北極氣候劇變，一些異常令人震驚
氣候危機下的格陵蘭島。2016年夏季，格陵蘭冰蓋的總量達到了自2002年有衛星觀測記錄以來的歷史最低值。（東方IC/Barbara Dombrowski/圖）
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北極正在發生劇烈變化，僅僅在過去三年，很多關於北極的記錄已經被打破了，其中一些異常令人震驚。觀測數據揭示了比預測更嚴峻的現實，我們模擬的結果似乎遠遠低估了北極正在發生的變化。
Scientific American 中文版《環球科學》授權南方周末發表
文 | 珍妮弗·A·弗朗西斯 （Jennifer A. Francis）
翻譯 |陳陽
2003年，包括我在內的25位科學家似乎對北極的變化產生了某種頓悟。當時美國自然科學基金委員會邀請我們到蒙大拿州的長空之鄉（Big Sky）參加一次討論會。在這次會議之前，我們每個人都在開展關於北極的研究，但側重點僅僅局限在各自研究的幾個問題上。當共同分享了自己的研究進展後，大家驚訝地意識到：我們分別從不同的方向研究北極，但是這些不同的方向和內容所帶來的進展存在著內在聯繫，方方面面的變化都能完美地契合在一起。北極的整個氣象環境系統正在朝岌岌可危的方向演變，並且，阻止這種變化趨勢的可能性已經微乎其微了。
在此前發表的一篇論文中，我們得到了令人震驚的結論，當然這個觀點也極具爭議性：以目前的變化速率推算，在一個世紀以內，北冰洋就有可能在某個夏季出現海冰全部消失的情況，這種情景在過去幾千年來從未發生過。現在，我再次感到震驚，因為北極在夏季出現零冰層的現象很有可能在2040年前就會發生，這比我們十多年前的預測足足提前了60年。
北極正在向著科學家預想的情況演變，但是變化的速度將比最激進的預測還要快。而近期在北極發生的一些現象也是前所未有的，很多保持了幾十年的紀錄被打破，其中包括夏季海冰的消失程度、冬季海冰的減少量、北極氣溫升高的速率和北極地表的融化等等。
這樣的趨勢會給世界帶來嚴重後果。在12.5萬年前，北極的氣候曾經出現過比現在稍微偏暖的情況，當時的海平面已經比現在的狀態高4到6米了。一旦海平面達到這個高度，將會徹底淹沒邁阿密、新奧爾良、弗吉尼亞海軍基地、紐約的大部分地區，像矽谷、威尼斯、倫敦等世界上非常重要的城市和區域也會慘遭水淹。新的研究表明，北極快速增暖也可能使高空西風急流偏離原本正常的軌跡。這會導致災害性的天氣持續更長的時間。北美、歐洲中部和亞洲地區都會受到影響，幾百萬人口也會受到熱浪、乾旱或者風暴的持續侵襲。在氣候變暖的大背景下，北冰洋南部的浮游生物正在大規模增長，這可能會導致維持當地商業漁業所需的食物鏈遭受破壞。當海冰大量融化以後，也會讓體量巨大的淡水湧入格陵蘭南部。這可能減緩墨西哥灣暖流的流速，進而導致大西洋東西兩岸大陸上的天氣趨勢發生顯著變化。
可是，是什麼導致了北極出現如此嚴峻的變化？
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「永久性」極冰消亡？
北極地區對氣候變化極為敏感。對於整個地球氣候系統而言，北極就像是「煤礦中的金絲雀」（多年前，煤礦工人把金絲雀放入井下，檢驗礦井中有無有害氣體和污染物）。過去幾年中，一連串被打破的紀錄成了堅實的證據，驗證了過去幾十年間令人緊張的氣候模擬結果，而這也剛好切中了北極變化的要害。麻煩的是，觀測數據揭示了比預測更嚴峻的事實，我們模擬的結果似乎遠遠低估了北極正在發生的變化。
僅僅在過去的40年中，北冰洋夏季的海冰面積就已經萎縮了一半。全年的海冰體量也在逐步下降。目前的體量僅為20世紀80年代早期的四分之一。科學家原本推測，至少要到本世紀中葉，北極海冰的體量才會減小到如此低的程度。
夏季海冰之所以快速消失，可以歸咎於反饋效應（一種可以將原來比較小的變化迅速放大的惡性循環）。例如，當少量額外的熱量融化了大洋表面潔白光亮的海冰後，更多顏色較深的海洋水體就會暴露在外，這會導致被冰面反射回太空的太陽輻射明顯減少，換句話說，海表將會吸收更多的熱量。被海表吸收的熱量會繼續加熱該區域，融化更多的海冰，導致變暖進一步加劇。
