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极端温度和极端降水是重要的气象灾害，对自然环境和人类的生产、生活都有重要的影响。东亚地区幅员辽阔、人口稠密，对极端温度和极端降水事件都较敏感。过去的一百年，由于大气中温室气体不断增加，全球平均温度不断升高。东亚地区近几十年的极端高温和极端降水事件明显增加。2015年的《巴黎协定》提出“控制全球增暖在2℃以内，并力争把温升控制在1.5℃以内”，但是对于1.5℃和2℃温升背景下东亚地区极端高温和极端降水的变化，尤其是相较于2℃温升，控制全球增暖在1.5℃以内能够避免的气候影响并不十分清楚。本文围绕东亚极端气候的预估问题，首先分析东亚地区极端温度的变化，包括全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下，东亚极端高温事件的变化、在未来增暖情景下动力作用和热力作用对东亚地表气温和极端温度事件(包括极端低温和极端高温)变化的贡献以及未来增暖情景下华北极端高温变化相关的物理机制。然后，分析了东亚地区极端降水的变化，包括全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下，东亚极端降水事件的变化以及华北极端降水变化相关的物理机制。主要研究结论如下:
一、全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下东亚极端高温事件的变化
利用基于地球系统模式(CESM)，专门用于研究全球增暖1.5℃和2℃平衡态下的气候变化及气候影响的试验数据，分析了相较于工业革命前，全球温升1.5℃和2℃时，东亚地区极端高温事件的变化。结果表明，与全球平均相比，东亚地区的平均增暖在1.5℃和2℃温升情景下均高0.2℃左右。两个增暖情景下，基于当前气候定义的低温事件频率明显减少，高温事件频率明显增加，并且极端高温频率的增幅大于一般高温频率的增幅。此外，夜间高温频率的增幅大于日间高温。在人口最稠密的中国东部、朝鲜半岛和日本地区，极端高温的频率、强度和持续时间的增幅都比东亚的其他区域更大。和2℃温升相比，控制全球增暖在1.5℃以内，可以便东亚地区极端高温事件强度的增幅减少35％-38％，频率的增幅减少约37％，持续时间的增幅减少39％-46％。在东亚的子区域中，相较于2℃增暖，控制全球增暖在1.5℃以内，极端高温事件频率、强度和持续时间的增幅减少最明显的区域是蒙古地区，为37％-49％。因此，从减少极端高温气候影响的角度出发，控制全球增暖在1.5℃以内对东亚地区是有益且有必要的。
二、全球增暖背景下动力作用和热力作用对东亚地表气温及极端温度事件变化的贡献
利用动力调整方法，基于地球系统模式大样本集合(CESM-LE)试验结果，定量分析了未来增暖情景下动力作用和热力作用对东亚冬季和夏季地表气温以及极端温度变化的贡献。结果表明，在RCP8.5排放情景下，到21世纪末，东亚区域平均冬季地表气温相较于工业革命前将升高7℃，其中动力作用相关部分升高1.9℃，约占27％。当前气候中的极端冷月主要是动力作用导致的。随着全球增暖，动力作用造成的极端低温强度减弱，有利于东亚发生大范围极端冷月事件的环流型发生频率减少。到2030年左右，在热力作用和动力作用的共同影响下，低于当前气候中最冷5％冬季月地表气温阈值的月份将不再出现。全球增暖背景下东亚区域平均夏季地表气温的增加主要是热力作用的贡献。在RCP8.5排放情景下，到21世纪末，夏季东亚区域平均地表气温相较于工业革命前将升高6.1℃，动力作用相关部分仅升高0.5℃，约占8％。不过，动力作用对中国西北和蒙古西部部分地区夏季地表气温的变化有较明显的贡献，占总增暖幅度的30％左右。在2005年以前，动力作用对西北地区极端暖月的贡献大于热力作用。随着未来全球平均温度不断升高，有利于西北发生极端暖月事件的环流型更容易出现。
三、全球增暖背景下华北极端高温的变化及其原因
华北地区的极端高温(EH)受到大尺度环流以及地形的共同影响，可以分为焚风类EH和非焚风类EH。在评估区域海气耦合模式对华北EH具有较好模拟能力的基础上，基于其对RCP8.5情景下气候变化的降尺度模拟结果，利用Freq95EH(高于当前气候中日最高气温第95百分位值)和Int95EH(高于各自时段日最高气温第95百分位值)这两个不同指标，考察了未来增暖情景下华北EH的可能变化。结果表明，在RCP8.5排放情景下，到了21世纪中期，华北夏季有四分之一的时间将会发生Freq95EH，其中每年焚风类和非焚风类Freq95EH天数将分别增加10.7天和7.4天。未来增暖情景下增加的辐射强迫使Freq95EH更容易发生。到21世纪中期，华北夏季平均日最高气温将升高2.39℃，对应的焚风类Int95EH和非焚风类Int95EH天日最高气温的增幅分别为2.57℃和2.24℃。此外，焚风类Int95EH的比例在增暖情景下将会增加。和当前气候相比，在未来增暖情景下，中国北部上空水平风场将会减弱，东亚夏季风环流将会增强，Int95EH天的反气旋异常将减弱，使大尺度环流异常对华北EH的贡献减小;中国北部上空的水平风场季节内变率将增强，华北上空的西北风异常更容易发生，使局地有利的地形对华北EH的贡献增加。
