，同時，還會威脅到高度依賴冰川融水那些地區的水資源供給；海冰和積雪覆蓋面積的減少會進一步加劇極地的增暖，並透過改變西風環流影響中低緯度地區氣候；同時，北極地區陸上和海上交通線的開發使得人類活動範圍進一步擴大，可能影響全球的政治和經濟格局。要定量評估冰凍圈的未來變化、科學應對其影響，必須更好地理解上述影響背後的物理過程，提高地球系統模式對這些過程的模擬和預測預估能力。

2.雲、環流和氣候敏感度

氣候敏感度是度量溫室氣體增加和全球升溫幅度之間關係的重要指標，當前氣候模擬和氣候預估中的很多不確定性問題，都直接和氣候敏感度有關。氣候敏感度是指當

CO 2

濃度相對於工業革命前加倍後，氣候系統完全響應達到新的平衡態時，全球平均表面氣溫相對於工業革命前的平衡態溫度變化，又被稱為

“

平衡態氣候敏感度

”

（簡寫為

ECS

）。氣候敏感度的高低既決定著同等溫室氣體強迫下預估氣候增暖幅度的大小，更決定著全球溫升閾值目標下溫室氣體的減排空間估算問題

，從而直接影響到溫室氣體減排政策的制訂和氣候變化國際談判

。

從

IPCC

第三次科學評估報告

TAR

到第五次科學評估報告

AR5

，使用古氣候代用資料、歷史器測資料以及多模式多樣本模擬，均未能縮小

ECS

的不確定性範圍，目前認為

ECS

的可能範圍為

1。5-4。5°C

、不可能低於

1。0°C

和高於

6。0°C

。對於氣候模式來說，目前對雲認識的侷限性是造成氣候敏感度不確定性的重要來源，同時也是環流系統的模擬偏差的來源之一。目前亟待回答的關鍵科學問題包括：當前氣候下的雲和環流是如何耦合的？雲和環流對全球變暖和其他強迫因子是如何響應的？雲和環流如何透過影響地球輻射收支而產生反饋作用的？

總體而言，有三方面的因素阻礙了我們對氣候敏感度和未來降水變化的估計：一是尚不能有效約束雲對氣候敏感度的作用；二是缺乏對區域、特別是陸上大氣環流和降水變化規律的認識；三是當前的氣候模式在描述雲過程和大尺度動力場相互耦合方面的可信度較低。這些問題的解決需要觀測、理論和數值模擬研究的密切配合。

3. 氣候系統的碳反饋

人類活動使得大量遠古時期累積的碳從化石燃料中釋放，進入現代的地氣系統中，干擾了自然狀態下的碳迴圈，對氣候造成顯著影響。儘管目前我們可以準確觀測大氣中的

CO 2

濃度，但植被、土壤和多年凍土的含碳量至少是大氣的

5

倍，海洋含碳量至少是大氣的

50

倍。據估計，自

1870

年以來化石燃料釋放了約

400 GtC

（單位：

10

億噸碳）；同時，土地利用變化主要是毀林開荒也增加了

145 GtC

的排放量。其中一半以上的人為碳排放被陸地和海洋系統吸收。若沒有這些碳匯，大氣中的

CO 2

濃度將會達到工業革命前的

2

倍多，全球溫度也會上升

2

度以上。因此，瞭解這些碳庫如何變化、以及碳在各個碳庫之間的轉移規律至關重要。這其中涉及的關鍵問題包括：哪些生物和非生物過程驅動和控制著陸地

-

海洋碳匯？

21

世紀中氣候和碳的反饋過程是否會放大氣候變化的程度？陸地和海洋中脆弱的碳庫對全球變暖將如何響應？對極端氣候事件如何響應？對氣候突變又如何響應？

4.極端天氣和氣候事件

極端天氣和氣候事件本身是氣候系統的內在特徵，但越來越多的觀測證據顯示，極端事件正在隨著氣候的變化而變化

。由於極端事件能夠影響社會的方方面面，極端事件的破壞性往往高於氣候平均態變化的影響。因此，決策者和利益攸關者對預測極端事件的需求愈發強烈，涵蓋從未來幾天到季節、再到年際、年代際、乃至百年等各種時間尺度。

為了滿足社會需求，回答極端事件發生和變化背後的科學問題、提高極端事件的監測和預報水平自然成為世界氣候研究領域的一大挑戰。極端事件種類繁多，包括乾旱、洪澇、強降水事件、熱浪、熱帶和溫帶風暴、沿海風暴潮等，它們發生的地點、強度、頻率都需要觀測資料的支撐。這些資訊在短期（一年以下）可以減緩社會和生態系統面臨的風險；在更長期（年代際至百年）可服務於制訂有效的適應方案。國際科學界需要回答的問題有：現有的觀測系統是否能夠支撐極端事件的監測和變化評估？大尺度過程、區域過程和局地過程以及它們之間的相互作用對極端事件形成的相對貢獻如何？氣候模式模擬的極端事件及其變化有多大可信度，如何評估並改進？有哪些因素影響我們對極端事件的精準檢測，從而影響對其頻率和強度變化的研究？

