2022年8月16日，斯洛文尼亞新戈里察維帕瓦山谷枯萎的玉米作物。來源：Zeljko Stevanic / Alamy Stock Photo (2JPHB7D)

氣候變化對全球糧食安全構成威脅。極端天氣和氣候，如長期乾旱、暴雨和熱浪，可能導致歉收。在地球不斷變暖的情況下，這些事件的嚴重程度和發生頻率都在加劇。

此外，這類事件還可能擾亂供應鏈，減少糧食供應並導致價格飆升。

我們此前的研究表明，當極端天氣事件同時發生時（比如熱浪和乾旱同時出現），可能會對被稱為“糧倉”（Breadbaskets）的主要作物產區的產量產生負面影響。

這種複合型極端天氣事件造成了日益嚴重的糧食安全風險。

我們在發表於《自然-通訊》（Nature Communications）上的最新論文中，強調了可能同時導致多個產糧區作物減產的因素。我們還研究了最先進的氣候和作物模型在多大程度上能夠再現觀測到的關係。

我們發現，氣候模型往往低估了複合型極端天氣事件的風險，這可能會導致我們對未來影響的理解出現“盲點”。

複雜的氣候風險

在不斷變化的氣候條件下，保證全球糧食安全是一項全球性挑戰。

要想成功應對該挑戰，人們需要對未來氣候條件進行可靠的預測，以製定合理的預防性適應措施。

從事這種評估並非易事。它們依賴於結合氣候模型和作物模型的“耦合”實驗。為充分了解風險，研究者還必須對各種排放情景進行預測。

極端氣候雖然罕見，但影響巨大。我們確定未來農業氣候風險的準確性取決於氣候模型準確再現極端氣候事件頻率和規模的能力，以及作物模型在模擬作物反應方面的準確性。

研究表明，作為極端天氣趨勢愈演愈烈的直接後果，氣候風險正日趨複雜，多個極端事件相互作用。

更多和更持久的極端天氣意味著，連續氣候災害發生的可能性上升。

例如，兩個颶風連續襲擊同一地區、同一地點同時發生多種不同的災害（如熱浪和乾旱並存）或全球同時發生多種災害（如多個地區的熱浪）。

這種“複合型”天氣事件通常會產生更大的影響，往往超過每種災害單發時的影響總和。相互作用的影響給現有的脆弱地點，以及備災和救災措施帶來額外的壓力。

例如，如果熱浪與嚴重干旱同時發生，就會對當地的農作物生產造成災難性打擊。一個地區持續遭遇熱浪會導致作物歉收，而這些作物在經歷單次熱浪時可能得以存活。

“糧倉”

從全球糧食安全的角度來看，複合型極端天氣問題尤其嚴重，因為它們可能導致多個作物產區（即“糧倉”）同時歉收。

因此，嚴重依賴糧食進口的國家可能會面臨更嚴重的糧食不安全問題，因為全球糧食短缺可能導致價格飆升，甚至導致一些國家設置出口禁令。

中緯度地區被稱為“糧倉”的主要作物生產區（綠色）；噴射氣流位於其常見位置之一（紫色）；斜線區域分別代表受到正（紅色）負（紫色）距平影響。來源：Kai Kornhuber

許多糧倉（如北美中部、西歐和東歐以及亞洲）都位於中緯度溫帶氣候區。在這些地區，天氣模式受噴射氣流（又稱高速氣流；Jet stream）控制，這是一種環繞地球的高速氣流帶。

在過去幾年中，一些最不尋常的氣候事件展現了噴射氣流在驅動極端天氣現象方面的重要作用。

2021年，位於北美的太平洋西北地區出現創紀錄的“熱穹”（Heat dome），引發了野火，造成數百人死亡，這與噴射氣流中強烈的“脊”直接相關。這導致高壓系統在該地區上空徘徊。與之類似的是，2018年和2019年歐洲破紀錄的熱浪也與蜿蜒曲折的噴射氣流有關。

這些蜿蜒氣流也被稱為羅斯貝波（Rossby waves）。它們通常會在全球大範圍內展開，從而推動多個地區同時出現極端天氣。2022年北半球夏季，一條劇烈蜿蜒的射流導緻美國、歐洲和中國同時出現極端天氣，當時媒體迅速指出了這些熱浪之間的相互聯繫。

