新暖化情境：全球增溫1.5℃與2℃情境設定
作者：王俊寓 國家災害防救科技中心 專案佐理研究員
童裕翔 國家災害防救科技中心 專案助理研究員
2015年聯合國氣候變遷綱要公約第21屆締約方會議 (COP21) 通過《巴黎協定》[1]，旨在「將全球平均溫度相較於工業化前水準上升幅度控制在低於2℃之內，且致力於將升溫限制在1.5℃」，並邀請聯合國政府間氣候變遷專門委員會 (IPCC) 提供一份相關報告，於是IPCC於2018年出版《全球暖化1.5℃》特別報告 (Special Report on Global Warming of 1.5℃，簡稱SR15)[2]，說明全球平均溫度相較於工業化前上升1.5℃的影響以及相關的溫室氣體排放途徑。
TCCIP計畫過去已整理過《全球暖化1.5℃》特別報告的相關內容，包含網站上「知識服務-摘要報告」轉載由台達電子文教基金會翻譯的決策者摘要，以及電子報第23期「封面故事」中進行重點摘錄，並初步應用至臺灣的氣候變遷衝擊的研究成果。本計畫持續進行增溫1.5℃和2℃情境設定與評估，根據CMIP5 [3] 氣候模式資料 (CMIP計畫的說明請參閱氣候知識FAQ) 以及臺灣區域的統計降尺度的結果[4] (統計降尺度資料的說明請參閱電子報第28期「封面故事」），分析臺灣未來的平均氣候狀態，包含溫度和降雨及相關的極端事件強度、頻率或持續時間的變化[5]，並且提供氣候資料與加值指標給不同領域使用者，如農漁業、公共衛生和水資源等領域，進行1.5℃和2℃情境下的氣候變遷衝擊模擬與評估。電子報第44期「封面故事」講述全球暖化下臺灣的豪雨災害對落花生產量的衝擊影響，即是增溫1.5℃與2℃情境的應用案例，而將來各領域的研究成果也會以危害衝擊圖資的形式呈現，如今 (2021)年上架的《臺灣氣候變遷關鍵指標圖集-水文應用指標篇》新增了1.5℃、2℃與４℃情境下的未來氣候變化，也可在網站上的調適百寶箱查詢到階段性的研究成果。
為何要使用1.5℃與2℃情境
過去IPCC評估報告從AR4、AR5到今 (2021) 年即將公布的AR6報告，使用的氣候模式與氣候變遷情境愈來愈多，這些情境是根據不同的社會經濟發展條件與人口成長情形，將會造成不同程度的溫室氣體、氣溶膠排放量來區分，而這些差異最終都會反映在溫度的上升趨勢，進而導致全球的氣候變遷。因此，若將氣候情境簡化為不同程度的未來增溫幅度，如即將發生的增溫1.5℃、在世紀中可能達到2℃，甚至將來暖化更嚴重的3℃、4℃等增溫情境，將有助於決策者瞭解不同增溫幅度下的衝擊程度，並以限制全球平均溫度上升1.5℃或2℃為目標，掌握正確的決策時間點，共同為減緩全球暖化目標而努力。
如何定義全球暖化1.5℃
IPCC SR15依《巴黎協定》提出的目標，將全球暖化1.5℃定義為「30年平均的全球平均溫度相較於工業化前上升1.5℃」。選擇30年平均是為了消除氣溫的短期自然波動，可反映一個時期的氣候平均狀態，也符合世界氣象組織 (WMO) 對於氣候平均的定義。全球平均溫度則是使用幾組可信度高的觀測資料作為依據 (註1)，至於選擇工業化前的溫度作為基線的原因是，當時的全球溫度變化還未受到人類活動的影響，主要是受氣候自然變異和其他作用力 (如火山爆發、太陽輻射的變化等) 所影響，直到20世紀人為活動才明顯導致全球暖化的加劇 (註2)。儘管由觀測資料所建立的統計模型可以較直觀地預測全球暖化1.5℃的時間 (註3)，但增溫1.5℃時的氣候變遷情形還是有賴氣候模式進行推估，而為了減少不確定性，報告中也提到以過去觀測到的溫度上升幅度，加上模式未來推估的增溫變化，估計到達增溫1.5℃的年份的方式[6] [7]。
由於本期計畫使用的CMIP5氣候變遷實驗，模式輸出的歷史模擬資料僅至2005年，因此選擇以1986-2005年作為基期，根據IPCC SR15使用的觀測資料顯示1986-2005年相較於工業化前已增溫0.63℃，只要根據氣候模式推估相較於基期再增溫0.87℃為門檻值，便能計算出全球平均溫度相較於工業化前上升1.5℃的年份，如表1所示。
表1、 本研究使用的基期，以及全球平均溫度相較於不同時期的上升幅度對照表。(參考IPCC《全球暖化1.5℃》特別報告)
新暖化情境 – 增溫1.5℃和2℃情境
利用歷史觀測資料和CMIP5氣候模式模擬的全球平均溫度變化如圖1所示，將工業化前時期取代為距離現在較近的基期 (1986-2005年) 來限制模式的不確定性，儘管不同代表濃度途徑 (Representative Concentration Pathways，簡稱RCPs)[8] 的升溫幅度差異很大，但是個別不同RCP情境的模擬結果皆可視為1.5℃和2℃情境的系集成員。由CMIP5模式推估的全球平均溫度上升1.5℃和2℃的時間的統計頻度分布圖 (如圖2)，升溫1.5℃的時間落在2015至2071年之間，中位數為2029年，代表多數模式估計升溫至1.5℃落在該時間附近；2℃的時間則落在2029至2084年之間，中位數為2044年。