四、全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下东亚极端降水事件的变化
利用CESM1.5℃和2℃平衡状态下的预估试验数据，本文分析了相较于工业革命前，全球温升1.5℃和2℃时，东亚地区极端降水事件的变化，同时，对比了允许全球增暖在21世纪中期短暂超过1.5℃，而后使全球增暖水平在21世纪末降回到1.5℃对东亚地区极端降水的影响。结果表明，在1.5℃和2℃温升情景下，东亚大部分地区平均降水强度都将显著增加，和1.5℃温升相比，对于东亚大部分地区而言，允许全球增暖短暂超过1.5℃不会使平均降水强度显著增加。东亚大部分地区干天(湿天)在未来增暖情景下将减少(增加)。不同强度降水的强度和频率在未来增暖情景下都将增加，极端降水的增幅大于一般降水的增幅。东亚的子区域中，中国和日本地区极端降水频率和强度的增幅大于其他子区域。和2℃温升相比，控制全球增暖一直在1.5℃以内，可以减少东亚地区极端降水增幅的26％-31％，大多数极端降水指标表明，减小最明显的区域是日本地区，为38％-54％。允许全球增暖短暂超过1.5℃将给蒙古、朝鲜半岛和日本带来明显影响。如果严格控制全球增暖在1.5℃以内，将会使21世纪末这些地区极端降水事件强度和频率的增幅减少25％以上。因此，严格控制全球增暖在1.5℃以内可以明显减少与极端降水有关的气候灾害对东亚地区的影响。
五、全球增暖背景下华北极端降水的变化及其原因
考虑到东亚夏季风雨带的季节移动，结合华北地区雨发生的时间，将夏季等分为时段1(6月1日到7月16日)和时段2(7月17日到8月31日)。利用区域海气耦合模式对RCP8.5情景下气候变化的降尺度模拟结果，考察了未来增暖情景下华北极端降水的变化。结果表明，和时段2相比，时段1中极端降水的强度和频率的增幅更大。相较于当前气候，使用局地季节增暖标准化后的时段1和时段2中华北区域平均极端降水强度的增幅分别为9.7％/K和9.3％/K。对应地，时段1和时段2中极端降水频率的增幅分别为33.9％/K和18％/K。水汽收支诊断的结果表明，华北极端降水强度的增加主要是垂直水汽平流的贡献，其中，动力项(与环流变化有关)的贡献和热力项(与大气中水汽含量有关)的贡献基本相当。需要指出的是，时段1和时段2中极端降水强度在未来增暖情景下变化的物理机制相似。和当前气候相比，21世纪中期西北太平洋副热带高压增强并向西北移动，低层东亚夏季风环流增强，华北上空气流垂直上升运动增强，使华北地区极端降水增加。以当前气候中候平均降水为基准，和当前气候相比，21世纪中期华北雨季将提前到来4候(20天)左右、雨季将延长6候(30天)左右。
一、全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下东亚极端高温事件的变化
利用基于地球系统模式(CESM)，专门用于研究全球增暖1.5℃和2℃平衡态下的气候变化及气候影响的试验数据，分析了相较于工业革命前，全球温升1.5℃和2℃时，东亚地区极端高温事件的变化。结果表明，与全球平均相比，东亚地区的平均增暖在1.5℃和2℃温升情景下均高0.2℃左右。两个增暖情景下，基于当前气候定义的低温事件频率明显减少，高温事件频率明显增加，并且极端高温频率的增幅大于一般高温频率的增幅。此外，夜间高温频率的增幅大于日间高温。在人口最稠密的中国东部、朝鲜半岛和日本地区，极端高温的频率、强度和持续时间的增幅都比东亚的其他区域更大。和2℃温升相比，控制全球增暖在1.5℃以内，可以便东亚地区极端高温事件强度的增幅减少35％-38％，频率的增幅减少约37％，持续时间的增幅减少39％-46％。在东亚的子区域中，相较于2℃增暖，控制全球增暖在1.5℃以内，极端高温事件频率、强度和持续时间的增幅减少最明显的区域是蒙古地区，为37％-49％。因此，从减少极端高温气候影响的角度出发，控制全球增暖在1.5℃以内对东亚地区是有益且有必要的。
二、全球增暖背景下动力作用和热力作用对东亚地表气温及极端温度事件变化的贡献
