氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式和方法體系

高江波,焦珂?zhèn)?吳紹洪,郭靈輝

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 >2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院, 焦作 454000

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氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式和方法體系

高江波1,*,焦珂?zhèn)?,2,吳紹洪1,郭靈輝3

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 >2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院, 焦作 454000

以全球變暖為主的氣候變化將會在本世紀(jì)持續(xù),針對氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)而采取適應(yīng)和減緩措施,得到了國際社會的廣泛認(rèn)同。然而,氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究領(lǐng)域理論和方法并不規(guī)范,研究結(jié)果缺乏可比性?；诳茖W(xué)哲學(xué)家?guī)於魈岢龅睦碚摲妒胶蜆?gòu)造范式概念,梳理、集成氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的“脆弱性-要素分離-不確定性-風(fēng)險(xiǎn)”理論框架,總結(jié)相應(yīng)的方法體系包括實(shí)地觀測與科學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模型和統(tǒng)計(jì)方法、風(fēng)險(xiǎn)定量化評估框架等。氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究應(yīng)遵循理論范式“四要素”的邏輯關(guān)系,綜合運(yùn)用多種分析方法,力求相關(guān)研究的整體性和系統(tǒng)化,以利增強(qiáng)氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的科學(xué)性及其成果的應(yīng)用指導(dǎo)意義。

氣候變化影響；研究范式；理論范式；分析方法

過去三十多年,國際科學(xué)界突出氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究[1- 2],以界定氣候變化的利弊影響、定量評估未來風(fēng)險(xiǎn),為制定應(yīng)對氣候變化政策和行動提供強(qiáng)有力的科技支撐[3- 4]。尤其是,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)組織編寫的五次氣候變化評估報(bào)告,凝練和評估了氣候變化科學(xué)的最新進(jìn)展,對推動氣候變化事實(shí)及其影響研究的深入發(fā)展、擴(kuò)大政府和公眾對氣候變化的科學(xué)認(rèn)知做出了重大貢獻(xiàn)。當(dāng)前以應(yīng)對全球環(huán)境變化為主線的“未來地球(Future Earth)”計(jì)劃,旨在進(jìn)一步定量揭示氣候長期變化對自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類社會發(fā)展的重要影響,為地球環(huán)境的管理決策服務(wù)[5]。我國政府和科技界同樣高度重視氣候變化問題,迄今已發(fā)布三次《氣候變化國家評估報(bào)告》,其第二部分重點(diǎn)評估氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究領(lǐng)域的最新成果,力求為應(yīng)對氣候變化工作提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在科學(xué)發(fā)展的推動和社會需求的刺激下,氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)已成為全球變化研究的前沿領(lǐng)域,近幾十年來得到了蓬勃發(fā)展[6- 8]。但是,IPCC氣候變化評估報(bào)告和我國發(fā)布的《氣候變化國家評估報(bào)告》均顯示,目前氣候變化影響研究比較分散,尤其是未來風(fēng)險(xiǎn)定量評估薄弱；脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)的綜合評估理論落后,數(shù)據(jù)資料、模型方法、時(shí)空尺度缺乏可比性；評估技術(shù)體系不完善、應(yīng)用過程需規(guī)范?？傊?對氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究科學(xué)理論和方法體系并未充分重視,制約了該領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展,阻礙推進(jìn)對氣候變化影響和風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識的深化。鑒于此,本文借鑒庫恩的范式理論[9],對氣候變化影響和風(fēng)險(xiǎn)研究的理論和方法進(jìn)行挖掘、梳理、凝練和集成,以利推進(jìn)科學(xué)理論、方法和技術(shù)體系的規(guī)范化和科學(xué)化。

1 氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式

從廣義上講,范式是研究思維與方法的集成,是科學(xué)群體所認(rèn)可的概念、方法和科學(xué)體系。英國學(xué)者瑪格麗特·瑪斯特曼將庫恩的范式概括為3個(gè)方面[10]：一是作為一種信念、形而上學(xué)思辨, 它是哲學(xué)范式或元范式；二是作為一種科學(xué)習(xí)慣、學(xué)術(shù)傳統(tǒng)、具體的科學(xué)成就,稱為社會學(xué)范式或理論范式；三是作為一種依靠本身成功示范的工具、解疑的方法、或是用來類比的圖像,即人工范式或構(gòu)造范式。盡管范式的首要含義在哲學(xué)方面,然而庫恩的創(chuàng)見和獨(dú)到之處則在于范式的社會學(xué)含義和構(gòu)造功能。庫恩的社會學(xué)范式在應(yīng)用模型和形而上學(xué)之間建立起一種新的相互關(guān)系,解決了從一般哲學(xué)理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H科學(xué)議題的途徑問題[11]。

