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政府间气候变化专门委员会(IPCC)在第五次科学评估基础报告(AR5)中强调，过去几十年全球平均地表温度(GMST)的迅速上升与人类活动影响间具有毋庸置疑的关系。全球增暖背景下，极端天气气候事件的强度与发生频率显著增加，且带来的影响较之平均温度升高更为严重。中国对于极端天气气候事件的变化尤为敏感。从气候变化影响与适应的角度，联合国气候变化框架公约在2015年通过了《巴黎协定》，提出1.5/2℃温升目标以减少由于增暖带来的气候影响。
在该背景下，本论文估算了历史0.5℃温升背景下中国区域极端温度变化，同时评估再分析资料对其描述能力，为理解中国区域极端温度长期变化以及未来预估的评估提供基础。接着利用一套高分辨率百年动力降尺度资料，揭示过去百年中国区域极端温度变化特征及其可能的物理机制，填补了中国极端温度变化研究在20世纪前半叶的空白。最后，基于观测事实利用历史变化对极端温度在0.5℃额外温升背景下的预估进行评估，并利用观测对第六次耦合模式比较计划(CMIP6)长期预估结果的不确定性进行约束。主要结论如下:
一、历史0.5℃温升背景下中国区域极端温度的变化
利用观测资料CN05.1和多套常用再分析资料(JRA55、ERA与20CR)，通过空间累加的方法，估算了历史0.5℃温升背景下中国极端高温的变化。观测资料显示，历史0.5℃温升背景下，夜间极端高温指数显示出较日间极端高温指数更显著的升温，日最高/最低温度最大值(TXx/TNx)升温超过0.5℃的国土面积占比为46.7％/76.0％。且中国西部地区较中东部地区升温更明显。三套常用的再分析资料对该变化描述能力不同。JRA55与观测一致性较高。ERA资料呈现显著的区域特征，对中国东部地区的再现能力高于西部地区。20CR则具有较高的指数依赖性，对极端高温指数描述能力显著高于极端低温指数。三套再分析资料与观测产生差异的可能原因:1.再分析资料是否具有更严谨的观测约束;2.再分析资料中气溶胶浓度的处理是否与观测气溶胶更为接近。
二、20世纪动力降尺度资料对中国近五十年温度变化的模拟能力
评估了20世纪百年动力降尺度资料(20th century dynamical downscaling，20DS)对近五十年中国地区温度变化的模拟能力。20DS是利用区域气候模式PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)针对中国区域，对百年再分析资料20CRV2c进行25km动力降尺度的结果。对于平均温度，20DS能合理再现观测中气候态空间分布、年际变率与长期趋势(0.19-0.21℃/decade)，相对于20CR技巧提升明显。20DS相对观测CN05.1有1.0-1.4℃的暖偏差，主要分布在除青藏高原以外的其它地区，且冬季最为明显。对20DS气候态年循环进行订正后，其对极端温度的描述相对于20CR体现出明显增值，尤其在地形复杂区（例如青藏高原地区）。20DS与观测空间相关系数(PCC)由0.6-0.8提升至0.85以上。PRECIS中地形与实际地形有差异，可能造成表面温度模拟偏差。对青藏高原地区进行地形高度订正后，20DS模拟极端温度强度指数与观测间均方根误差(RMSE)由3.6-4.5℃减小到3.4-4.1℃。20DS对中国地区极端温度的长期演变具有合理的再现能力，在一定程度上可以作为观测资料的辅助与补充。
三、20世纪动力降尺度资料揭示的中国极端温度百年变化
在验证了20DS对中国温度变化的描述能力基础上，分析了中国地区极端温度百年演变特征，揭示了海温异常年代际主导模态对中国地区极端温度变化的影响机制。对于平均温度，20DS与多套全球百年观测及重建资料中平均温度的百年长期趋势相当(0.08℃/decade)，且存在明显的年代际变化特征。基于20DS逐日数据，首次揭示了中国极端温度指数的百年变化特征。极端温度存在1940年左右与1990年左右两个显著增暖期，期间TXx增暖趋势为0.34/0.47℃每十年，高于平均温度对应时段增速。青藏高原地区同期极端温度增温幅度更明显。中国地区极端温度百年变化与太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋年代际振荡(AMO)的不同联合位相有关。在二者同正（负）位相时，中国大部分区域极端高温指数为正（负）异常。二者反位相时，极端高温指数以35°N为界南北反相变化(除TXx)。500hPa位势高度在联合模态同位相时对中国北部极端高温产生影响，而西太平洋副热带高压(WPSH)与低层冷暖平流则对南部极端高温产生影响。