在北極地區，冬季沒有光照，但另一種反饋機制卻會發揮作用。通常，漂浮在北冰洋海面上的海冰就像一塊巨大的隔熱板，阻擋了海洋中的水汽和熱量向大氣中輸送。海冰減少後，更多的熱量和水汽就會逸散到大氣中，加熱大氣，延緩海冰的生成。在計算系統作推測時，整個模擬的過程往往會大幅低估海冰消失的速度，從而導致對未來變暖速率的估值偏向保守。
除了正在消失的北極海冰之外，另外兩種「永久性極冰」的快速減少，也讓我們和其他研究極地環境的科學家徹夜難眠。
其中一種是多年凍土，這種凍土本來應該全年都維持著冰凍狀態，但現在它們開始消融了。建在多年凍土上的建築物逐漸垮塌，生長在凍土上的樹木在倒下，道路也開始彎曲變形了。當凍土封凍了幾千年的有機質被釋放出來後，細菌就會把它們分解成為二氧化碳（在有氧環境下）或甲烷（無氧環境下）。北極地區的多年凍土中，碳儲量大約是目前大氣中的2倍，因此多年凍土的大規模消融會給全球變暖的進程帶來極大的影響，反過來，這個過程又會進一步加速凍土消融。很遺憾，目前計算機模擬並不能準確地還原凍土消融帶來的影響，因此，科學家對全球變暖的預估嚴重低於真實進程。
第三種永久性極冰是在陸地表面結凍的水體，包括冰川和格陵蘭地區龐大的冰蓋，它們厚度可以在千米以上。與海冰融化產生的間接效應不同，這類極冰融化形成的徑流在進入海洋後，會直接抬升海平面的高度，給全球所有沿海區域帶來可怕後果。
2016年夏季，格陵蘭冰蓋的總量（通過衛星觀測其對地球重力的影響來測算）達到了自2002年有衛星觀測紀錄以來的歷史最低值。同時，這一年的冰蓋總量也低於20世紀50年代末期以來用其他觀測手段觀測到的冰蓋量。一份最新的研究表明，格陵蘭地表冰蓋加速融化與海冰減少導致的變暖也有緊密的聯繫。
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暖濕的大氣
海冰的減少和北極地區快速升溫還產生了其他深遠的影響。這兩種變化會共同改變大氣上層的風，從而將額外的熱量和水汽從低緯度地區輸送到北極。2012年，格陵蘭地表冰層融化就是由於大氣中一直維持著異常強盛的高壓脊，也就是所謂的阻塞高壓。阻塞高壓不僅從南方帶來了熱量和水汽，還帶來了北半球山火燃燒後的灰燼和顆粒。這些灰燼顆粒會令冰和雪的表面變暗（會降低冰層和雪面的反射率），導致冰雪表面吸收更多的太陽輻射，加速融化。這又會形成我們之前提到的惡性循環。
近幾十年來，阻塞高壓在格陵蘭地區附近的發生頻率越來越高了，夏季時尤為明顯。從另一個側面來講，阻塞高壓活動的增加，或許可以解釋冰蓋加速消融的現象。在當地，2016年夏季冰量的減少幅度可以排到有記錄以來的第三位，僅次於2010年和2012年的海冰減少。我和同事們的最新研究表明，阻塞高壓的頻繁發生極有可能與全球變暖緊密相關。然而，計算機模擬還是很難比較真實地再現阻塞高壓形成和崩潰的過程，因此也很難預測阻塞高壓未來的變化趨勢和特徵。
北極的其他變化同樣非常奇特。在過去兩年的冬季里，北極點附近連續發生了破紀錄的熱浪事件，並且一次比一次偏暖。海冰的減少和變薄是部分原因，二者會導致海洋的熱量更容易進入大氣。高空西風急流的南北擺動也會將大量暖濕空氣輸送到高緯度地區，這些暖濕空氣的量也一次次地突破了記錄。科學家往往很容易忽略額外的水汽產生的影響。首先，水汽是一種溫室氣體，在北極乾冷的大氣環境中，即便額外增加微量的水汽都可以阻止大量的熱量向外散逸。而且這些水汽在凝結成雲的過程中還會釋放凝結潛熱，進一步加熱大氣。最後，雲量增多會使更多的熱量被困在雲層下方的低層大氣中，從而成為導致北極加速融化的另一種誘因。
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更多的極端事件
從歷史上看，目前北極的變化是人類經歷過的最劇烈的一次。鑒於事實已十分明顯，大氣學家正在試圖弄清北極的變化對人類社會和生態系統會產生什麼樣的影響。通過這些研究，我們可以做出合理的決策，有針對性地應對未來可能發生的現象。
