2.1 极端天气气候事件定义及其指标体系
2.1.1 定义
极端是指事物发展的端点状态，两个最高峰，两个互为对立的方面。天气是指一个地方距离地表较近的大气层在短时间内的具体状态。天气现象则指发生在大气中的各种自然现象，即某瞬时内大气中各种气象要素（如气温、湿度、风、云、雾、雨、闪、雪、霜、雷、雹、霾等）空间分布的综合表现气候是大气物理特征的长期平均状态，时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上。气候以冷暖、干湿这些特征来衡量，通常用某一时期的平均值或离差去表征。事件定义为历史上和社会上已经发生的产生相当影响的事情。物理学中的事件是由时间和空间所制定的时空中的一个点。极端天气事件，也称为极端天气气候事件，可称为高影响天气气候事件，指的是特定地区和时间出现概率小的天气气候事件。
在各种极端气候事件的研究中，关于极端的定义主要有两种：一种是采用绝对阈值法，各地均采用统一的标准。例如定义日最高（低）气温高（低）于35℃（0℃）的日数为高（低）温日数，定义日降水量大于50mm的日数为暴雨日数等。另一种则采用相对阈值法（陈晓光等，2008；翟盘茂，2003），基于百分位值作为极端的阈值，各地采用不同的指标。例如规定所有降水量的第90%的百分位、95%的百分位或者99%的百分位值作为极端降水阈值。
D.R.Easterling等（2000）和M.Beniston等（2007）都为给出极端天气气候事件的定义作出了很大的贡献，他们都从很多方面来考虑如何定义极端天气气候事件，以及定义极端天气气候事件的时候应参照的几个标准，但都没有给出一个比较具体的通用的定义。J.T.Houghton等（2001）则给出了一个简单而明确的定义，对一个特定的地点和时间来说，极端天气气候事件就是从概率分布的角度考虑，发生概率极小的事件，通常发生的概率只占该类天气现象的10%或者更少。这样的定义方法具有不随区域和时间改变而变化的优越性，考虑了不同研究区域的气候差异，避免了事件的强度由于研究区域的不同而差别较大，难以用统一标准来要求的问题。
由于人类活动造成的气候变化导致21世纪的气候显著区别于20世纪，因而气候变化情景需要评估人类活动和环境变化对气候变化的影响。欧盟框架计划5（the Europe Union framework 5 programme）资助了STARDEX（statistical and regional dynamical downscaling of extremes for European regions）项目，聚焦21世纪末极端天气气候事件的频度和强度如何响应全球变暖这一关键问题。该项目提出了74个基于逐日气温和降水观测资料的极端指标。
2.1.2 指标
极端天气气候事件的指标根据阈值的确定分为以下几种类型：第一类为基于原始观测数据和固定的阈值，简称为绝对指数；第二类为基于原始观测数据和相对（浮动）阈值的指数，简称为相对指数；第三类为年、月内日要素值的极大（小）值，简称为极值指数；第四类为其他指数，包括持续时间指数和范围指数。
（1）绝对指数。采用极端气候指数表证极端气候状况，较常使用的评价区域极端气候状况的指标是由ETCCDMI（expert team on climate change detection and indices）所定义并推荐使用的极端气候指数。这些指数能够反映出极端气候不同方面的变化，具有较弱的极端性、噪声低和显著性强的特点（表2.1）。
表2.1 极端降水量和气温指标（绝对指数）
（2）相对指数。相对阈值基于百分位作为极端的阈值，因而各地会有不同的指标（表2.2）。
表2.2 极端降水量和气温指标（相对指数）
（3）极值指数。以降水和气温为例，列表显示极值指数的一些指标（表2.3）。
表2.3 极端降水量和气温指标（极值指数）
（4）其他指数。降水和气温的其他一些指数见表2.4。
表2.4 极端降水量和气温指标（其他指数）
续表
2.1.3 气候变化背景下的极端天气气候事件
2007年联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布的最新评估报告表明，IPCC第三次评估以来，有关极端天气气候结论的可信度提高，某些天气事件和极端事件将在21世纪变得更加频繁，更加普遍和/或更加剧烈，这些变化潜在影响的认识也逐步深入。IPCC第36次会议审议并接受了《气候变化2013：自然科学基础》报告全文。第五次评估报告延伸了观测时段，扩大了观测内容，提高了观测精度，大大增加了气候各圈层变化的信息量，深化了对气候变化的理解，从多视角进一步证实和支持了AR4关于近百年全球变暖毋庸置疑的结论（IPCC，2013）。
IPCC第五次评估报告明确指出：在1880—2012年期间，全球平均地表气温升高了0.85℃±0.20℃，而最近的50年，中国年平均地表温度则以0.22℃/10a的增温速度增加了1.1℃，气温的升高不仅直接影响气温极端值的变化，而且会导致高温干旱和暴雨洪涝等极端天气气候事件的发生频率及其强度发生加剧的变化趋势。
