| 多国气候专家联合发布评估报告提出： |
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| 使地球进入危险状态的九大因素 |
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作者：曲建升 曾静静/编译 来源：科学新闻杂志 发布时间：2008-9-9 |
美国《国家科学院学报》前不久发表的一份评估报告《地球气候系统的引爆点》（Tipping elements in the Earth's climate system）对影响未来气候系统发生变化的、具有多米诺骨牌效应的关键临界因素进行了分析，提出了更为严峻的未来气候变化挑战。这份由多国气候专家联合发布的研究成果总结了可能使地球进入危险状态的因素（见表1），其中最重要的是位于表1前列的九大因素：北极夏季海冰面积减少、格陵兰岛冰盖冰量减少、南极西部冰原冰量减少、大西洋温盐环流翻转、厄尔尼诺—南方涛动振幅增大、印度洋夏季季风区降水减少、西非季风中断、亚马逊热带雨林破碎化和北方针叶林破碎化。科学家认为，这些因素的变化一旦突破“引爆点”，就可能成为“压死骆驼的最后一根稻草”，引发更为严峻的气候系统变化，并带来不可逆转的影响。
一、北极夏季海冰面积减少
随着海冰的融化，会有更多、颜色更深的海洋表面暴露在阳光之下，这将吸收更多的太阳辐射，从而增强变暖的趋势。能量平衡模型指出海冰反照率的正反馈会引起海冰覆盖的多稳态，包括有限的冰帽和不结冰状态，随着冰帽面积的变小将逐步趋向不稳定。北极夏季海冰和冬季海冰的覆盖面积均在不断减少（夏季海冰减少更为显著），大面积的海冰已经明显变薄。从1988年起海冰反照率的正反馈控制着导致海冰变薄和退缩的外部驱动力，显示出强烈的非线性，导致一些专家认为该系统可能已经超过了引爆点，尽管其他专家不同意这种观点。IPCC运用海洋—大气环流模型进行了预测，一半的模型显示本世纪内北极在9月都不会结冰，温度为－9°C（比现在高出9°C）。在许多模型中，转变都具有非线性步骤，但是尚未确定一个普遍认同的临界阈值。冬季海冰的变薄提高了夏季开阔水面的形成效率，当海洋对北极的热传输迅速增加时，就会导致海冰突然后退。只有两个IPCC模型展现了在极端作用下海冰覆盖全年完全消失的情景：一个模型显示当极地温度上升5°C以上（比现在高出13°C），在10年内向一个新稳态过渡的非线性转变过程；而另一个模型更多地体现了线性转变过程。北极夏季海冰损失的临界阈值很可能实现，然而本世纪有关全年冰量损失的其他阈值则不易确定和实现。
二、格陵兰冰盖冰量减少
冰盖模型显示了多稳态及其非线性转变。在一些基于格陵兰冰盖移动的模拟中，夏季融化阻止了冰盖的重建，预示着双稳态，尽管其他专家不同意这种观点。不管是否存在双稳态，在冰川消退作用中，外围变暖降低了冰的高度，使得地表温度升高，引发了可以体现临界阈值的正反馈——超过这个阈值，净质量损失将会持续进行，格陵兰冰盖会完全消退或者最终消失。未来预测表明，格陵兰冰盖的负表面质量平衡阈值在局部变暖3℃左右（相对于工业化革命以前）。由于具有不确定性，因此IPCC将全球变暖的阈值确定在1.9~4.6℃（相对于工业化革命以前），这在本世纪显然可以达到。我们给出了更小的范围（相对于现在水平），由于海冰消退的速度比模型模拟的更快，格陵兰的变暖幅度可能会比设想的更大。并且，最近的观测结果显示表面质量平衡正在衰退，并导致格陵兰冰盖的净质量损失加快。最后，现有的冰盖模型不能解释最近变化的速度。这些变化包括海岸边缘地带的融化与变薄和冰川出口的波动，这些可能都与变暖海水的入侵有关，部分由内部获得的质量进行补偿。由于缺乏格陵兰冰盖自然变率的知识，以及格陵兰温度变化不同于全球趋势，有关最近观测结果的解释仍然具有不确定性。如果超过阈值，IPCC给出的格陵兰冰盖崩塌时间会超过1000年。但是，由于现有模型没有考虑到能够加速崩塌的变化过程，以及不能模拟末次冰期后期大陆冰的快速消失，300年的下限是可以理解的。