本文運(yùn)用范式的后兩種含義,即理論范式與構(gòu)造范式(分析方法),首先提出氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式：以評估領(lǐng)域響應(yīng)氣候變化的脆弱性為基礎(chǔ),重點(diǎn)是分離氣候因子在研究對象變化中的貢獻(xiàn),并以不確定性和復(fù)雜性分析為關(guān)鍵,最終實(shí)現(xiàn)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估的目標(biāo)。這里所闡述的只是一般范式的范圍,在氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的不同發(fā)展階段,上述各組成部分相對地位、側(cè)重方面不同,如前期對不確定性關(guān)注較少,影響程度定量分離也不夠深入。本部分從概念/內(nèi)涵剖析及其應(yīng)用案例角度對理論范式各組分進(jìn)行論述。

1.1 脆弱性評估

IPCC一直強(qiáng)調(diào)脆弱性在受體響應(yīng)氣候變化研究中的重要性,如在其第五次評估報(bào)告中進(jìn)一步明確脆弱性內(nèi)含的各種概念和要素,包括對危害的敏感性或易感性以及應(yīng)對和適應(yīng)能力的缺乏[1],通常敏感性越高,適應(yīng)性越弱,系統(tǒng)越脆弱,反之亦然。脆弱性可以分為自然脆弱性和社會脆弱性,前者反映受體自然屬性的特征,后者是描述整個(gè)社會系統(tǒng)在氣候變化影響下可能遭受損失的一種性質(zhì)。系統(tǒng)脆弱性是氣候變化對自然和社會系統(tǒng)造成影響的內(nèi)在原因,脆弱性評價(jià)不僅有利于科學(xué)家和決策者理解環(huán)境變化的影響,了解脆弱系統(tǒng)分布、脆弱性表現(xiàn)以及脆弱性成因,而且是氣候因子影響程度辨識以及氣候變化風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)。

通過總結(jié)各國學(xué)者對脆弱性的研究,Füssel對情景、時(shí)空尺度、脆弱性概念進(jìn)行了規(guī)范,界定了脆弱性評估的六個(gè)維度(表1)[12]。進(jìn)而,針對自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)兩個(gè)領(lǐng)域,Klein和Nicholls提出了脆弱性評估系統(tǒng)思路(圖1)[13],這一框架比IPCC提出的包含七個(gè)步驟的氣候變化影響評估技術(shù)路線[14]更具操作性?；诖嗳跣栽u估理論框架,我國學(xué)者對農(nóng)業(yè)、水資源、自然生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化的脆弱性已開展系統(tǒng)分析并獲得初步結(jié)論[15-18]。例如,研究發(fā)現(xiàn),對比水稻產(chǎn)量隨平均溫度上升1℃、日較差升高1℃發(fā)生的變化,輻射下降10%導(dǎo)致水稻脆弱區(qū)范圍最大。

表1 系統(tǒng)脆弱性評估界定的6個(gè)方面[12]

圖1 氣候變化脆弱性評估的概念框架(改自文獻(xiàn)[13])Fig.1 A conceptual framework for climate change vulnerability assessment (redrawn from ref.[13])

1.2 氣候因子影響程度辨識

相對于系統(tǒng)脆弱性而言,氣候變化和人類活動共同作用是不同評估領(lǐng)域動態(tài)變化與空間異質(zhì)的外在驅(qū)動,因而基于脆弱性研究成果,在已檢測的變化趨勢中能否分離出氣候變化的影響程度,成為制約適應(yīng)行動有效開展的瓶頸。IPCC第五次評估報(bào)告更加強(qiáng)調(diào)氣候變化影響的分離,指出氣候變化對自然系統(tǒng)影響的證據(jù)是最全面的,對于人類系統(tǒng)的某些影響也可在一定程度上歸因于氣候變化[1]。我國重點(diǎn)領(lǐng)域氣候變化影響程度分離工作總體欠缺,導(dǎo)致對氣候變化影響程度與范圍的評價(jià)存在較大的不確定性,當(dāng)前僅對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量變化和水資源演化過程中氣候與非氣候因素的作用程度進(jìn)行定量分離。例如,陶福祿等揭示了品種、管理、氣候變化及各氣候變量等因子對過去30年作物物候和產(chǎn)量變化的貢獻(xiàn)[19]；一些學(xué)者對中國實(shí)測徑流減少最為明顯的海河流域、黃河中游和遼河流域河川徑流變化的進(jìn)行歸因[20-21]。