圖1、結合觀測與模式的30年滑動平均的全球平均溫度變化。圖中灰線代表4組觀測資料：HadCRUT4, NOAAGlobalTemp, GISTEMP與Cowtan & Way年平均溫度的平均值，粗線為觀測 (黑線) 與模式平均 (紅線) 的30年滑動平均值，陰影區域為模式5-95%分布範圍。
圖2、CMIP5模式推估的全球平均溫度相較於工業化前，出現增溫1.5℃和2℃的年份統計頻度分布圖。圖中分別為通過1.5℃ (黃線) 和2℃ (紅線) 年分的模式數量，垂直線則代表1.5℃和2℃情境的年份中位數。
將CMIP5模式得到的1.5℃和2℃年份，注意各模式的年份皆代表一個30年時期的平均 (例：某一模式在2029年升溫至1.5℃為取2015-2044年的模式資料)，應用AR5統計降尺度日(月)資料，藉由比較全球氣候模式與降尺度後區域化的升溫情形，可以瞭解臺灣和全球暖化速度的差異，並且評估當全球暖化1.5℃和2℃的臺灣氣候變遷情形。
1.5℃和2℃情境的應用性
相較於往常使用不同排放情境 (如AR4的SRES和AR5的RCPs)[9] 在未來特定推估時段的氣候變遷研究，1.5℃和2℃情境除了可簡化許多複雜的情境設定，只需考慮未來升溫至不同溫度門檻值的氣候變化，以強調不同暖化程度下可能造成的衝擊以及發生的時間點，如全球暖化1.5℃可能發生在未來10-20年內，決策者可以此規劃未來的氣候變遷減緩與調適政策。
IPCC即將於今 (2021) 年發布第六次評估報告[10] (AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis)，將提供新的情境設定方式，結合共享社會經濟途徑[11] (Shared Socioeconomic Pathways, SSP) 與RCPs，前者描述不同的社會經濟發展情況而未加入氣候政策，後者則可視為不同減量 (mitigation) 目標下的暖化程度[12]。由本期計畫建立的1.5℃和2℃情境設定，將來可套用至AR6 使用的暖化情境與氣候模式資料，本計畫也將配合國家氣候情境設定的需求，持續進行新暖化情境設定評估與應用之研究，藉由分析1.5℃與2℃不同增溫情境下的氣候變遷衝擊評估與調適操作示範，讓人們了解完成減緩全球暖化的共同目標後的氣候狀況，並先行提供將來的國家氣候情境作為參考。
- 註1. 全球平均溫度：使用4組全球陸地和海洋表面溫度觀測資料的平均值代表全球平均溫度的歷史變化，分別為來自英國氣象局 (Met Office) 哈德利中心與東安格利亞大學氣候研究中心的HadCRUT4、美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 的NOAAGlobalTemp、美國國家航空暨太空總署 (NASA) 的GISTEMP，以及Cowtan & Way資料集。
- 註2. 工業化前時期：IPCC將工業化前的參考時期設定為「1850-1900年」，而非一般所熟知的18世紀工業革命更早之前的時期，因必須考量觀測資料在1850年有儀器紀錄以後較具可信度，但仍要夠具代表性能反映工業化前的氣候狀況。而選擇1850-1900年一段較長時期，是因為短期的氣候變化容易受氣候系統內部變異 (如：聖嬰現象) 以及火山或太陽活動間接影響氣候，可能會導致某些期間溫度較低或較高，相對地影響計算全球平均溫度的上升幅度 (零點幾度的差異便可比擬數十年的增溫)。
- 註3. 全球暖化1.5℃的時間：根據不同的碳排放量估計值會影響到暖化程度的差異，由觀測到的全球平均溫度變化以目前的暖化速率估計在2040年會達到1.5℃ (以當時資料更新至2017年的結果)，可能的範圍約在2030至2052年之間。
參考文獻
[1] United Nations Framework Convention on Climate Change, 2015: Paris Agreement. https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement/ the-paris-agreement (瀏覽日期：2021/02)
[2] IPCC, 2018: Global warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5°C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty [V. Masson-Delmotte, P. Zhai, H. O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P. R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J. B. R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M. I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, T. Waterfield (eds.)]. In Press.
