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在全球变暖背景下，极端天气的频率和强度在过去几十年显著增长。随着全球温度升高，极端天气频率将持续增长（IPCC, 2014）。围绕全球增暖控制在2摄氏度和1.5摄氏度的极端事件变化及风险研究中，有研究发现降水的变化随温度升高呈现线性递增，强降水发生频次也明显增长。随着温度持续升高，超过一定阈值后的高温热浪天数随温度增长呈现出非线性增长关系（Knutti et al ., 2015）。另有研究表明（Schleussner et al ., 2016），较工业化前2摄氏度增暖条件下，全球50%的陆地区域暖昼日数将平均增长1.8个标准差；而在1.5摄氏度增暖下，暖昼日数将增长1.2个标准差。在非洲、南美洲以及东南亚等热带地区，暖昼日数增长明显。同时，在2摄氏度增暖下，全球50%的陆地区域的持续高温日数较1986～2005年将增长50天左右；而在1.5摄氏度增暖下，将增长30天左右。同样持续高温日数在热带地区增长最为明显，其中，在亚马孙地区甚至能增长90天。持续5天最大降水量在高纬度地区增长最为显著，当增暖为2摄氏度和1.5摄氏度时，分别增长11%和7%。对于持续干期，亚热带和热带地区40%的陆地区域持续干期将延长。地中海地区的持续干期在增暖2摄氏度和1.5摄氏度下将分别增长11%和7%。在澳大利亚，1.5摄氏度增暖下澳大利亚南部和中部的极端高温日数将会是每年两周，而北部则会在每年一个月左右，并且随着增暖的加剧会进一步增长。对比1.5摄氏度和2摄氏度增暖发现，将增暖控制在1.5摄氏度以内，能有效减少澳大利亚极端高温事件的频率。高纬度地区（冷季）是增暖最强烈的地区，在全球温升1.5摄氏度时增温可达到4.5摄氏度。随着全球平均温度升高，高纬度（包括阿拉斯加、加拿大西部、格陵兰岛和冰岛等）和高山地区也成为强降雨事件增长最多的区域。
不同空间的气候变化影响差异较大，如除了高纬度地区以外的大多数地区，包括东亚和南美部分地区在内，每年至少出现一次高温热浪的频率增至70%以上。即使到了2050年，较高的暑热压力指数在大多数地区依然非常罕见，但其发生在南亚和中东部分地区的频率会大大增长。图2–1显示了与极端热天气有关的全球影响变化，重点聚焦于高温热浪天数和具有挑战性的户外工作天数。在全球内，具有高暑热压力指数的天数目前还为数不多，但是在高排放情景下将增长的非常迅速。到2100年，受极端热天气影响的人数和比例在各个社会经济情景之间差异显著。
图2–1 极端热天气的全球影响
资料来源：中英气候变化专家委员会，2019。
注：左图显示了整个21世纪极端热天气的危害变化与观测到的危害发生率；中图显示了超过某限定阈值的危害风险；右图显示了2100年在两种排放情景和五种社会经济情景下对人类社会的影响。
气候系统与水循环的交互作用，改变了局地和区域水资源的可利用性，包括降水格局和极端事件、河流产流量和产流过程、洪水和干旱的频率和强度等。受气候变暖影响，全球很多地区的降水变化和冰雪消融正在改变水文系统，并影响到水资源量和水质；许多区域的冰川持续退缩，影响下游的径流和水资源，全世界200条大河中近1/3的河流径流量减少；高纬度地区和高海拔山区的多年冻土层变暖和融化。气候变化会改变全球水循环的现状，通过影响相关水文途径或者指标，使得全球水资源时空分布重新分配。除了直接影响以外，气候因子还通过发生在陆面和土壤中控制陆面与大气之间水分、热量与动量交换的陆面过程间接地影响水分循环，如气温、日照、风和相对湿度对陆面蒸散发过程的影响等。
为了保证水、食物和能源的正常供给水平，需要更充足的水资源储备。联合国《世界水资源发展报告》显示，日益增长的食品需求、快速城市化及气候变化增长了全球供水的压力。2015年，世界上不能饮用安全水的人口仍有近10亿；到21世纪中叶，农业用水需求将增长19%以上，而目前农业用水已占到淡水用量的70%。全球气候变化加剧了世界水资源的紧张形势。在气候变化的作用下，由于气温升高，大气水汽含量增大，全球水资源量和需水量可能同时呈增大趋势，但由于极值事件的发生，可供人类调控的水资源量降低，水资源的时空差异增大，干旱区域水资源量降低，干旱季节需水量增大而可利用水量减少，水资源供需矛盾加剧，以干旱半干旱缺水区的影响最大（中英气候变化专家委员会，2019）。过去20年间全球范围内干旱造成的经济损失达近百亿美元，累计影响人数超过10亿（NCEI, 2016）。从全球来看，全球尺度的水文干旱风险出现增长，在低排放情景下风险较小；而在高排放情景下，2100年因气候变化影响导致生活在缺水流域的人数要比1981～2010年气候状况下的人数少得多。各社会经济情景之间有很大差异。这主要是因为，预计南亚和东亚一些人口稠密的缺水流域的地表径流会出现增长。观测到的水文干旱频率比这两种预测条件下的增长更快，但是年际变率的差异相当显著。