利用动力调整方法，基于地球系统模式大样本集合(CESM-LE)试验结果，定量分析了未来增暖情景下动力作用和热力作用对东亚冬季和夏季地表气温以及极端温度变化的贡献。结果表明，在RCP8.5排放情景下，到21世纪末，东亚区域平均冬季地表气温相较于工业革命前将升高7℃，其中动力作用相关部分升高1.9℃，约占27％。当前气候中的极端冷月主要是动力作用导致的。随着全球增暖，动力作用造成的极端低温强度减弱，有利于东亚发生大范围极端冷月事件的环流型发生频率减少。到2030年左右，在热力作用和动力作用的共同影响下，低于当前气候中最冷5％冬季月地表气温阈值的月份将不再出现。全球增暖背景下东亚区域平均夏季地表气温的增加主要是热力作用的贡献。在RCP8.5排放情景下，到21世纪末，夏季东亚区域平均地表气温相较于工业革命前将升高6.1℃，动力作用相关部分仅升高0.5℃，约占8％。不过，动力作用对中国西北和蒙古西部部分地区夏季地表气温的变化有较明显的贡献，占总增暖幅度的30％左右。在2005年以前，动力作用对西北地区极端暖月的贡献大于热力作用。随着未来全球平均温度不断升高，有利于西北发生极端暖月事件的环流型更容易出现。
三、全球增暖背景下华北极端高温的变化及其原因
华北地区的极端高温(EH)受到大尺度环流以及地形的共同影响，可以分为焚风类EH和非焚风类EH。在评估区域海气耦合模式对华北EH具有较好模拟能力的基础上，基于其对RCP8.5情景下气候变化的降尺度模拟结果，利用Freq95EH(高于当前气候中日最高气温第95百分位值)和Int95EH(高于各自时段日最高气温第95百分位值)这两个不同指标，考察了未来增暖情景下华北EH的可能变化。结果表明，在RCP8.5排放情景下，到了21世纪中期，华北夏季有四分之一的时间将会发生Freq95EH，其中每年焚风类和非焚风类Freq95EH天数将分别增加10.7天和7.4天。未来增暖情景下增加的辐射强迫使Freq95EH更容易发生。到21世纪中期，华北夏季平均日最高气温将升高2.39℃，对应的焚风类Int95EH和非焚风类Int95EH天日最高气温的增幅分别为2.57℃和2.24℃。此外，焚风类Int95EH的比例在增暖情景下将会增加。和当前气候相比，在未来增暖情景下，中国北部上空水平风场将会减弱，东亚夏季风环流将会增强，Int95EH天的反气旋异常将减弱，使大尺度环流异常对华北EH的贡献减小;中国北部上空的水平风场季节内变率将增强，华北上空的西北风异常更容易发生，使局地有利的地形对华北EH的贡献增加。
四、全球增暖1.5℃和2℃平衡状态下东亚极端降水事件的变化
利用CESM1.5℃和2℃平衡状态下的预估试验数据，本文分析了相较于工业革命前，全球温升1.5℃和2℃时，东亚地区极端降水事件的变化，同时，对比了允许全球增暖在21世纪中期短暂超过1.5℃，而后使全球增暖水平在21世纪末降回到1.5℃对东亚地区极端降水的影响。结果表明，在1.5℃和2℃温升情景下，东亚大部分地区平均降水强度都将显著增加，和1.5℃温升相比，对于东亚大部分地区而言，允许全球增暖短暂超过1.5℃不会使平均降水强度显著增加。东亚大部分地区干天(湿天)在未来增暖情景下将减少(增加)。不同强度降水的强度和频率在未来增暖情景下都将增加，极端降水的增幅大于一般降水的增幅。东亚的子区域中，中国和日本地区极端降水频率和强度的增幅大于其他子区域。和2℃温升相比，控制全球增暖一直在1.5℃以内，可以减少东亚地区极端降水增幅的26％-31％，大多数极端降水指标表明，减小最明显的区域是日本地区，为38％-54％。允许全球增暖短暂超过1.5℃将给蒙古、朝鲜半岛和日本带来明显影响。如果严格控制全球增暖在1.5℃以内，将会使21世纪末这些地区极端降水事件强度和频率的增幅减少25％以上。因此，严格控制全球增暖在1.5℃以内可以明显减少与极端降水有关的气候灾害对东亚地区的影响。
五、全球增暖背景下华北极端降水的变化及其原因
考虑到东亚夏季风雨带的季节移动，结合华北地区雨发生的时间，将夏季等分为时段1(6月1日到7月16日)和时段2(7月17日到8月31日)。利用区域海气耦合模式对RCP8.5情景下气候变化的降尺度模拟结果，考察了未来增暖情景下华北极端降水的变化。结果表明，和时段2相比，时段1中极端降水的强度和频率的增幅更大。相较于当前气候，使用局地季节增暖标准化后的时段1和时段2中华北区域平均极端降水强度的增幅分别为9.7％/K和9.3％/K。对应地，时段1和时段2中极端降水频率的增幅分别为33.9％/K和18％/K。水汽收支诊断的结果表明，华北极端降水强度的增加主要是垂直水汽平流的贡献，其中，动力项(与环流变化有关)的贡献和热力项(与大气中水汽含量有关)的贡献基本相当。需要指出的是，时段1和时段2中极端降水强度在未来增暖情景下变化的物理机制相似。和当前气候相比，21世纪中期西北太平洋副热带高压增强并向西北移动，低层东亚夏季风环流增强，华北上空气流垂直上升运动增强，使华北地区极端降水增加。以当前气候中候平均降水为基准，和当前气候相比，21世纪中期华北雨季将提前到来4候(20天)左右、雨季将延长6候(30天)左右。