下圖顯示了2022年7月18日這一周北半球的表面溫度距平，紅色表示高於平均溫度的地區。五個熱浪（見圓圈）的同時出現係由蜿蜒的噴射氣流造成。

圖為2022年7月18日開始的一周的地表溫度距平，紅色表示溫度較高。五個圈出區域由於噴射氣流的蜿蜒而同時經歷高溫。來源：UK Met Office (2022)

我們此前的研究表明，某些噴射氣流模式不僅會增加極端天氣事件的發生，還會對主要糧倉地區的作物產量產生負面影響。

在本篇論文中，我們表明在有劇烈蜿蜒的噴射氣流模式的夏季，幾個主要作物產區易同時出現歉收。在某些地區這種事件發生的概率增加了三倍。這對糧食安全構成風險。

蜿蜒的噴射氣流

考慮到噴射氣流對天氣和氣候事件的重要性，以及這些極端天氣事件對農業生產等社會系統造成的巨大影響，如何量化其對氣候變化的反應是一個亟待解決的重要問題。

此前研究表明，未來的氣候變化將導致持續極端天氣的增加。迄今為止，觀測結果還沒有證實劇烈蜿蜒的噴射氣流頻率可能發生變化。然而，即便其頻率不變，不斷上升的背景溫度也將使與這種模式相關的熱浪影響更大。

我們的新研究著眼於1960年至2014年期間，在蜿蜒的噴射氣流事件中觀察到的作物產量下降。我們將觀測結果與哥白尼/歐洲中期（Copernicus/ECMWF）全球大氣再分析產品（ERA5）驅動的的作物模型，以及第六次耦合模型比較計劃（CMIP6）最新的作物-氣候耦合模型進行了比較。

除了研究模型再現歷史數據的能力，我們還研究了在SSP5-8.5情景下，噴射氣流在2045年至2099年的響應。SSP5-8.5是研究下個世紀的世界可能發生何種變化的一系列“路徑”之一。通過該方法，我們能夠討論作物響應模型鏈中不確定性的來源。

在現有的全套路徑中，SSP5-8.5近乎是不受限制的變暖的最壞情景，許多人可能認為其並不現實。

但是，正是由於這種情景的極端性，才使其有助於比較模型和觀測結果的影響。我們的結論並非基於這一特定預測，而是具有更普遍的意義。

低估

我們的研究結果表明，在SSP5-8.5極高排放情景下，氣候模型並沒有顯示出蜿蜒射流頻率的顯著增加。

最為重要的是，我們發現，雖然目前的氣候模型展現了蜿蜒射流的位置和強度，但它們不能準確地再現局部溫度距平的大小。因此，這低估了這些蜿蜒氣流對極端天氣事件的影響。

這種低估情況在以前的氣候模型中已被證明，但我們的研究顯示，在用於研究影響的最新一代模型中，類似問題依然存在。

此外，我們還確定了在因這些蜿蜒氣流而導致的區域氣候平均變化之外，還可能經歷高溫放大的地區。北美和西伯利亞最近遭遇了異常極端天氣的影響，它們面臨更高的風險。

面臨挑戰

人們普遍認為，氣候模型在描繪極端天氣事件時可能會遇到困難。

要了解與氣候變化相關的複雜風險，就必須精確地展現極端天氣事件的位置、規模、頻率和時間。所有這些在未來如何變化將取決於不同的排放情景。

雖然氣候模型預測了地球系統對持續溫室氣體排放的平均響應，但我們的分析表明，這些模型可能低估了同時發生的極端天氣事件對區域作物產量的潛在影響，以及它們面臨共同歉收的後果。

在過去許多破紀錄的極端天氣事件中，噴射氣流中的駐波是重要因素，例如2021年夏季影響太平洋西北地區的熱浪。準確展現與這種模式相關的表面溫度距平，對於理解這些極端事件的加速趨勢至關重要。

我們的研究表明，目前的氣候風險評估可能忽略了多個極端事件複雜的相互作用中處於高風險的行業和地區，這些極端事件通常與大氣中的動力機制和氣候變化有關。

這突出表明，目前亟待進行更多實證和基於過程的研究，以改進與氣候和農業有關的模型。

氣候模型對同步發生的歉收以及其他高風險地區的低估，突顯出如果不迅速減少排放，極端氣候的複雜性可能會增加，甚至達到失控的程度。

來源:碳中和專委會