氣候變化往往綜合作用于自然和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng),因而其影響與風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)綜合交叉的特征。我國《第三次氣候變化國家評估報(bào)告》在農(nóng)業(yè)、森林與其他自然生態(tài)系統(tǒng)的章節(jié)[2],對于評估領(lǐng)域與其他部分的交互作用進(jìn)行初步剖析,如指出氣候變化對農(nóng)業(yè)的影響與水資源受到的影響密切相關(guān),而要解決水資源的問題,又可能涉及到自然生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)服務(wù)。IPCC第五次評估報(bào)告[1]進(jìn)一步指出,與氣候有關(guān)的危害通過影響生計(jì)、減少農(nóng)作物產(chǎn)量或毀壞民宅等方式直接影響貧困人口的生活,并通過諸如糧食價(jià)格上漲和糧食安全風(fēng)險(xiǎn)增加等間接影響其福祉(高信度)。因此,應(yīng)研發(fā)跨部門、跨領(lǐng)域的綜合評估模式,建立環(huán)境、生態(tài)、社會、經(jīng)濟(jì)的聯(lián)系,增強(qiáng)氣候變化影響的鏈?zhǔn)絺鬟f關(guān)系與影響程度辨識研究。

1.3 不確定性分析

氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究中的不確定性來源主要包括：一是觀測信息依然匱乏,二是對氣候變化以及受體響應(yīng)過程和機(jī)理認(rèn)識不足,三是核心技術(shù)和方法亟待完善。因而對于評估中有關(guān)脆弱性、氣候影響分離、未來風(fēng)險(xiǎn)等發(fā)現(xiàn)的確定性程度的判斷,取決于證據(jù)(包括數(shù)據(jù)、機(jī)理認(rèn)識、理論、模式、專家判斷等)的類型、數(shù)量、質(zhì)量及其一致性程度[1]。

對于氣候變化的基本事實(shí)和演化趨勢而言,由于氣候系統(tǒng)過程與反饋極其復(fù)雜,對當(dāng)前的氣候系統(tǒng)缺乏足夠的科學(xué)認(rèn)識[22],現(xiàn)有各種氣候模式對地球輻射能量平衡、云及降水等的模擬差別較大,不確定性強(qiáng),對未來氣候情景預(yù)估難以令人信服[23-24]。在受體響應(yīng)氣候變化的脆弱性研究方面,適應(yīng)性的存在使系統(tǒng)不同組分之間及組分與外界環(huán)境之間形成反饋,進(jìn)而促使整個(gè)系統(tǒng)隨著氣候的變化而調(diào)節(jié)自身的行為和結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)出顯著的不確定性和復(fù)雜性特征(包括非線性、臨界性等)[25]。例如,融合升溫和碳施肥實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬和分析技術(shù),發(fā)現(xiàn)隨著CO2濃度升高,植物光合作用的最適溫度增加[26-27]、光合速率提高[28],但同時(shí)高溫可能導(dǎo)致作物減產(chǎn),隨著溫度的進(jìn)一步升高甚至可能迫使系統(tǒng)逆向演替[29-31]。

物理機(jī)制模型的適用性和不確定性尚需深入研究,這包括受體適應(yīng)過程及其時(shí)空異質(zhì)性導(dǎo)致對模型特征、前提假設(shè)和約束條件的認(rèn)識不足；基于站點(diǎn)尺度的模型對于區(qū)域尺度氣候變化影響的模擬存在尺度轉(zhuǎn)換的難題。Walker等[32]將基于機(jī)理模型模擬的不確定性歸納5個(gè)方面：背景、初值、模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)、模擬技術(shù)。因此,當(dāng)使用氣候變化情景數(shù)據(jù)驅(qū)動領(lǐng)域評估模型以評價(jià)氣候變化影響和風(fēng)險(xiǎn)時(shí),不確定性呈近似瀑布狀傳播[32-33]。進(jìn)而,由于受體響應(yīng)過程的復(fù)雜性、評估數(shù)據(jù)與模型應(yīng)用的適用性等問題的綜合效應(yīng),氣候變化影響程度定量分離、未來風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估等工作中的不確定性會進(jìn)一步放大。