在所有問題中，最明顯的影響是沿海地區可能遭遇洪災。根據「憂思科學家聯盟」最近發表的一份報告顯示，在20年內，美國大約有170多個沿海地區會定期受到洪水的侵擾。到本世紀末，如果各個國家依舊我行我素地排放二氧化碳，多數沿海大城市將經常遭受洪水的襲擊。這份特別具有前瞻性意義的報告剛好是在哈維颶風、厄瑪颶風和瑪利亞颶風到來之前的幾周發表的。相繼到來的三場颶風也讓當季成為美國歷史上受災最重、經濟損失最大的一次颶風季。
現在，越來越多的證據表明，北極地區低層大氣變暖可以影響對流層高層的西風急流，這種影響甚至可以到達平流層，那裡恰好是形成環繞北極的渦旋風的地方。在蜿蜒的急流中，急流北側的脊和南側的槽會產生高壓和低壓中心，也就是我們在天氣圖上看到標記著字母「H」和「L」的地方。
急流的蜿蜒運動控制著北半球天氣的形成和發展。不過，如果蜿蜒運動的幅度太大，頻率太高，我們將會在數以十億人生存的地區見到更頻繁的極端天氣。因為蜿蜒幅度較大的急流從西至東移動時，速度會減慢，這會使急流觸發的天氣現象在對應地區停留的時間變長。比如，連續不斷的熱浪、持續性的強降水等等，就像在2017年8月襲擊了休斯敦的哈維颶風一樣，它就是移動緩慢的颶風。此前，加利福尼亞州曾經歷了異常強烈的山火季，這也跟蜿蜒運動有關。
急流的大幅度波動和北極的強烈變暖可以使極渦（在極地高空，為了保障在空氣收縮下沉後質量依然連續，空氣會向下沉區匯合，並在高空形成一個低壓性質的渦旋，這個渦旋稱為極地渦旋，也就是極渦）活動異常，這會造成封凍時間延長或者暴風雪時間延長。2018年1月初襲擊美國北部地區的持續性嚴寒就是此類影響的一次實例。極渦的崩潰同樣可以造成急流在南北方向上的大幅度擺動，這會將大量的暖空氣輸送到阿拉斯加甚至比這裡更偏北的地區。因此，又會讓相關地區出現不可思議的冬季熱浪，並通過之前提到過的反饋機制加速北極變暖。一些研究表明，北極變暖與急流蜿蜒的形態密切相關。當然，其他研究則認為將二者聯繫起來的證據並不充分。
北極快速變暖很可能顯著地改變陸地和海洋生物的棲息環境。事實上，這種影響已經開始顯現。當海冰縮減後，浮游生物開始出現在一些高緯度區域，它們在原本過於寒冷的地區和季節里逐漸繁盛起來。這會吸引低緯度的魚類向北極水域聚集，低緯度地區的魚類資源則會大大減少甚至消失。
春天時，高緯度地區融雪時間提前已經導致當地的苔原提前變綠，蟲卵早熟。遷徙的鳥類原本會通過白晝的長短變化、植被變綠的時間以及昆蟲的活躍期來判斷季節的變化，但是，提前變綠的苔原和提前孵化的昆蟲會令在高緯地區覓食的鳥類面臨障礙，因為它們抵達的時間很有可能晚於最合適覓食的時段。
與此同時，北極地區的居民也感受到了北極變化的影響。海冰的融化使他們無法在傳統的打獵地區狩獵。原本受到沿岸海冰保護而免受海浪侵蝕的居住地也出現了問題，這些地區在海冰消融後都受到了大浪侵蝕的威脅。更麻煩的是，一些大國和大型商業公司開始湧入北極，試圖獲取海冰融化後帶來的自然資源，他們會搶奪寬闊富饒的海床，進而造成國際關係緊張。
每當持久的極端天氣在部分地區肆虐，或者關於北極的一些紀錄再次被打破時，各位科研人員在長空之鄉會議上展示的進展就會在的我腦海中重現。現在，就連我的鄰居們都開始關注和談論北極的變化了。調查顯示，大多數美國人認為，北極冰的消失和急流突變等問題可以相互作用，共同引發變化無常的天氣現象。
或許，曾經的北極可能會顯得無情，但總體來說是穩定的。現在，北極變得更加陰晴不定，甚至已經在全球範圍內引發了一系列連鎖反應，而它所經歷的這些變化很有可能是不可逆的。進一步需要追問的是，這些影響是否可以避免？
這個問題的答案或許不是簡單地「是」或「不是」。因為氣候系統的響應滯後於大氣中二氧化碳含量攀升的速度，並且二氧化碳在大氣中的生命周期很長，所以現在大氣中的二氧化碳含量已經可以對未來的氣候系統造成影響。但是，如果人類很快做出響應，迅速降低二氧化碳的排放，甚至研發能夠從大氣中提取碳的方法，那麼未來北極變化的幅度和速度還是有望降低。
雖然目前兩種減緩溫室氣體的方法都取得了不錯的進展，但是對於降低大氣中的二氧化碳含量來說，我們的貢獻還是太小，甚至可以說有些為時已晚。現在，我們正航行在未知的海域里，我們能做的或許只有隨時準備好應對極端異常情況。
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