三、南极西部冰原冰量减少
大多数南极西部冰原的根基都在海平面以下，并且有崩塌的可能性，如果接地线后退导致强烈的正反馈，海水将加快削弱冰原，并进一步导致与根基分离。在更新世期间，南极西部冰原至少后退过一次，不过后退的完整范围不得而知，也不知道是否在Eemian时期或者遥远、暖和的间冰期海洋同位素第11阶段（MIS-11，约距今40万年）发生。Eemian时期海平面上升约为1~4m，可能源于南极冰原，而且有可能源于南极东部冰原海平面以下的部分。南极西部冰原崩塌的前提可能是冰架的崩溃以及冰流的加速。温暖的海水侵入冰原下或者表面冰的融化可能引发冰原崩塌。这就要求表面大气温度局部变暖5°C左右，超过主要冰架（Ross和Fischner-Ronne）夏季融点。海洋变暖的阈值预计会更低。南极西部冰原本身要求在75~80°S地表大气局部变暖8°C左右以达到夏季融点。虽然IPCC没有给出一个阈值，但是报告所估计的范围在本世纪显然能够达到。有关重力测量的最新推论——南极西部冰原冰量正在减少，以及观测到冰川流入Amundsen海损失的冰量要多60%，导致海平面上升，这都引起了人们的担忧。尽管时间范围很不确定，但是南极西部冰原质变可能就在这个千年发生，而在300年内崩塌将是最坏的情形。海平面的快速上升（大于每世纪上升1m）更可能是源于南极西部冰原而不是格陵兰冰盖。
四、大西洋温盐环流翻转
如果大量的淡水（或者热量）进入北大西洋，就会导致由密度驱动的北大西洋深水形成的中断以及与之相关联的大西洋温盐环流的发生。根据温盐环流重建的研究结果，温盐环流在格陵兰末次冰期的快速气候变化中发挥了非常重要的作用。温盐环流的滞后现象在所有的模型中都能够发现，从海洋箱式概念描述到海洋—大气环流模型，这些模型都进行了系统测试。由于过高的计算成本，最复杂的模型还未进行系统测试。在北大西洋充足的淡水强迫下，所有模型都显示出温盐环流的崩溃。在某些试验中，这种崩溃是可逆的（驱动力消除以后，对流重新开始）；而另一些试验中，崩溃是不可逆的——预示着双稳态。上述两种情况都已经超过引爆点。当前的气候与引爆点的接近在模型间变化非常大，相当于向北大西洋额外输入了0.1~0.5Sv的淡水。北大西洋淡水输入对人为驱动的敏感性也很少被了解，但是区域降水量预计会增加，格陵兰冰盖贡献显著（如格陵兰冰盖在1000年间融化的冰量相当于0.1 Sv的淡水）。人们观察到北大西洋正在淡化，预计最近淡水输入增加量中的0.014 Sv来自融化的海冰，0.007 Sv源自格陵兰，0.005 Sv源于欧亚河流，共计0.026 Sv（没有考虑洋面降水量或者加拿大河径流量）。IPCC认为在2100年之前温盐环流的突然转变不太可能发生（可能性为10%），任何转变可能会花费一个世纪或者更长的时间。
五、厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）振幅增大
