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2036,气候灾变?

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撰文 迈克尔 · E · 曼(宾夕法尼亚大学气象学教授,IPCC工作组成员)

翻译 邹立维(中国科学院大气物理研究所博士生,主要从事区域气候模式研发和气候模拟研究) 

审校 周天军(中国科学院大气物理研究所研究员,主要从事气候模拟、海气相互作用和季风变化研究)


根据《华尔街日报》的报道,“温度进入平稳时期已有15年了——没人能够合理地解释这一现象”。《每日邮报》称,“全球变暖可能已经‘停滞’20多年了,北极海冰也已经开始恢复”。这些关于气候的坚定论断充斥在大众媒体中,但它们都在误导大众。全球变暖没有减弱,而且仍是一个急切的问题(参见《环球科学》2014年第3期《全球变暖停滞了吗》)。


产生这种误解的原因是,数据显示,地球平均表面温度的上升速率在过去10年放缓了。该现象通常被称为“停滞”,但这一描述有些用词不当:温度仍然在上升,只不过没有以前那么快了。在这种情况下,有一个问题变得非常重要:这种短暂的减速,意味着地球在未来会以怎样的方式变暖?


政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)负责回答这类的疑问。根据现有数据,IPCC在2013年9月发布的报告中,调低了对未来变暖的预期。报告每5~7年发布一次,预测全球变暖趋势,对全球气候政策的制定有重要推动作用。因此,即使很小的变化都将引发很多争论,比如地球变暖的速度有多快、我们还有多少时间阻止变暖等。IPCC尚未评价变暖的影响以及如何缓解变暖,这些问题会在稍晚一些发布的报告中完成。我已经完成了一些计算,并认为计算结果可以回答这些问题:如果人类继续以当前的速度燃烧化石燃料,将在2036年达到毁坏环境的阈值。目前的这种“假停滞”现象,为人类多争取了几年时间,让我们可以努力减少温室气体排放,避免全球气候达到阈值。但是,也仅仅是几年而已。


“假停滞”之争


2001年,全球变暖引起了全世界的关注。IPCC在这一年发表了一张我与合作者共同设计的简图,即后来被大家熟知的“曲棍球杆图”。在这幅图上,球杆大致呈水平状态,且自左向右轻微向下倾斜,表明北半球温度在过去近1 000年(我们回溯的时间尺度)中只有很小的变化。而球杆的尾部则呈向上的状态,这说明自19世纪中期以来,温度突然且史无前例地出现了上升的情形。这张图引起了大众关于气候变化的激烈争论,我也无奈地成为了公众人物。


在2013年9月的报告中,IPCC延长了“曲棍球杆”的时间尺度,并得出这样一个结论:最近的这种变暖情形,在过去1 400年可能都没有出现过。


尽管在过去一个世纪,地球已经经历了前所未有的变暖历程,但为了估计未来的气候还会如何变化,我们需要知道,大气温度会对日渐高企的温室气体浓度(主要是CO2)作何响应——科学家把温度的这种响应称为“平衡气候敏感度”(equilibrium climate sensitivity,ECS)。ECS是衡量温室气体加热效应的常用度量,代表当大气中CO2浓度加倍,且气候达到稳定后,地球表面的升温幅度。


工业革命前,大气中CO2浓度约为280ppm,加倍值约为560ppm。科学家认为,如果人类像现在一样燃烧化石燃料,本世纪后期CO2浓度就将达到560ppm。更严重的是,随着CO2的增加,ECS的值将变得更高,升温将更快。对于给定的化石燃料排放状况,利用ECS可以很快得到地球表面的升温量。


事实上,要得到ECS的确切值是非常困难的,因为变暖受到云、冰和其他因素的反馈机制的影响。不同的模式对这些反馈机制的精确效应有着不同的结论。这其中云的影响最为关键。云一方面能够阻止太阳辐射到达地面,因而具有冷却效应,另一方面它又会吸收地球发出的长波辐射,因而具有升温效应。至于哪种效应起主导作用,这依赖于云的类型、分布和高度——气候模式很难预测这些参数。其他的反馈因素包括:在更暖的大气中的水汽量,以及海冰和陆地冰盖的融化速率。


由于这些反馈因素在本质上是不确定的,IPCC提供的ECS值是一个范围,而不是一个单一数值。在去年9月份的报告——IPCC第五次主要评估报告中,专家们确定的范围是1.5~4.5℃(约为3~8华氏度)。IPCC调低了该范围的下限——在2007年的第四次评估报告中,下限是2℃。调低下限值是基于一个很片面的证据:过去10年,地球表面变暖速度有所放缓了——是的,所谓的“假停滞”。


但包括我在内,很多气候科学家都认为,十年时间太短,不能准确度量全球变暖趋势,并认为IPCC受到了该短期数值的过度影响。此外,对这个“升温放缓时期”的其他解释,与绝大多数表明温度将继续上升的证据并不矛盾。例如,在过去10年中,火山爆发(包括冰岛艾雅法拉火山)的累积效应使地球表面温度的降低程度,可能比大多数气候模型的模拟结果还要强。另外,太阳辐射也有微弱但可测量的减弱,IPCC的模拟计算中亦未考虑。


海洋在吸收热量上的变化,也可能影响全球变暖的快慢。在这10年的后5年中,热带中东太平洋持续为拉尼娜状态,这会使得全球平均温度较常年偏冷0.1℃。较之长期的全球变暖,这是一个小量;但对于10年而言,这就是一个很大的量了。最后,最近的研究表明,北极温度记录的不完整性,会让科学家低估全球的实际变暖程度。