[3] WCRP WGCM, 2008: CMIP Phase 5 (CMIP5). https://www.wcrp-climate.org/wgcm-cmip/wgcm-cmip5 (瀏覽日期：2021/02)
[4] 童裕翔、陳正達、劉俊志、陳永明 (2018)。統計降尺度(日)資料評估與應用。國家災害防救科技中心技術報告，NCDR 107-T19。
[5] 王俊寓、童裕翔，2020：全球暖化1.5℃和2℃之下台灣的氣候變遷。109年天氣分析與預報研討會，臺北，臺灣。
[6] Vautard, Robert & Gobiet, Andreas & Sobolowski, Stefan & Kjellström, Erik & Stegehuis, Annemiek & Watkiss, Paul & Mendlik, Thomas & Landgren, Oskar & Nikulin, Grigory & Teichmann, Claas & Jacob, Daniela., 2014: The European climate under a 2 °C global warming. Environmental Research Letters. 9(3): 034006. doi:10.1088/1748-9326/9/3/034006.
[7] Mitchell, D., AchutaRao, K., Allen, M., Bethke, I., Beyerle, U., Ciavarella, A., Forster, P. M., Fuglestvedt, J., Gillett, N., Haustein, K., Ingram, W., Iversen, T., Kharin, V., Klingaman, N., Massey, N., Fischer, E., Schleussner, C.-F., Scinocca, J., Seland, Ø., Shiogama, H., Shuckburgh, E., Sparrow, S., Stone, D., Uhe, P., Wallom, D., Wehner, M., and Zaaboul, R., 2017: Half a degree additional warming, prognosis and projected impacts (HAPPI): background and experimental design, Geosci. Model Dev., 10, 571–583, https://doi.org/10.5194/gmd-10-571-2017.
[8] van Vuuren, D. P., Edmonds, J., Kainuma, M. et al. The representative concentration pathways: an overview, 2011: Climatic Change 109, 5. doi: 10.1007/s10584-011-0148-z.
[9] 臺灣氣候調適科技服務，2015: 溫室氣體排放情境 http://sdl.ae.ntu.edu.tw/ TaiCATS/knowledge_detail.php?id=17 (瀏覽日期：2021/02)
[10] IPCC, AR6 Climate Change 2021: The Physical Science Basis. https://www.ipcc.ch/ report/sixth-assessment-report-working-group-i/ (瀏覽日期：2021/02)
[11] Riahi, K., Van Vuuren, D. P., Kriegler, E., Edmonds, J., O’neill, B. C., Fujimori, S., Bauer, N., Calvin, K., Dellink, R., Fricko, O., Lutz, W., Popp, A., Cuaresma, J. C., KC, S., Leimbach, M., Jiang, L., Kram, T., Rao, S., Emmerling, J., ... Tavoni, M., 2016: The Shared Socioeconomic Pathways and their energy, land use, and greenhouse gas emissions implications: An overview. Global environmental change: human and policy dimensions, 42, 153-168. https://doi.org/10.1016/ j.gloenvcha.2016.05.009.
[12] Zeke Hausfather, 2018: Explainer: How 'Shared Socioeconomic Pathways' explore future climate change. Climate Modeling, Carbon Brief. https://www.carbonbrief.org/explainer-how-shared-socioeconomic-pathways-explore-future-climate-change (瀏覽日期：2021/02)
延伸閱讀
1. IPCC 地球暖化 1.5°C 特別報告--決策者摘要
https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_abstract_one.aspx?kid=20181016131603
2. 看IPCC《全球暖化1.5℃》，談臺灣的氣候變遷衝擊研究
https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_newsletter_one.aspx?nid=20181203152723
3. TCCIP 2019年統計降尺度日資料即將上線
https://tccip.ncdr.nat.gov.tw/km_newsletter_one.aspx?nid=20190606161412
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