理论上，通过改变气候系统处于不同状态的时间，渐变的人为驱动力预计会与气候变率的自然模式发生相互作用。ENSO是最重要的海洋—大气模式，其变率（至少）受3个因素控制：赤道东太平洋（EEP）纬向平均温跃层深度和清晰度、年际循环的强度，以及横跨赤道的经向温度梯度。增加的海洋热吸收量会引起EEP温跃层的永久变深，并且导致目前的ENSO变率向更大振幅和（或者）更频繁的厄尔尼诺现象的必然转变。不过，一种自相矛盾的理论假设（由于赤道太平洋西部较东部明显变暖产生）持续的拉尼娜现象，会导致东风增强，加强EEP冷水的上涌。全新世中期，由于强大的纬向温度梯度，ENSO振幅有所减小。上新世早期全球变暖3°C左右的某些特征与持久的厄尔尼诺现象有关，而其他专家不同意这种观点。在未来驱动力作用下，第一个海洋—大气环流模型研究显示了从目前的ENSO变率向更持久或者更频繁的厄尔尼诺现象的转变。由于已经对许多海洋—大气环流模型做过相互比较，它们的瞬态响应没有一致的趋势，因此向更持久或者更频繁的厄尔尼诺现象转变的集合概率会很小。然而，最可行的模型模拟显示，在更暖和的稳定气候下，厄尔尼诺的振幅将增大（频率没有明显变化）。这会产生大规模的影响，即使转变是平缓和逐步的，引爆点也可能存在。根据未来千年内温度的变化预测，ENSO振幅增大所要求的变暖程度会在本世纪达到，但是所有阈值发生的位置和实际大小还很不确定。
六、印度夏季季风区降水减少
驱动着季风环流的陆地—海洋压力梯度，通过季风从临近的印度洋带来的湿度而得到加强（湿度—平流反馈）。因此，任何趋于弱化驱动压力梯度的扰动都可能使季风环流不稳定。温室气体在陆地和北半球的变暖趋势更强劲，这会使季风得到加强，但是由于气溶胶强迫或土地利用变化引起的大陆行星反照率的增加又会削弱季风。印度夏季季风在末次冰期和全新世期间的变率呈现快速变化的特征，在最近几百年里，增强的强度与北半球变暖相一致。最新的时间序列显示出强烈的非线性特征，从季节内到年际再到十年至百年时间尺度，年际变化滞后与ENSO的位相有关，尽管这可能逐渐地被人为驱动力所掩盖。一个简单模型预测，如果区域行星反照率超过0.5，印度夏季季风就会崩溃，而升高的CO2浓度又使季风稳定。IPCC预测没有给出本世纪的明显阈值，但是也一致认为硫酸盐气溶胶会抑制印度夏季季风区的降水强度，而温室气体浓度的升高会增加逐日降水量的年际变率。由于棕色云雾和土地利用变化驱动在模型中不能很好体现，在有关印度夏季季风过去表观阈值行为这个问题上，也不同于IPCC的观点。此外，有关印度夏季季风的潜在混沌性质的概念性工作已经有所进展，指出在一些有关土地利用、温室气体及气溶胶驱动的貌似有道理的10年时间尺度情景下，对应于季风的“活跃”位相和“弱”位相的混沌振动的两种高度非线性亚稳态之间，进行着季节内和年际时间尺度上的转换。
七、撒哈拉/萨赫勒地区与西非季风区植被斑块增多
在全新世中期，撒哈拉曾经是郁郁葱葱的森林，可能在比B?lling-Allerod变暖期更早的时候就发生了快速变化。大约5000年前撒哈拉植被发生了崩溃，比轨道强迫更迅速。该系统已经以双稳态的形式被模型化和概念化，而双稳态是由植被—气候反馈维持的。然而，它与西非季风环流密切联系，而西非季风又受到海水表面温度，特别是南北半球间不对称模式的影响。温室气体驱动预计会增加半球间的海水表面温度梯度，从而增加萨赫勒地区的降雨量，因此，最近萨赫勒地区的干旱被认为是冷却北半球的气溶胶负荷增加的结果。有关未来21世纪的预测结果不一致，有两个大气—海洋环流模型对西非季风的崩溃进行了预测，一个模型认为将进一步导致萨赫勒地区的干旱，而另一个模型则预测萨赫勒地区会变潮湿。由于从西边增加的入流量，后者的响应更符合常理，但是这需要几内亚湾海水表面温度升高3°C左右。第三个大气—海洋环流模型最符合西非季风实际的，其预测结果为平均降雨量没有大的变化趋势，但是到本世纪末异常干旱的年份将会加倍增加。如果西非季风被中断，就会导致西边入流量的增加。带来的水分将会使萨赫勒地区变湿，有助于撒哈拉的绿化，正如全新世中期模拟中看到的一样。实际上，在一个中等复杂模型中，预计大气中CO2的增加将会导致草原扩张，每10年撒哈拉地区就有大约10%的面积变为草原。在萨赫勒地区，由于大气CO2含量处于较高水平，使淡水的使用效率有所提高，灌木植被可能也会增加。
