從阿拉斯加北極地區出發探索氣候變化

綺麗的北極光（蔣怡 攝影）

翻開世界地圖，我們可以看到北美洲伸向西北太平洋的一片區域——美國阿拉斯加州北極地區。那裡西瀕白令海、白令海峽和楚科奇海，與俄羅斯隔海相望；北臨北冰洋，東接波夫特海。北美洲最高的山峰麥金利山（海拔6193米）坐落於此，並發育有大量山谷冰川。這裡是因紐特人世代居住的家園，也是大自然展現極光和極晝之美的舞台。近幾年，我們將目光投向這一地區，重點關注這裡的氣候變化，進而深入研究整個北極地區的氣候變化及其對全球氣候的影響等。

北極地區氣候變化與海冰退縮

半個世紀以來，全球氣候變化深刻影響到阿拉斯加北極地區：此處平均氣溫增溫達3℃～ 4℃，約為其他地區的 2倍；冬春季節更為明顯，這一現象被稱為「北極增溫放大效應」。來自冰芯的氣候記錄也進一步證實：最近幾十年來，阿拉斯加北極地區的增溫非常迅速。

海冰是反映氣候變化的一個重要指標，可影響地表反照率（地表反射輻射通量與入射輻射通量的比值）、雲量、空氣濕度、海洋與大氣界面能量和水分交換以及洋流等。北極變暖使冰雪消融的時間提前，消融期延長，導致北極冰凍圈的物質平衡隨之發生改變。據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）以及北極氣候影響評估（ACIA）相關資料，1979-2006年間，北極的海冰範圍呈逐月減少趨勢，特別是多年冰的面積和厚度也在快速縮小。過去30年來，北極年均海冰面積減少約8%，接近100萬平方千米；海冰夏季消融呈加速趨勢，達15%～ 20%。海冰厚度亦呈減薄趨勢，1960-1990年，海冰厚度平均減薄10%～ 15%。海冰的減少會降低大洋表面反照率，通過冰雪反照率的正反饋效應進一步加速氣候變暖。

目前研究發現，人類活動排放的大量黑碳（含碳物質，主要是石油、煤、木炭、樹木、柴草、塑料垃圾和動物糞便等不完全燃燒發生熱解的產物）對反照率有顯著的直接影響。黑碳主要源自森林火災、秸稈焚燒、氂牛糞和木炭燃燒等，以及化石燃料的不完全燃燒，黑碳排放到大氣中後迅速發生轉變，分裂成密集的成串顆粒，吸收水分，並與其他大氣化學物質發生混合。初始排放的黑碳顆粒直徑主要在次微米級範圍，通過搭載在航空器上的儀器測得的黑碳粒徑通常在30納米或更大，較大的顆粒直徑甚至達到 150 納米。當黑碳隨大氣傳輸沉降到北極雪冰表面，會導致雪表變暗、反照率降低、雪溫增加和消融加速等情況發生。

2017年，北極科考隊在巴羅環境觀測點

架設氣溶膠觀測儀器（張玉蘭 攝影）

我們觀測到，海冰表面粒雪隨深度增加主要呈現6種狀態，從表層到底層依次為新降雪、凍融殼、冰片、深霜、凍結狀粗雪以及鏈狀深霜。粒雪底部存在一個融雪再凍結成冰的過渡層。粒雪平均厚度約為7厘米，密度約為每立方米300千克，不同區域以及不同積雪類型也會導致厚度和密度的空間差異。粒雪中的黑碳含量約為每克十幾到二十幾納克，我們利用輻射傳輸模型估算的結果是：雪冰中的黑碳導致阿拉斯加北極地區的輻射強迫約為每平方米0.65瓦。其中的輻射強迫是指：當地面和對流層溫度保持不變時，平流層溫度重新調整到輻射平衡後，對流層頂凈輻射通量出現的變化。但有些物理因子（如黑碳）能改變這種輻射能量平衡，進而引起氣候變化，這些因子就被稱為輻射強迫。沉降到雪冰表面的黑碳氣溶膠產生的輻射強迫可加速雪冰消融。北冰洋夏季雪冰中黑碳的輻射強迫要比春季大得多，可達每平方米2.8瓦，而春季時只有每平方米0.54瓦。增加的輻射以長波的形式經由地表釋放到大氣中，從而加熱低層大氣，阻礙了高低層大氣間的熱量交換，因而，近地面氣溫的響應與北極地表雪冰黑碳的輻射強迫具有密切的聯繫。

北極對全球氣候的影響

北極對全球氣候有獨特而重要的影響。北極大部分地區廣覆冰雪，能反射大部分太陽輻射，如果沒有海洋和大氣將中低緯度地區的部分熱量輸送到極地，這裡的氣候將更加嚴寒。

北極地區的積雪和海冰表面具有較高的反照率（高達80%以上），表明對太陽入射輻射的反射能力很強，入射太陽輻射僅有很少部分被雪冰所吸收，因而氣溫較低，積雪和海冰持續時間較長，形成正反饋。這種反照率及其反饋作用是導致北極地區氣候寒冷的重要因素。但近幾十年，由於溫室氣體濃度增加，底層大氣溫度升高，冰雪就會在晚秋推遲形成，並在早春提前消融。冰雪消融導致地表以及洋面裸露出來，從而吸收更多的太陽輻射，進一步加熱大洋和地表，冰雪因此加速消融。這個持續循環的過程會放大增溫效應。這也是北極地區冰凍圈（冰川、積雪和海）加速消融的主要原因。