1.4 風(fēng)險(xiǎn)識別與評估

圖2 氣候變化風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成Fig.2 Components for climate change risk

對氣候變化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別和定量評估是風(fēng)險(xiǎn)管理和適應(yīng)氣候變化的基礎(chǔ)科學(xué)問題。IPCC第五次評估報(bào)告將風(fēng)險(xiǎn)表述為危害性事件或趨勢發(fā)生的概率乘以這些事件或趨勢造成的后果[1],體現(xiàn)了脆弱性、暴露量和危險(xiǎn)性綜合作用的結(jié)果。與傳統(tǒng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)相類比,氣候變化與極端事件可視為風(fēng)險(xiǎn)源；承險(xiǎn)體為受氣候變化和極端事件影響的社會經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境,其中暴露度為承險(xiǎn)體的“量”,脆弱性則反映了承險(xiǎn)體的“質(zhì)”(圖2)。氣候變化風(fēng)險(xiǎn)最基本的性質(zhì)可歸納為未來性、不利性和不確定性,即分別從時(shí)間的角度、后果的角度以及后果的表征上揭示氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)特征[34]。

IPCC第五次評估報(bào)告特別指出由于非氣候因子和多方面不公平造成的脆弱性和暴露度的差異導(dǎo)致了氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的不同,尤其是在社會、經(jīng)濟(jì)、文化、政治、體制上或其它方面被邊緣化的人們通常對氣候變化影響以及對某些氣候變化適應(yīng)與減緩響應(yīng)是高度脆弱的,而且由于人類和自然系統(tǒng)的相互聯(lián)系,其未來響應(yīng)的脆弱性、暴露度的不確定性很大。風(fēng)險(xiǎn)評估方法[35]可將影響評價(jià)的不一致結(jié)果納入風(fēng)險(xiǎn)評估框架之內(nèi),在充分考慮氣候變化影響評價(jià)中不確定性的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)可能遭受的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量或定性描述,從而將風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與決策制定耦合起來。

同時(shí),在IPCC評估報(bào)告中,突出強(qiáng)調(diào)了“關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)”的概念,即社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)暴露于高危險(xiǎn)或呈現(xiàn)高脆弱度時(shí)的氣候變化風(fēng)險(xiǎn),其界定標(biāo)準(zhǔn)包括：影響幅度大、概率高或不可逆,影響的時(shí)機(jī),風(fēng)險(xiǎn)造成的持續(xù)暴露及脆弱,通過適應(yīng)或減緩降低風(fēng)險(xiǎn)的潛力有限；并指出當(dāng)前已在人體健康、基礎(chǔ)設(shè)施、糧食安全、生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域檢測出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)。相比而言,我國學(xué)者對于風(fēng)險(xiǎn)的研究要薄弱得多,如在《第三次氣候變化國家評估報(bào)告中》,大部分相關(guān)內(nèi)容為評估領(lǐng)域未來演化趨勢預(yù)估,對于關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)識別與風(fēng)險(xiǎn)定量評估顯得欠缺。

2 氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的方法體系

目前國內(nèi)外已經(jīng)形成了豐富的氣候變化影響研究方法,如通過實(shí)驗(yàn)、模型、對比等手段揭示脆弱性,通過統(tǒng)計(jì)與數(shù)值分析方法辨識受體變化過程中的氣候影響程度,借助數(shù)值模式進(jìn)行未來風(fēng)險(xiǎn)的識別與預(yù)估,采用統(tǒng)計(jì)方法分析氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的不確定性。這些方法歸納起來,大致分為：根據(jù)清查、普查、遙感等的觀測技術(shù),借助實(shí)驗(yàn)裝置的模擬技術(shù),氣候、生態(tài)、水文、作物等數(shù)值模式與統(tǒng)計(jì)模型,脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)評估分析框架等。此外,IPCC發(fā)布的6次評估報(bào)告以及國內(nèi)完成的3次氣候變化國家評估報(bào)告,高度集成了近年主要領(lǐng)域氣候變化影響研究成果,為影響與風(fēng)險(xiǎn)評估提供了某種標(biāo)桿。