全球尺度预估表明将温升控制在1.5摄氏度而不是2摄氏度时年平均径流发生变化（增长或减少）的范围更小。在区域尺度，未来径流量变化与降水量变化基本一致。相比当前气候状态，未来温升1.5摄氏度时全球径流显著增长的区域将会扩大，一些区域洪灾发生的频率也将增长。而且相比1.5摄氏度，2摄氏度温升情景下径流显著增长的区域和暴露于洪水的范围还会继续扩大。马克思等（Marx et al ., 2018）分析了不同温升（1.5摄氏度、2摄氏度和3摄氏度）对欧洲水文低流量的影响，结果表明高山地区低流量增长幅度最大，从1.5摄氏度的22%增长到2摄氏度的30%，这主要与较多的积雪融化有关。施洛伊斯纳等（Schleussner et al ., 2016）发现将增暖从2摄氏度控制到1.5摄氏度，使得在高纬度地区径流量相对会减少。印度、东非和部分撒哈拉地区也会有所减少，而地中海地区的径流量会增长。SR1.5把南欧和地中海地区列为热点区。这一地区未来将主要面临水资源短缺风险。这可能与冰冻圈水资源补给功能减弱也有关。库特鲁利斯等（Koutroulis et al .，2015）通过研究发现在全球持续增暖的背景下，区域降水量会趋于减少而平均径流量也会逐步地减少，使得可利用水资源减少10%～30%，导致地中海区域大部分地区遭受严峻的水资源压力。而对于一些本身就受限于可利用水资源的小岛国，水资源风险将更加突出。
气候变化对全球大部分地区作物和其他粮食生产负面影响比正面影响更为普遍。正面影响仅见于高纬度地区。温度的增长也会影响农作物的产量。农作物的类别和区域不同，其预估的变化也会有所不同。温度的增长可能会给一些高纬度地区带来增产，而对于热带地区，如西非、东南亚，以及美国的中部和东北部地区，农作物产量将会减少，尤其是小麦和玉米。詹姆斯等（James et al ., 2013）通过对不同强度增暖影响的研究，发现非洲地区在增暖1摄氏度时降水增长不显著，而随着温度的增长，东非降水会增长，而南非、几内亚湾和撒哈拉西部降水却会减少。图2–2显示了六个农业指标全球危害的频率、风险和影响。在此情况下，假定农田面积始终保持固定，因此其不会随社会经济情景而变化。对于所有指标而言，无论是低排放还是高排放，气候变化的后果均非常不利。干旱和洪水的可能性将大大增长，更高的气温意味着极端高温和累积温度的频率将不断增长。气候变化对玉米繁殖期枯水年发生率的影响要更为复杂。在各个情景下，观测到的危害频率与危险的变化率大体一致，但与其他指标一样，尚不足以对未来影响的程度进行细致的评估。
图2–2 农业指标的全球影响（中英气候变化专家委员会，2019）
气候变化对粮食安全的各个方面均有潜在的影响，包括粮食的获取、使用和价格稳定。近年来，粮食生产区遭受极端事件之后，几次出现了食品和谷物价格骤涨的现象，表明了市场对极端事件的敏感性。气候变化可能推高粮食价格，在发展中国家尤其值得关注。农业生产中纯粮食购买者尤为脆弱，同样依靠农业的低收入国家是粮食净出口国，本身粮食安全不稳定，还面临着国内农业生产效益降低和全球粮价升高的双重影响，加剧粮食获得的难度。如果不考虑二氧化碳的作用，气温和降水的变化将推高2050年全球粮价3%～84%，如果考虑二氧化碳的作用（但忽略臭氧和病虫草害等），届时全球粮价的波动范围在–30%～45%之间。
未来气候变化将使杂草的种群与分布向极地方向迁移。随着二氧化碳浓度增长，杂草可能很大程度限制作物产量，并受病虫害类型、品种类型与耕作方式的影响。目前广泛采用的化学控制病虫草害的方法可能失效，并且增长经济和环境成本。