IPCC第五次评估报告采用CMIP5模式和新排放情景（典型浓度路径RCP，representative concentration pathway）对未来气候系统的变化进行了预估，结果表明：继续排放温室气体将进一步升高全球温度。与1986—2005年相比，预计2016—2035年全球地表温度将升高0.3～0.7℃，2081—2100年将升高0.3～4.8℃，未来全球变暖对气候变化的影响仍将持续。未来气候变化背景下，极端暖事件将进一步增多，极端冷事件将进一步减少，热浪发生的频率更高、时间更长，中纬度大部分陆地区域和湿润的热带地的强降水时间可能加大、发生频率可能增加，全球降水将呈现“干者愈干、湿者愈湿”的趋势（秦大河等，2014）。
自AR4和管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应特别报告（SREX）（IPCC，2011）以来，人类对极端温度影响的证据进一步增强。人为影响很可能导致了观测到的20世纪中叶以来日极端温度的频率和强度在全球范围内发生变化，并可能使一些地区热浪的发生概率加倍（翟盘茂等，2014；胡婷等，2014）。亚洲大部分地区日极端温度的上升趋势具有中等信度；非洲和南美洲的日极端温度的变化趋势一般具有低到中等信度（罗亚丽，2012）。具有中等信度的是，全球而言，在许多（但不是全部）有足够资料的地区，包括热浪在内的暖事件的持续时间或数量已经增加。全球范围内有些区域的强降水数量发生了显著的变化，其中数量显著增加的区域可能多于显著减少的区域，但在趋势上具有很强的区域和次区域变化；并且在许多强降水变化趋势不具有统计显著性，一些地区强降水的变化也存在季节差异。热带气旋活动（强度、发生频率、持续时间）的长期变化具有低信度。南北半球的主要风暴路径可能已经向极地方向移动，但温带气旋强度的变化具有低信度。
Manton等（2001）研究指出自1961 年来东南亚和南太平洋地区热日和暖夜显著增加，而冷日和冷夜在减少。Griffiths（2005）等对亚太地区1961-2003年气温进行研究，得知大多数地区日最高气温和最低气温显著增加，冷夜和冷昼减少而暖夜增加。翟盘茂等（2014）把极端事件分为单要素的极端事件、与天气相关的极端事件、多要素极端事件和极端气候事件4类，总结了气候变暖背景下几类极端事件的变化趋势及其影响。发现气候变暖背景下我国长江中下游区域强降水事件更趋频繁，我国东部地区高温热浪天气更为明显；东北地区干旱趋势增加，有时在20世纪末期和21世纪初期最为明显；近10年来西南地区干旱频繁发生。王会军等（2012）开展了全球变暖背景下东亚地区能量对极端气候的影响研究，通过试验和模拟弄清中国独具特色的复杂下垫面条件下能量和水分循环的特征和变异规律，完善各类气候模式对陆面过程的描述，科学理解中国旱涝等极端时候的发生规律、变化机制和预测理论与方法，并预估预测未来全球变暖背景下中国极端气候的演变趋势及其对中国农业、水资源等的影响。张校玮（2012）对全国范围内的年最高温和高温日数进行了克里金插值，得出全国极端高温事件时空特征。
董庆林（2011）对东北地区近50 年来极端气候事件时空变化规律进行研究，发现极端高（低）温阈值的空间分布存在着明显的南北和东西差异，极端高温事件呈上升趋势，而极端低温事件呈下降趋势，极端降水事件呈微弱的下降趋势，但变化幅度不大。朱坚等（2010）基于集中度和集中期的定义方法，利用江淮地区站点的日平均温度资料和累积频率统计方法，分析了梅雨期江淮地区极端高温时间的非均匀分布特征。陈威霖等（2012）利用江淮流域日气温和降水资料和NCEP日环流资料，基于多元线性回归与随机天气发生器相结合的统计降尺度模型建立各个站点的模型，预估了21世纪的逐日最高、最低气温和降水序列以及热浪、霜冻、强降水等极端气候指数。
陶云等（2012）定义最低气温低于-5℃的站点占全省站点的比例超过25%为云南省极端霜冻气候事件，分析了云南省极端霜冻日数气候事件的气候特征及其对应的环流背景。刘丽等（2012）利用云南省站点日降水资料，根据百分位法定义了不同站点的降水阈值，对云南省极端强降水事件进行了时空分布特征的诊断。申红艳等（2012）利用国际通用的极端气温指数定义了9种极端气温指数，分析了青海省极端气温事件的气候变化特征。王博等（2012）利用深圳市气象站逐日最高、最低、平均气温等资料，分析了深圳气象要素平均值变化趋势和气候特点，发现深圳总体呈现气温上升、降水量起伏、相对湿度下降和日照时数减少的趋势，尤其是进入20世纪80年代后，各气象要素均有较明显的变化趋势。
要将单一极端事件归结于某种原因（例如温室气体增加）具有挑战性，因为许多极端天气和气候事件时自然气候变率的结果，并且气候的自然年代际变化或多年代际变化提供了人为气候变化的背景。即使没有人为气候变化，各种自然的极端天气和气候事件仍然会发生；还因为极端事件通常是一系列因素的组合造成的（罗亚丽，2012）。由于观测证据的不足，对气候驱动因子和热带气旋活动之间的联系缺乏物理认识，气候系统内部变率、人为和自然强迫的相对重要性的研究一致性较低，将热带气旋活动归因于人类影响具有低信度（胡婷，2014）。在观测资料覆盖足以满足评估需求的陆地区域，人为强迫对20世纪下半叶全球尺度的强降水增加有贡献（中等信度）。由于观测的不确定性，以及难以从干旱事件的长期趋势中辨别出年代际尺度变率，所以将20世纪中期以来全球陆地区域的干旱变化归因为人类影响具有低信度。