2.1 實(shí)地觀測與科學(xué)實(shí)驗(yàn)

2.1.1 觀測技術(shù)

隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展,對陸地表層變化信息的獲取實(shí)現(xiàn)了前所未有的覆蓋度,獲得了全球高時(shí)空精度的監(jiān)測資料[36],再加上各類社會經(jīng)濟(jì)普查資料和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),促使氣候變化影響從過去對地理環(huán)境變化現(xiàn)象的定性分析轉(zhuǎn)向抽象概括、定性與定量相結(jié)合。如在IPCC評估報(bào)告中集成近40年各地自然系統(tǒng)(冰雪、凍土、水文和海岸帶)和生物系統(tǒng)(陸地、海洋、淡水生物系統(tǒng))的約29000個(gè)資料序列,揭示自然和生物系統(tǒng)發(fā)生的顯著變化,如冰凍范圍退縮及伴生的冰川湖泊擴(kuò)張、河湖水溫升高而影響水環(huán)境、陸地生態(tài)系統(tǒng)中春季物候提前、物種向兩極和高海拔地區(qū)推移、海平面上升導(dǎo)致海岸帶災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大、海溫升高導(dǎo)致珊瑚更加脆弱,等等[37]。此外,諸如樹輪生態(tài)學(xué)等的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)展了氣候變化影響研究的時(shí)間跨度[38]。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)技術(shù)

近年來,各種實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置和技術(shù)在氣候變化對動植物影響研究領(lǐng)域得到迅速發(fā)展,例如,借助不同生態(tài)系統(tǒng)的開頂式同化箱(OTC)升溫實(shí)驗(yàn)、自由CO2氣體施肥實(shí)驗(yàn)(FACE)、移地實(shí)驗(yàn)(TSSV)和多因子控制實(shí)驗(yàn),揭示氣候變化下的植物生理生態(tài)學(xué)效應(yīng)以及種群或群落的脆弱性。然而,這些實(shí)驗(yàn)大多基于CO2濃度加倍、溫度升高等進(jìn)行單因子變化的影響研究[39-40],綜合考慮CO2濃度升高、增溫、降雨量和輻射變化等多因子組合,客觀分析全球氣候變化影響過程的研究仍較少[41-45]。此外,該類技術(shù)的應(yīng)用過程中,如何將典型物種研究成果應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)、景觀或區(qū)域尺度,尚需深入研究?？傊?觀測和實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平的提高從根本上推進(jìn)了氣候變化影響的機(jī)制研究,拓展了對陸地表層要素與格局變化的認(rèn)識。

2.2 數(shù)值模型和統(tǒng)計(jì)方法

2.2.1 氣候模式與評估領(lǐng)域模型

氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究中的數(shù)值模型包括：全球/區(qū)域氣候模型；生態(tài)、水文、作物等領(lǐng)域評估模型。歷史氣候數(shù)據(jù)可通過氣象站點(diǎn)觀測資料插值、遙感反演、代用資料氣候重建等手段,但對于未來氣候變化情景,主要依靠氣候模式,包括全球氣候模式(GCM)和基于動力降尺度的區(qū)域氣候模式(RCM)。統(tǒng)計(jì)降尺度常與RCM同時(shí)使用,以考察降尺度方法本身的不確定性。在此基礎(chǔ)上,對未來氣候變化的預(yù)估還依賴于溫室氣體排放情景,當(dāng)前尤以IPCC在第五次評估報(bào)告應(yīng)用的典型排放濃度路徑(RCPs)情景為代表[46]。

領(lǐng)域機(jī)理模型被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域氣候變化的影響評估及對未來風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)估,包括區(qū)域生物地球化學(xué)模型(CENTURY、SIB2)、動態(tài)植被模型(IBIS、LPJ)、農(nóng)業(yè)作物模型(DSSAT、CERES、SUBSTOR)、分布式水文水資源模型(VIC、SWAT)等(表2)。各類模式在過程細(xì)化、模塊擴(kuò)展、領(lǐng)域交叉等方面不斷改進(jìn)完善。例如,傳統(tǒng)的“平衡生態(tài)模型”在預(yù)測陸地生態(tài)系統(tǒng)未來變化方面表現(xiàn)出局限性,動態(tài)植被模型的出現(xiàn)為解決這一問題提供了有效途徑,它們可模擬植被的生理過程、演替過程、植被物候和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等過程,綜合考慮全球變化和人為干擾對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不同影響及其“時(shí)滯效應(yīng)”,有助于更合理地模擬氣候變化下陸地生態(tài)系統(tǒng)演變過程[47-48],該類模型已被用于我國生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評估[49]。