全球气候变暖导致大气层持水能力增强，增长了暴雨发生的强度和概率，因此人类遭受洪水灾害风险的威胁增大。近年来，全球很多地区（包括欧洲）由洪灾带来的经济损失不断增多，又进一步凸显了洪水对人类经济社会的危害。据统计，1995～2015年间全球每年发生有人员伤亡记录的灾害性洪水事件多达200～300次，累计造成的经济损失高达6 620亿美元，受灾人数达23亿（Adhikari et al ., 2010；CRED et al ., 2015）。
在全球尺度下，观测到的河流洪水的频率变化不大（30年移动平均值），至少2030年前，气候变化预估在全球尺度内河流洪水频率变化不大（中英气候变化专家委员会，2019）。在新的高浓度情景下的一系列预估表明，东南亚、印度半岛、东部非洲和安第斯山脉的北半部洪水频率大大增长，变化的不确定性很小，但是全球某些地区洪水频率预计会降低。在四种情景下的一组较大的集合预估显示，全球洪水的暴露程度将根据变暖程度而增长（Hirabayashi et al ., 2013）。阿尔菲里等（Alfieri et al ., 2016）结合暴露度情况，指出在2摄氏度和1.5摄氏度增暖下，全球受洪水影响人口将分别增长170%和100%，造成的财产损失将分别增长170%和120%，其中，亚洲、美国和欧洲受到的影响最大。在RCP 8.5情景下，到2100年，全球50年一遇的洪水平均发生概率将由当前的2%上升到7%（Arnell et al ., 2019）。通过过去50年欧洲洪水流量区域性变化模式的研究结果表明，欧洲西北部因秋季和冬季降水量增长导致洪水增长；欧洲南部大中型流域因降水量减少和蒸发增长而导致洪水减少；欧洲东部地区因气候变暖引起的积雪和融雪减少而导致洪水减少（Blöschl et al ., 2019）。欧洲不同区域洪水变化趋势从每10年增长11%到减少23%不等。尽管观测数据在空间和时间分布上具有非均一性，但气候变化已经发生并正在产生影响。洪水风险管理中应考虑气候变化因素。
沿海地区社会经济的快速发展以及全球气候变化引发海平面不断上升，致使高人口密度及大量社会资产面临沿海高水位的风险。在气候变化的背景下，由于海平面上升叠加风暴潮等产生的高潮位会造成沿海地区大面积的淹没，海岸带的淹没灾害将会更加严重，导致大量人群及财产遭受损失。即使全球升温控制在2摄氏度以内，但全球海平面上升高度仍会超过1米（Levermann et al ., 2013; Dutton et al ., 2015）。由于全球气候变化，过去百年海平面上升很大程度加剧了极端洪涝灾害风险（Jahanbaksh Asl et al ., 2013; Winsemius et al ., 2016）。
未来数百年海平面仍将持续上升，极端海面事件的频发将加剧沿海地区社会—生态系统的灾害风险。预计未来海平面将继续加速上升。低排放（RCP 2.6）情景下，2100年全球平均海平面上升速率为每年4毫米；高排放（RCP8.5）情景下，到2100年全球平均海平面将达到每年15毫米的上升速度，21世纪后期上升速度将超过每年几十毫米（Le et al ., 2017）。无论何种排放情景下，到2050年在许多地点极值水位事件的发生频率将从百年一遇提高至一年一遇，尤其是热带地区。沿海生态系统将面临越来越高的风险（Wahl et al ., 2017, Vousdoukas et al ., 2018）。预计到2100年，现有沿海湿地将损失20%～90%。海平面上升、海洋变暖和酸化将加剧低洼沿海地区的风险。2100年之前一些小岛屿国家因海洋和冰冻圈变化将变得不适宜居住。至2030年，全球暴露于高淹没频率的城市土地较2000年将由30%增长至40%（Guneralp et al ., 2015）。至2100年，根据预测的海平面上升高度，全球一半以上的三角洲区域将被淹没（Syvitski et al ., 2009），在无适应措施的情况下，全球处于淹没风险的人口将达0.2%～4.6%，年均GDP损失将达0.3%～9.3%（Hinkel et al ., 2014）。由于冰冻圈退缩和海洋热膨胀，沿海低地和岛屿地区深受海平面上升的威胁。其中，东南亚地区和其他岛屿地区人口集中，经济相对落后，加上洪水等其他极端气象水文事件频发，成为当前气候变化风险的热点区。