八、亚马逊雨林破碎化
大部分亚马逊盆地的降雨量被再循环，因此，亚马逊森林砍伐模拟通常导致降雨量减少20%~30%左右，延长了干旱季节，升高了夏季温度，使得森林的重建工作变得困难重重，预示着系统可能呈现双稳态。由于导致大部分亚马逊盆地干旱的厄尔尼诺现象持续时间变长，预计在全球变暖3~4°C左右的情况下，亚马逊雨林会枯萎消退。具有相似气候预测结果的不同植被模型也表明亚马逊雨林会枯萎消退，但是其他全球气候模型预计降雨量略有减少（或增加），也就不会导致雨林枯萎消退。区域气候模型预测，由于降雨量的普遍减少以及干旱季节的延长，亚马逊雨林将会枯萎消退。火灾频率变化可能会有助于双稳态的形成，并由于人类活动导致的森林破碎化而被放大。事实上，仅土地利用变化就可能使森林覆盖率达到阈值。因此，亚马逊的命运可能由直接的土地利用变化，与区域降雨量和ENSO对全球驱动的响应之间的复杂相互作用决定。
九、北方针叶林破碎化
北方针叶林系统呈现出树木生理学、永久冻土和火灾之间的复杂相互作用。在气候变化条件下，淡水压力以及夏季热胁迫峰值的增加，导致树种死亡率增加，对疾病与火灾的脆弱性以及繁殖速率的下降可能引起北方针叶林大面积的枯萎消退，而向开阔的林地或草原过渡。在北方针叶林内部地区，由于寒冷冬季霜害的影响，温带树种将不会得以延续。西伯利亚大陆草原将牺牲北方针叶林为代价进行扩张。新的解冻土壤（区域排水好）以及雪量的减少，引发干旱、火灾频繁，从而导致生物量减少。相反，在CO2浓度升高的情况下，融化深度的增加以及淡水使用效率的提高将进一步增加可利用的土壤水分，减少火灾发生频率，增加木质生物量。研究表明，北方针叶林枯萎消退的阈值在全球变暖3°C左右，但是现有模型和生理学知识的局限性使得这一阈值的不确定性较高。
科学家预测，这九大变化因素的“引爆点”都有可能在今后100年内出现。不过，科学家认为，通过实时监测和模拟数据可以制订早期预警体系。人类社会可能被全球变化的平缓预测所麻痹，产生一种虚假的安全感。综合现有的知识表明，在人类活动导致的气候变化条件下，各引爆点都可能会在本世纪内达到临界点，而且目前已至少有5个引爆元已经接近引爆点。在所有的影响因素中，最大的威胁是“引爆”北极海冰和格陵兰冰盖，有可能成为引发全球气候系统发生不可逆转变化的“最后稻草”。对这些变化因素及其引爆点的认识会影响气候政策，但是对每个引爆临界值而言，政策关联性的完整分析要求我们回答以下问题：减缓——我们是否远离临界控制值；适应——是否能够经受住临界系统特征的质变？
人们已经意识到气候专家仍未识别所有与政策有关的潜在引爆元。因此，应该利用古数据和多模型集成研究方法，对其他引爆点进行系统研究。由于引爆元仍然存在很大的不确定性，迫切需要人们增进对决定引爆元行为的潜在的物理机制的认识，使政策制定者能够认识变化的累积崩溃效应，“避免难以控制的情况发生，管理不可避免出现的事物”。
（作者单位：中国科学院国家科学图书馆兰州分馆）
《科学新闻》 (2008年 9月 第1期 政策管理) |
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