表2 部分領(lǐng)域氣候變化影響評估機(jī)理模型

(1)CASA: Carnegie-Ames-Stanford Approach; SIB2: Simple Biosphere Mode; TRIFFID: Top-down Representation of Interactive Foliage and Flora Including Dynamics; IBIS: Integrated Biosphere Simulator; LPJ: the Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model; VIC: Variable Infiltration Capacity; SWAT: Soil and Water Assessment Tool; DSSAT: Decision Support System for Agrotechnology Transfer; CERES: Crop Environment Resource Synthesis

針對領(lǐng)域機(jī)理模型應(yīng)用過程中存在的不確定性,基于區(qū)域尺度,選擇綜合集成方法進(jìn)行氣候變化影響的定量評估是一個(gè)可行的發(fā)展方向,包括推進(jìn)觀測實(shí)驗(yàn)、野外調(diào)查與多情景分析、多模型模擬、整體與個(gè)體相結(jié)合的綜合集成評估方法,以客觀揭示區(qū)域系統(tǒng)脆弱性和適應(yīng)性機(jī)制,進(jìn)而為發(fā)展有效的適應(yīng)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

2.2.2 統(tǒng)計(jì)方法

重點(diǎn)領(lǐng)域脆弱性及其影響的氣候歸因等領(lǐng)域中運(yùn)用的統(tǒng)計(jì)方法日漸豐富[19,21]。參數(shù)化的統(tǒng)計(jì)方法如聚類(系統(tǒng)聚類、模糊聚類等)、主成分分析等應(yīng)用最為廣泛,此外層次分析法、因子判別分析法、專家打分法、模糊綜合評判法、關(guān)聯(lián)樹法在農(nóng)業(yè)及水資源等領(lǐng)域的影響分離研究中也有采用。非參數(shù)化方法尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是區(qū)域評估工作常用的定量方法之一,近年來已逐步拓展了一些非參數(shù)化的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,如支撐矢量機(jī)、粗集方法等。除此之外,GIS的空間分析功能在氣候變化影響研究中同樣應(yīng)用廣泛,影響與風(fēng)險(xiǎn)的空間異質(zhì)性得到表達(dá)。

統(tǒng)計(jì)方法是剖析不確定性的重要手段。一些不確定性可用量化的度量表示(如不同模式計(jì)算值的一個(gè)變化范圍),而另一些不確定性可進(jìn)行定性描述,如體現(xiàn)一個(gè)專家組的判斷,可表述為對某些科學(xué)發(fā)現(xiàn)認(rèn)識的信度。IPCC第五次評估報(bào)告中處理不確定性的方法就有定性和定量兩種：信度法和概率法[46]。此外,不確定性的定量分析方法還包括：局部敏感性分析和全局敏感性分析、普適似然不確定性估計(jì)方法(GLUE)、集合模擬以及貝葉斯建模等[50]。由于綜合考慮了多種不確定因素,由集合模擬或貝葉斯分級建模產(chǎn)生的概率型氣候情景可以直接用于風(fēng)險(xiǎn)評估,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于風(fēng)險(xiǎn)的影響評估[51-52]。例如,Luo等人[53]綜合考慮了GCMs模式、溫室氣體排放情景、氣候敏感性及區(qū)域響應(yīng)等的不確定性,研究風(fēng)險(xiǎn)評估框架下氣候變化對南澳大利亞小麥產(chǎn)量的影響。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)定量化評估框架

基于氣候變化風(fēng)險(xiǎn)組成的三要素：氣候變化、受體脆弱性和暴露量,當(dāng)前實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)定量化的評估模型主要分為兩類：

第一類是建立在傳統(tǒng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型基礎(chǔ)上,風(fēng)險(xiǎn)的定量化程度是氣候變化與極端氣候事件的危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性與暴露量相乘的結(jié)果[54]。這類模型具有很好的研究基礎(chǔ),評價(jià)指標(biāo)意義明確,對適應(yīng)能力也有一定的考慮,但模型出發(fā)點(diǎn)側(cè)重于氣候的危險(xiǎn)性,如果對氣候變化影響機(jī)制,尤其是間接影響途徑不明確,將導(dǎo)致該類模型的應(yīng)用受到限制。通過構(gòu)建大尺度融合敏感性和適應(yīng)性的脆弱性曲線,此類氣候變化災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估模型,已被應(yīng)用我國重大氣象水文災(zāi)害(包括高溫、洪澇、干旱等)風(fēng)險(xiǎn)綜合定量評估中[55]。