5.糧食生產用水

民以食為天，糧食生產離不開淡水供給。人口增長和經濟發展對水資源的需求越來越大，而城市化和工農業活動產生的汙染物常常對可用的水資源造成威脅，氣候變化也會導致水資源保有量的變化和重新分配。這些因素的疊加給

21

世紀可持續的水資源管理帶來前所未有的嚴重挑戰。因此，需要進一步增進科學認識、發展新的模擬和預測工具來應對全球水資源管理的迫切需求。

可用的水資源大部分來源於降水，並透過徑流進行遠距離輸送。所以，首要的任務是掌握降水的自然變率及其對氣候變化的敏感性，這依賴於觀測和模擬手段的進一步提升。針對水資源問題這一挑戰，需要回答的問題包括：不同的觀測系統測量的降水準確性如何？哪些測量缺陷造成了不同時空尺度上降水觀測的不確定性？氣候變化如何影響降水特徵（包括空間分佈、總量、強度、頻率、持續時間和型別等），特別是對極端乾旱和洪澇事件有何影響？在全球和區域降水的預測和預估中，氣候模式的可信度有多少？如何提高模式的效能？過去陸表和水文特徵的改變如何影響了用水安全、未來又將產生何種影響？氣候變化如何影響陸地生態系統、水文過程、水資源和水體質量？如何利用新的觀測手段和更好的模式來提高水資源管理的水平？

6. 區域海平面上升及其對沿海地區的影響

沿岸海平面上升是人為氣候變化造成的最嚴重的後果之一。全球平均海平面將會在數個世紀內繼續上升，其上升速率和最終上升的高度，很大程度上取決於未來溫室氣體的排放。而未來的幾十年內，區域海平面的變化和變率將遠大於全球平均水平，從而造成更大的社會影響，這包括海岸的侵蝕、沿岸基礎設施的破壞、自然資源和生物多樣性的喪失，以及最嚴重的情況

——

大量環境難民不得不遷徙或移民。

在全球地勢較低的沿岸地區，海平面上升的後果已經開始顯現，但各地海平面的具體變化和受影響的程度由海洋、大氣、陸面和冰凍圈等諸多過程控制，還與一些非氣候類的人為因素有關，如過度抽取地下水所造成的地表沉降等。應對區域海平面上升這一挑戰，需要了解自然和人為因素影響局地海平面變化的機制，推進海平面綜合觀測系統的建設，促進海平面預測和預估技術的發展。具體措施包括：一是建立一套綜合的方法估計歷史（涵蓋古氣候尺度）海平面的變化；二是定量估計近期陸地冰雪融化對海平面上升的貢獻；三是理解當前區域海平面變率和變化的特徵和機制；四是研究區域海平面的可預報性，在此基礎上，解決一系列跨學科問題，服務於沿岸地區的管理。

7。

近期氣候預測

這裡的“近期”

（Near term）

指的是未來十到二十年。這一時段的氣候受自然變率和人為氣候變化的共同影響，其中自然變率可能足夠大以至於能夠加速或抵消人為氣候變化趨勢

［13-16］

。不同於未來百年的遠期氣候預估，近期氣候預測以真實的氣候狀態為初始條件，可以針對區域尺度提供未來幾年至十幾年的氣候變化資訊。決策者和很多領域的利益攸關者（如農業、城市規劃、醫療健康、民用航空業領域等）迫切需要這些資訊來規劃近期的行動方案。近期氣候預測能夠填補季節到年際預測和多年代際到長期氣候預估之間的空隙，為“無縫隙”的氣候服務做出重要貢獻。為了應對這一挑戰，實現上述目標，需要解決一系列的科學問題和數值模式技術問題，具體包括：年代際氣候變率可預報性的來源有哪些？如何評估和提高全球模式對年代際變率的模擬能力？如何利用觀測資料結合資料同化方案准備預測所需初始化條件，最佳化輸入的各種外強迫因子，減少初始衝擊、模式漂移和模式偏差，減少預測結果的不確定性？如何定量化預報技巧？如何針對特定區域進行降尺度和偏差校正？如何理解和解釋多模式回報和預報結果及其不確定性，提供滿足使用者需求的近期氣候預測產品？

參考文獻:

周天軍，陳曉龍，吳波，2018： 支撐“未來地球”計劃的氣候變化科學前沿問題。

科學通報

，63， 1 （2018）； doi： 10。1360/N972018-00818