通过全球海岸带的淹没风险评估，东南亚的淹没频率持续增长（Hirabayashi et al ., 2013），中国海岸带的极值水位也增长显著（Feng et al ., 2014）。到2100年，数以亿计的人口将受到沿海洪水的影响，因土地丧失而流离失所，特别是在东亚、东南亚和南亚（Dasgupta et al ., 2009）。由于人口增长、经济发展和城市化进程的加速，暴露在海岸带风险中的人口和社会资产也越来越多。中国东部沿海城市尤为突出，如上海、宁波、福州等。海岸带的淹没灾害对社会经济影响很大，未来沿海地区更多的人口和资产将暴露于淹没风险之下（Mokrech et al ., 2012; Strauss et al ., 2012; Alfieri et al ., 2015）。
受气候变化和人类活动的共同作用，植被覆盖、生产力、物候或优势物种群已经发生变化。陆地生态系统的这些变化反过来也会对局地、区域甚至全球的气候产生影响。气候变化还改变了生态系统的干扰格局，并且这些干扰很可能已经超过了物种或生态系统自身的适应能力，从而导致生态系统的结构、组成和功能发生改变，增长了生态系统的脆弱性。气候变化加大了对生物多样性的不利影响。较大幅度的气候变化会降低特殊物种的群体密度，或影响其存活能力，从而加剧其灭绝的风险。受气候变化影响，世界各地树种死亡现象越来越普遍，从而影响到气候、生物多样性、木材生产、水质以及经济活动等诸多方面。有些地区甚至出现森林枯死，显著增长当地的环境风险。
随着温度升高、冰冻圈退缩，陆地生态系统发生演替的概率增长，物候提前，并对生态系统功能造成影响，但相比全球温升2摄氏度和1.5摄氏度情景下局地物种演替、灭绝和物候提前以及生态系统功能丧失的风险要小得多。高纬度地区和高海拔地区由于年平均和冷季温升大于其他地区，所以生态系统受到影响也最大。在北极冰冻圈区，随着温度快速升高以及多年冻土退化，苔原地区木本植物将不断繁盛，预计全球温升1.5摄氏度时植物生长季增长约3～12天，而当温升2摄氏度时将增长6～16天。研究结果表明，将温升控制在1.5摄氏度而不是2摄氏度时可避免北极、青藏高原和喜马拉雅地区生态系统发生较大幅度演替（苏勃等，2019）。北极地区是全球变暖的重要热点区，随着区域气温快速上升，冰冻圈尤其是海冰和多年冻土大幅退缩。尽管北极渔业将可能获益，但大量动植物的栖息地将面临严峻风险。冰冻圈广泛发育的高山地区被誉为“水塔”，也是大量物种的栖息地，但是高山生态系统在气温快速变暖下非常脆弱。
海岸带生态系统与气候变化相关的三个因素关系密切，即海平面、海水温度和海洋酸度。气候变化和海洋酸度的改变给海岸带生态系统带来显著的负面影响。由于相对海平面的上升，海岸带系统和低洼地区正经历着越来越多的洪水淹没、极端潮位和海岸侵蚀，并承受着由此带来的不利影响。海水温度上升和海水酸化导致珊瑚白化甚至死亡。珊瑚礁成为最脆弱的海洋生态系统。除了受气候变化的影响，海岸带地区生态系统的许多变化，还受到人类活动的强烈影响，如土地利用变化、沿海开发以及污染等。
随着极地温度、光照、营养水平增长，海冰退缩，居住在漂浮海冰下面的大型藻类、浮游植物和微藻类等正在发生变化。海洋生物也正以每年40千米的速度向高纬度移动，导致高纬度生物多样性可能增长。加上海平面上升、海岸侵蚀、多年冻土加速融化以及其他原因，最终对全球海洋生态系统结构和功能、生物多样性以及食物网造成影响。全球温升1.5摄氏度和2摄氏度将对北冰洋和西南极半岛的浮游植物、鱼类和海洋哺乳动物等产生多重影响。海温增长和冰冻圈退缩也通过改变海洋环流、热量和营养物循环进而对海洋生态系统产生影响，例如海洋上升流减缓已对渔业产生影响，这与冰冻圈消融造成的大量淡水注入密不可分。冰冻圈退缩引起的海平面上升和盐度变化也对海岸带生态系统变化造成影响。基于多模式的预估结果，研究指出未来当全球平均温度上升1.5摄氏度时，海洋热浪发生的频率将是当前（1982～2016年）的16倍，如果温度升高3.5摄氏度，这一频率将提高至41倍（Frölicher et al ., 2018）。海洋热浪会对海洋生物及生态系统带来十分严重的后果，如珊瑚白化等（Hughes et al .，2017）。在2摄氏度增暖条件下，几乎所有的热带珊瑚礁都会受到威胁；而在1.5摄氏度增暖条件下，到2050年珊瑚礁将减少10%。