美國阿拉斯加冰川海灣國家公園一角（蔣怡 攝影）

另一方面，隨著太陽輻射吸收的增加，氣溫升高，森林開始向苔原帶擴張。樹木比苔原能夠吸收更多的二氧化碳，這在一定程度上可減緩增溫效應。但是，由於森林擴張而導致的地表反照率降低，反過來也會促進增溫。

而大氣中的黑碳可吸收更多太陽輻射，進一步導致區域溫度增加。由於北極地區有大量冰川和多年凍土分布，冰凍圈的消融會導致全球海平面上升。觀測發現，1971—2010年間，海平面平均上升速率為每年2.0毫米，其中75%歸因於冰川冰量的損失和因變暖導致的海洋膨脹。

海洋環流形式的改變也會影響全球氣候。北極冰凍圈消融，大量淡水加入海洋，由於鹽度較低、密度較小而無法下沉，會導致大洋的溫鹽環流（指依靠海水的溫度和含鹽密度驅動的全球洋流循環系統）阻塞，大洋暖流無法到達高緯度地區，從而導致降溫。減緩的溫鹽環流可能使區域的增溫減緩，或可能導致幾十年的降溫效應。大量證據表明，自20世紀80年代初以來，大多數地區多年凍土的溫度已升高。20世紀80年代早期至2005年前後，阿拉斯加北部一些地區的升溫幅度達到3℃。

北極多年凍土區存儲著大量的碳，伴隨著凍土的消融，活動層中的有機碳分解，釋放出大量的甲烷和二氧化碳。增溫效應會加快有機碳釋放的速率，並使反饋機制進一步增大。多年凍土碳釋放量的大小主要受土壤濕度等的影響。由於氣候變暖導致的植被演化可能從另一方面增加生態系統碳儲量，改變徑流侵蝕等，對全球氣候的影響更為複雜。

氣候變化對北極生態系統的影響

當春天來臨，北極小草泛綠、鮮花吐蕊、飛鳥北歸，一派生機盎然。然而，由於氣候變化導致的海冰和積雪等變化也讓脆弱的北極生態系統，特別是海洋生物以及鳥類等，面臨嚴峻的考驗。

在冰面上尋覓食物的北極熊（蔣怡 攝影）

因紐特人是北極當地的居民，他們在大約 1 萬年前從亞洲經過白令海峽的冰橋來到美洲。長期以來，他們以獵捕北極熊、鯨魚、海象、海豹和水鳥等海洋動物為生。在過去的幾十年時間裡，因紐特獵人狩獵時的座駕已經從傳統的雪橇改為雪地摩托，人們不再追隨動物的季節性遷移而居。再加上受氣候條件的限制或者捕獵活動的減少等原因，他們逐漸定居下來。鯨是因紐特人的生活必需品，但由於鯨的數量不斷下降，加之海冰厚度變薄和範圍縮小等因素的影響，因紐特人每年的捕鯨時間較之以前已經提前。

北極生態系統的變化格局不僅將深刻影響因紐特人的生活，也會影響全球範圍內依賴北極地區遷徙或生存的鳥類、鯨、海象和北極熊等。每年夏天，有數百萬鳥類遷徙到北極地區，而受氣候變化的影響，樹線（這裡指直立樹木生長的緯度北界）北移、苔原帶縮減，鳥類的捕食區和繁殖區域快速減少。

據估算，到21世紀末，有 10 種海鳥的活動區面積將減少約50%。目前，北極熊是唯一依然生活在北極原始生境的大型動物，它們依靠環繞北極的雪原和浮冰狩獵為生。北極熊是游泳健將，也是一種喜好獨來獨往的食肉動物。它們以浮冰為家，而浮冰隨時都在漂移，因此北極熊能夠到達較遠的地方。全球變化已對北極熊的生存造成負面影響。根據加拿大環境部野生動植物保護署提供的報告，生活在哈得孫灣的北極熊的數量一直在減少。由於近年來海冰開始融化的時間比 20世紀中期提早了3個星期，迫使北極熊向內陸深處轉移，而此時它們尚未來得及為浮冰上的小熊補充足夠的脂肪。如果北極的夏季無冰期延長，北極熊就只得飢腸轆轆地留在陸地上；若結冰期遲遲不到，北極熊就無法狩獵，體內也無法儲存足夠度過漫長冬季的脂肪。而這會影響到北極熊的繁殖，也會影響到雌熊產奶的能力。有數據顯示，北極熊的數量正呈下滑趨勢，它們已成為名副其實的「氣候難民」。

北極熊寶寶正在跟媽媽撒嬌（蔣怡 攝影）

增溫也使北極陸生生物種群發生改變。冬季，野鼠類主要生活在苔原地表與積雪之間。而溫和的天氣和濕雪破壞了積雪這一天然「絕緣帶」，毀壞了它們的洞穴，進而威脅到這些野鼠的生存。由於受到凍融循環以及凍雨的影響，馴鹿的種群數量呈下降趨勢。對一些北極居民來說，原來依賴馴鹿作為食物或者運輸工具的傳統生活方式將會受到影響。

此外，氣候變化導致的其他結果，再加上人為環境污染，對北極地區生物的習性以及食物鏈均會產生比較大的影響。

北極環境一直處在變化中，氣候變化是這些變化中最重要的驅動因子，伴隨著社會和經濟的快速發展，環境問題也愈加突出。能源需求、北極航道和全球變化等都對北極未來的發展有重要影響。毫無疑問，北極升溫及其導致的一系列變化離我們並不遙遠，任何生物，包括我們人類在內，都不可能獨善其身。

（作者單位：張玉蘭/中國科學院西北生態環境資源研究院冰凍圈科學國家重點實驗室；康世昌/中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心）

本文為《大自然》2018年第2期原創作品

歡迎收藏和分享，轉載請註明文章出處

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！