四、历史0.5℃温升背景下中国极端温度变化与不同预估方法的比较
利用耦合模式瞬态预估、耦合模式目标稳定态预估与单独大气模式目标稳定态预估结果，对比三种方法预估未来额外0.5℃温升背景下中国极端温度的变化特征，并利用观测中0.5℃温升背景下极端温度变化，评估了耦合模式目标稳定态预估结果。三种预估方法定性结果一致，定量上存在一定不确定性。TXx/TNx空间累加升温超过0.5℃的国土面积约为68％-72％/60％-68％，其中单独大气模式增温幅度最强。不确定性最显著的区域主要分布于中国东部地区。不同方法间出现差异的可能原因为所采用的的排放情景中温室气体浓度与气溶胶浓度的差别。对于日间极端高温指数，观测资料中历史0.5℃温升背景下的变化是对耦合模式目标稳定态预估未来额外0.5℃温升背景下的保守估计，TXx升温超过0.5℃的国土面积分别为47％/63％（历史/预估）。这种保守估计的原因可能与未来预估情景中气溶胶大幅度减少有关。历史观测中极端温度在特定温升水平下的变化能够在一定程度上作为模式预估结果的评价与参考。
五、基于历史观测对中国区域极端温度未来预估的约束
基于CN05.1与20DS资料，评估了CMIP6多模式对中国地区平均与极端温度变化的模拟能力，并基于CN05.1对CMIP6多模式预估SSP5-8.5(shared socioeconomic pathway5-8.5)情景下预估极端温度变化的不确定性进行约束。CMIP6多模式平均对观测平均温度气候态空间分布有较好的模拟能力，时间序列与20DS的相关性在20世纪前半叶低于后半叶。对于极端温度，CMIP6与观测间各指数气候态PCC在各指数间的范围为0.27-0.97，空间分布差异较大的区域集中在青藏高原与东北地区，强度指数模拟能力优于频率指数。时间演变上，与20DS间百年相关系数在0.1-0.6之间，同样在20世纪后半叶与观测相关性更好。利用CN05.1气候态空间分布作为评估量约束CMIP6多模式在SSP5-8.5情景下对极端温度预估的不确定性。综合考虑模式独立性与技巧性给予模式不同的权重，进行观测权重约束后，对于21世纪末极端温度指数的预估不确定性（以多模式25％-75％范围作为衡量标准）减少了30％-83％左右。
在该背景下，本论文估算了历史0.5℃温升背景下中国区域极端温度变化，同时评估再分析资料对其描述能力，为理解中国区域极端温度长期变化以及未来预估的评估提供基础。接着利用一套高分辨率百年动力降尺度资料，揭示过去百年中国区域极端温度变化特征及其可能的物理机制，填补了中国极端温度变化研究在20世纪前半叶的空白。最后，基于观测事实利用历史变化对极端温度在0.5℃额外温升背景下的预估进行评估，并利用观测对第六次耦合模式比较计划(CMIP6)长期预估结果的不确定性进行约束。主要结论如下:
一、历史0.5℃温升背景下中国区域极端温度的变化
利用观测资料CN05.1和多套常用再分析资料(JRA55、ERA与20CR)，通过空间累加的方法，估算了历史0.5℃温升背景下中国极端高温的变化。观测资料显示，历史0.5℃温升背景下，夜间极端高温指数显示出较日间极端高温指数更显著的升温，日最高/最低温度最大值(TXx/TNx)升温超过0.5℃的国土面积占比为46.7％/76.0％。且中国西部地区较中东部地区升温更明显。三套常用的再分析资料对该变化描述能力不同。JRA55与观测一致性较高。ERA资料呈现显著的区域特征，对中国东部地区的再现能力高于西部地区。20CR则具有较高的指数依赖性，对极端高温指数描述能力显著高于极端低温指数。三套再分析资料与观测产生差异的可能原因:1.再分析资料是否具有更严谨的观测约束;2.再分析资料中气溶胶浓度的处理是否与观测气溶胶更为接近。
二、20世纪动力降尺度资料对中国近五十年温度变化的模拟能力