第二類模型從系統(tǒng)的脆弱性出發(fā),基于系統(tǒng)可應(yīng)對范圍的臨界閾值,風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)式為：風(fēng)險(xiǎn)=P(脆弱性)[56],即脆弱臨界閾值被超越的概率。這類模型首先對系統(tǒng)的脆弱性進(jìn)行標(biāo)定,以數(shù)量大小或頻率等指標(biāo)進(jìn)行表征,進(jìn)而考察未來氣候變化是否會對既定脆弱性產(chǎn)生威脅,將超過既定標(biāo)準(zhǔn)事件(閾值)或其發(fā)生的概率表征為風(fēng)險(xiǎn)。這一風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)形式有利于實(shí)現(xiàn)在氣候危險(xiǎn)性難以度量、影響途徑復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)鏈不清晰的情況下的風(fēng)險(xiǎn)評估。例如,Wu等基于未來生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)功能預(yù)估,以脆弱性閾值標(biāo)定了氣候變化風(fēng)險(xiǎn)及等級[18]。

此外,指標(biāo)體系法常用于風(fēng)險(xiǎn)與脆弱性評估模型的建立[57],包括：(1)壓力指標(biāo),如升溫、降水減少和極端天氣等；(2)狀態(tài)指標(biāo),如生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生物多樣性、生態(tài)服務(wù)等; (3)響應(yīng)指標(biāo),如系統(tǒng)的適應(yīng)度、人類采取的適應(yīng)氣候變化風(fēng)險(xiǎn)的措施等。確定評價(jià)指標(biāo)體系后,一般運(yùn)用系統(tǒng)分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法將所研究的問題分成若干個(gè)有序的層次進(jìn)行評價(jià)。

3 結(jié)論與討論

本文對氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式和方法體系進(jìn)行歸納、剖析。一般來說,理論范式是一種研究過程中的邏輯演繹,是一個(gè)學(xué)科或方向構(gòu)建起來的主體框架；而分析方法則是實(shí)現(xiàn)理論的方法歸納,表現(xiàn)為計(jì)量分析和案例研究兩種形式,是豐富學(xué)科發(fā)展的重要工具[58]。推動氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論與方法的規(guī)范化,以提升相關(guān)研究科學(xué)性和系統(tǒng)性,可期為減緩極端事件造成的不利影響,實(shí)現(xiàn)有序適應(yīng)氣候變化提供科學(xué)支撐。

圖3 氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究理論范式與對應(yīng)的分析方法 Fig.3 Theory paradigms for research on climate change impacts and risks and their corresponding analysis methods

氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式,遵循“脆弱性-要素分離-不確定性-風(fēng)險(xiǎn)”的邏輯思路(圖3),即以脆弱性研究作為基礎(chǔ),分離不同氣候要素的影響程度,并以不確定性分析貫穿始終,最后形成氣候變化的過去影響和未來風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)研究中心。特別需要指出的是,氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)基于不同領(lǐng)域脆弱性特征的辨識,但這些領(lǐng)域往往受到氣候因素和人類活動的交叉作用,因而需加強(qiáng)氣候要素影響程度的分離,以利增強(qiáng)影響評估的科學(xué)性。由于認(rèn)識水平和分析工具的限制,目前并未有效區(qū)分出人類活動和其它非氣候因素的干擾貢獻(xiàn),導(dǎo)致我國對氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)程度和范圍的評價(jià)存在較大的不確定性,嚴(yán)重制約應(yīng)對氣候變化行動的實(shí)施效果。

在氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究開展的過程中,理論范式的4個(gè)要素相互促進(jìn)、互為反饋、邏輯演化。然而在當(dāng)前的研究過程中還沒有形成特定的系統(tǒng)化模式,多數(shù)研究只是從理論范式的某個(gè)環(huán)節(jié)入手,理論體系與邏輯框架的落實(shí)并不充分,例如風(fēng)險(xiǎn)研究僅僅是對未來趨勢預(yù)估,沒有結(jié)合脆弱性反映出定量評估結(jié)論[20]；不確定性分析多集中于不同模型的性能對比,對風(fēng)險(xiǎn)形成過程中不確定性傳遞的研究還很少[32]。理論范式所體現(xiàn)出來的鏈條式發(fā)展思路是確保研究工作完整性的必然要求,綜合對比不同領(lǐng)域氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域所完成的系列工作較為清晰的反映與貫徹上述理論范式：首先,應(yīng)用實(shí)地調(diào)查、案例研究、統(tǒng)計(jì)模型和綜合評估的方法,進(jìn)行農(nóng)業(yè)氣候脆弱性研究[19]；進(jìn)而,基于時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),借助統(tǒng)計(jì)模型和作物機(jī)理模型,在站點(diǎn)和區(qū)域尺度上識別氣候變化對不同農(nóng)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)[59]；最終,使用未來情景下農(nóng)作物產(chǎn)量的模擬值相對于基準(zhǔn)情景變化的累積概率對氣候變化影響的不確定性進(jìn)行分析,并對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別和定量評估[60-61]。

觀測技術(shù)、控制實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析及機(jī)理模型等方法是氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究理論范式實(shí)踐的支撐手段,在農(nóng)業(yè)、水資源、生態(tài)系統(tǒng)、海岸帶等領(lǐng)域中不斷創(chuàng)新發(fā)展。其中,觀測與實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以直接獲得大量的研究數(shù)據(jù),用以評價(jià)結(jié)果和驗(yàn)證假設(shè),但常常受限于客觀條件,與自然條件相比還存在較大差異,難以在大尺度上對復(fù)雜問題進(jìn)行系統(tǒng)研究。隨著人們對氣候變化影響過程認(rèn)識的不斷深化,數(shù)值與統(tǒng)計(jì)模型的研究得到了不斷的發(fā)展和完善,并將成為今后系統(tǒng)研究氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)的重要方法。然而模型在運(yùn)行的過程中需要進(jìn)行一系列假設(shè),對現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行簡化,這就會增大模擬結(jié)果的不確定性。因此在今后的研究中,應(yīng)采取多指標(biāo)的影響和風(fēng)險(xiǎn)綜合評估,充分利用觀測實(shí)驗(yàn)及歷史數(shù)據(jù)校正模型參數(shù),并實(shí)現(xiàn)機(jī)理模型與區(qū)域氣候系統(tǒng)的耦合,綜合考慮多對象、多因素的影響,以減少研究過程中的不確定性。例如,基于樣帶調(diào)查和空間分析,使用多情景分析協(xié)調(diào)配合,辨識氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)影響的脆弱性及適應(yīng)性[62]。

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Theory paradigm and a methods system for research on climate change impacts and risks

GAO Jiangbo1,*, JIAO Kewei1,2, WU Shaohong1, GUO Linghui3

1KeyLaboratoryofLandSurfacePatternandSimulation,InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China

Adaptation and mitigation measures against climate change impacts and risks, especially global warming threats, have been widely accepted by the governments, scientists, and organizations. However, theories and methods for assessing climate change impacts and risks are not standardized, causing incomparable results for different sectors. Based on the conception of social and structural paradigms developed by Kuhn, this study first proposed the theory paradigm for research on climate change impacts and risks according to the logical ideas of “Vulnerability Separation Uncertainty Risks,” and then summarized the corresponding analysis methods, including observations, experiments, models, statistics, and the framework of quantified risk assessment. Furthermore, based on the transferring logic of the four components of theory paradigm, systematic research on the climate change impacts and risks can be accomplished with synthetic application of different analysis methods. This study could be helpful in the advancement of studies on climate change impacts and risks, and enhance their application in tackling climate change.

climate change impacts; research paradigm; theory paradigm; analysis methods

10.5846/stxb201601080052

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41530749, 41301089)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃課題(2015CB452702)；國家十二五科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC19B10, 2013BAC04B02)

2016- 01- 08; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 08- 30

高江波,焦珂?zhèn)?吳紹洪,郭靈輝.氣候變化影響與風(fēng)險(xiǎn)研究的理論范式和方法體系.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(7):2169- 2178.

Gao J B, Jiao K W, Wu S H, Guo L H.Theory paradigm and a methods system for research on climate change impacts and risks.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2169- 2178.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gaojiangbo@igsnrr.ac.cn