这些似乎还算可信的解释中,没有一个是说,温室气体对气候的影响程度有所减弱。其他的测量结果同样不支持IPCC修改的1.5℃的下限。结合所有形式的证据,ECS最可能的值接近3℃。事实证明,在IPCC第五次评估报告中所使用的气候模式,暗示了一个更高的ECS值:3.2℃。换句话说,IPCC设定的ECS下限对未来地球气候和当前的“假停滞”可能没有多大意义。


然而,为了进行论证,我们暂将这种“停滞”作为真实情况。如果真实的ECS值比先前认为的低0.5℃,这将意味着什么?它是否会改变我们对化石燃料燃烧所带来的风险的评估?地球将会多快达到临界值?


22年后灾难来临?


多数科学家同意,较之工业革命前,升温2℃将危害到所有人类文明:粮食、水、健康、土地、国家安全、能源和经济。如果我们以当前速率排放CO2,“升温2℃”将在何时发生?利用ECS值可以对此给出一个估计。


我最近进行的一项计算是,利用能量平衡模型(energy balance model),通过设定不同的ECS值,来计算可能的未来温度。科学家多用这种模型研究可能的气候变化。利用计算机模型能够得到,不断变化的自然因素(如火山和太阳)、人为因素(温室气体、气溶胶污染物等)会使地表平均温度发生怎样的变化。(虽然受到过各种批评,但气候模型是我们基于物理学、化学和生物学,来描述气候系统运行机制的最佳方式。而且气候模型也得到过实战验证:数十年前的一些模型就准确预测了近些年的气候变化。)


我利用能量平衡模型,在假定温室气体“照常”排放的前提下,预估了未来的气候变化。通过设定不同的ECS值(从IPCC的下限1.5℃到其上限4.5℃),我利用该模型得出多个结果。将ECS设定为2.5℃和3℃得到的温度变化曲线与历史观测结果最为接近。输入太小(1.5℃)或太高(4.5℃)的ECS值,最终得到的曲线与仪器记录到的数据差别很大,这更加证实了这些值是不现实的。


让我感到惊讶的是,我发现当ECS所取的值为3℃时,地球温度的升高幅度将在2036年达到2℃这一危险阈值——距离现在只有22年了。如果考虑更低的ECS值,例如2.5℃,地球温度将在2046年达到阈值,但也只是延后10年而已。


因此,即使我们接受一个更低的ECS值,结果也不是全球变暖将停止或者“停滞”。它只是给了我们稍多的时间——可能是非常宝贵的时间——来阻止地球升温达到2℃。


回到20世纪中叶?


这些发现暗示,我们必须要采取一些实际行动,以防止灾难发生。3℃的ECS值意味着,如果要让地球的升温幅度不超过2℃,需要将大气中的CO2浓度保持在远低于工业革命前两倍的水平,大概为450 ppm。但具有讽刺意味的是,如果人类显著减少煤炭使用量,在减少CO2排放量的同时,也减少了大气中气溶胶(如硫酸盐颗粒)的数量,而这些气溶胶可以阻止太阳光的入射。因此,综合这一因素,如果我们要控制升温幅度,就需要将CO2浓度限制在405ppm以下。


我们距离405ppm这个极限值已经不远了。2013年,大气中的CO2浓度曾短暂地达到400ppm,这是有史以来第一次。根据地质证据,这可能也是过去百万年来的第一次。为了避免突破405ppm的阈值,化石燃料的燃烧需要立刻完全停止。而为了避免突破450ppm的阈值,全球碳排放的增加也只能再持续几年,然后必须每年减少几个百分点。这都是非常艰巨的任务。如果ECS值确实是2.5℃,达到排放目标将会稍容易些。


即使这样,还需要考虑相当多的因素。将CO2限制在450ppm以下就可以避免地球温度升高2℃,这一结论只是比较保守地考虑了气候系统中云、水汽、海冰融化等可以快速反馈的影响因素。而美国航空航天局戈达德空间研究所前任负责人詹姆斯·E·汉森(James E. Hansen)等气候科学家认为,我们必须考虑一些更慢的反馈因素,如大陆冰盖的变化。如果考虑这些因素,汉森和其他一些科学家认为,我们必须让CO2浓度回到20世纪中叶的水平 (约350ppm) 才行。这需要广泛推广昂贵的 “空气捕捉”技术,才能有效地将CO2从大气中移除。


此外,升温2℃的安全线也是非常主观的。这一结论只考虑了大多数地区升温2℃后,可能经受不可逆转的气候变化,但破坏性的变化在许多地区已然发生了。在北极,海冰的减少和永久冻土的融化,已对当地土著居民和生态系统造成了严重破坏。在一些低洼的岛国,由于海平面的上升和海水入侵,土地和淡水都在消失。对于这些地区,当前的变暖以及由已排放CO2所致的进一步变暖(至少0.5℃),都将导致破坏性的气候变化。


希望ECS值真的是2.5℃。如果是这样,我们还可以对未来持谨慎的乐观态度。这将激励我们努力改变现状,避免对地球造成不可挽回的损害——也就是说,我们必须转变能源结构,不再依赖化石燃料。


(本文译者、审校专家受邀翻译此文,不代表支持原文作者的观点)

整理:果粒

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