评估了20世纪百年动力降尺度资料(20th century dynamical downscaling，20DS)对近五十年中国地区温度变化的模拟能力。20DS是利用区域气候模式PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)针对中国区域，对百年再分析资料20CRV2c进行25km动力降尺度的结果。对于平均温度，20DS能合理再现观测中气候态空间分布、年际变率与长期趋势(0.19-0.21℃/decade)，相对于20CR技巧提升明显。20DS相对观测CN05.1有1.0-1.4℃的暖偏差，主要分布在除青藏高原以外的其它地区，且冬季最为明显。对20DS气候态年循环进行订正后，其对极端温度的描述相对于20CR体现出明显增值，尤其在地形复杂区（例如青藏高原地区）。20DS与观测空间相关系数(PCC)由0.6-0.8提升至0.85以上。PRECIS中地形与实际地形有差异，可能造成表面温度模拟偏差。对青藏高原地区进行地形高度订正后，20DS模拟极端温度强度指数与观测间均方根误差(RMSE)由3.6-4.5℃减小到3.4-4.1℃。20DS对中国地区极端温度的长期演变具有合理的再现能力，在一定程度上可以作为观测资料的辅助与补充。
三、20世纪动力降尺度资料揭示的中国极端温度百年变化
在验证了20DS对中国温度变化的描述能力基础上，分析了中国地区极端温度百年演变特征，揭示了海温异常年代际主导模态对中国地区极端温度变化的影响机制。对于平均温度，20DS与多套全球百年观测及重建资料中平均温度的百年长期趋势相当(0.08℃/decade)，且存在明显的年代际变化特征。基于20DS逐日数据，首次揭示了中国极端温度指数的百年变化特征。极端温度存在1940年左右与1990年左右两个显著增暖期，期间TXx增暖趋势为0.34/0.47℃每十年，高于平均温度对应时段增速。青藏高原地区同期极端温度增温幅度更明显。中国地区极端温度百年变化与太平洋年代际振荡(PDO)和大西洋年代际振荡(AMO)的不同联合位相有关。在二者同正（负）位相时，中国大部分区域极端高温指数为正（负）异常。二者反位相时，极端高温指数以35°N为界南北反相变化(除TXx)。500hPa位势高度在联合模态同位相时对中国北部极端高温产生影响，而西太平洋副热带高压(WPSH)与低层冷暖平流则对南部极端高温产生影响。
四、历史0.5℃温升背景下中国极端温度变化与不同预估方法的比较
利用耦合模式瞬态预估、耦合模式目标稳定态预估与单独大气模式目标稳定态预估结果，对比三种方法预估未来额外0.5℃温升背景下中国极端温度的变化特征，并利用观测中0.5℃温升背景下极端温度变化，评估了耦合模式目标稳定态预估结果。三种预估方法定性结果一致，定量上存在一定不确定性。TXx/TNx空间累加升温超过0.5℃的国土面积约为68％-72％/60％-68％，其中单独大气模式增温幅度最强。不确定性最显著的区域主要分布于中国东部地区。不同方法间出现差异的可能原因为所采用的的排放情景中温室气体浓度与气溶胶浓度的差别。对于日间极端高温指数，观测资料中历史0.5℃温升背景下的变化是对耦合模式目标稳定态预估未来额外0.5℃温升背景下的保守估计，TXx升温超过0.5℃的国土面积分别为47％/63％（历史/预估）。这种保守估计的原因可能与未来预估情景中气溶胶大幅度减少有关。历史观测中极端温度在特定温升水平下的变化能够在一定程度上作为模式预估结果的评价与参考。
五、基于历史观测对中国区域极端温度未来预估的约束
基于CN05.1与20DS资料，评估了CMIP6多模式对中国地区平均与极端温度变化的模拟能力，并基于CN05.1对CMIP6多模式预估SSP5-8.5(shared socioeconomic pathway5-8.5)情景下预估极端温度变化的不确定性进行约束。CMIP6多模式平均对观测平均温度气候态空间分布有较好的模拟能力，时间序列与20DS的相关性在20世纪前半叶低于后半叶。对于极端温度，CMIP6与观测间各指数气候态PCC在各指数间的范围为0.27-0.97，空间分布差异较大的区域集中在青藏高原与东北地区，强度指数模拟能力优于频率指数。时间演变上，与20DS间百年相关系数在0.1-0.6之间，同样在20世纪后半叶与观测相关性更好。利用CN05.1气候态空间分布作为评估量约束CMIP6多模式在SSP5-8.5情景下对极端温度预估的不确定性。综合考虑模式独立性与技巧性给予模式不同的权重，进行观测权重约束后，对于21世纪末极端温度指数的预估不确定性（以多模式25％-75％范围作为衡量标准）减少了30％-83％左右。