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高温肆虐,会变得越来越普遍

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本文选自《世界科学》杂志2022年第10期“大家·科技前沿”栏目,更多内容请参见杂志或微信公众号:世界科学(ID:World-Science),作者:邬锐(上海市气象局首席服务官),原文标题:《邬锐:今年为何“高温肆虐”?| 大家》,题图来自:视觉中国


地球历史上的气候变化既有缓慢而持久的渐变,也有快速而短暂的突变。后一种气候变化现象就是气候事件,气候事件表现为温度和湿度快速而短促的突变交替变化,它标志着气候演化史上的转折点。气候事件有时是全球性的,有时则是区域性或地方性的。


气候事件的预测和暴发可以借用一下金融学上近来非常流行的概念——黑天鹅事件和灰犀牛事件。黑天鹅事件指的是难以预测,但突然发生时会引起连锁反应、带来巨大负面影响的小概率事件。而灰犀牛事件指的是明显的、高概率的却又屡屡被人忽视、最终有可能酿成大危机的事件。


气候事件本身是非常复杂的过程,故而并不是简单地讲某个气候事件划分为黑天鹅事件和灰犀牛事件,而是在某个气候事件里到底哪些属于黑天鹅效应的子事件,哪些属于灰犀牛效应的子事件,而且一个气候事件从不同的时空尺度来看会出现不同的结论。


比如恐龙灭绝的各种假说中充满了对6500万年前地球气候的猜测,地球气温的跌宕起伏从长期看就是灰犀牛事件,从短期看却是黑天鹅事件。看似是黑天鹅事件的小行星撞击地球,其实长期来看也是灰犀牛事件,我们只要看看月球上无数的陨石坑就明白了。从这个角度来理解2022年全球的高温肆虐,就会更加深入、全面地看待地球的气候变化。


一、从历史角度看地球气候变化


对于地球来说,我们一直为“气候之谜”的壮丽和诡异所困惑。在地球46亿年的历史中,它的变化可谓超乎想象,是一个由热变冷再转热的星球。简单回顾它的发展历程是这样的:


它诞生之初,地表温度高达1200℃;

在39亿年前,地表积存大量的水,慢慢组成海洋,地表温度降低,冷却到了70℃;

7.5亿年前,地球上剧烈的地质活动引发大量的火山喷发,火山喷发排出大量的二氧化碳;

2.5亿年前,整片大陆都在喷发熔岩,大量的熔岩喷发使得大气中的二氧化硫浓度升高;

4万年前,进入冰河世纪,冰川迅速在整个北半球蔓延;

2万年前,冰河世纪进入尾声;

14000年前,冰河世纪结束,北半球冰雪退去。

此后地球开始慢慢恢复成现在的模样,气温适宜人类生存和文明发展。


如果从行星的发展来看,太阳系中类地行星有着两个因素是共同的——岩石和水,其演变也是岩石和水不同相态的变化。与其他类地行星相比,地球在这两者的配比关系最为均衡,这分成两个方面:一个是静态,现在地球的海洋和陆地的分布范围适合太阳热量和水汽的循环;另一个是动态,地球历史上火山的喷发造就了岩石圈和大气层,使得地球可以灵活地调节太阳的能量。


特别是这种互动的平衡,一次次地在地球的历史里叙写着“冰与火之歌”,在时间长河里孕育出生命,而且发展出了人类的文明。


“温室效应”的功与过


气候变化最重要的表现就是气候变暖,随着全球极端天气的日趋频繁,全球气候变暖的概念越来越深入人心。全球气候变暖肇始于地球大气层的一种重要机制——温室效应。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收,这样就使地表与低层大气温度增高,因其作用类似栽培农作物的温室,故名温室效应。


虽然温室效应是对我们地球生命极其重要的机制,但是万事皆有度,由于人们焚烧化石燃料,如石油、煤炭等,或砍伐森林并将其焚烧时会产生大量二氧化碳,即温室气体,温室效应的加剧也造成了地球生态环境的破坏,愈演愈烈的话,很可能会出现某些灾难性结果。


气候变暖属于全球地球气候系统的范畴,后者是一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的,能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。由于它是一个对人类至关重要的复杂系统,全球气候变暖会产生一系列的连锁反应,导致全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等,不仅危害自然生态系统的平衡,还影响人类健康甚至威胁人类的生存。


“临界点”假说


“气候临界点”最早是由联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的,它的意思是从气候系统的角度来说,全球或者某个区域的气候从一个稳定的状态转变为另一种稳定状态的关键指标。而这个转变一旦发生,地球的气候将会产生巨变,且这个改变是不可逆的。届时,人类面临的或将是一个更加不适宜居住的地球。


从目前的情况来看,一旦突破临界点,地球可能会成为“温室”地球。科学家将全球大约15个主要区域的气候系统设立为具有代表性的临界点观测目标,包括南北极冰盖、太平洋洋流、珊瑚礁等,这些临界点相互存在着关联,可谓是“牵一发而动全身”。


当南北极冰盖开始融化,海平面将会上升,淹没沿海低洼地区,海洋生态链也将产生剧变。而海洋温度的变化也会给陆地带来更多的极端天气事件,从而导致土地大面积干旱,就连茂密的亚马孙热带雨林也可能会变成草原。这些连锁反应将会严重影响食物链,从而给人类带来生存危机。


全球气候变化导致生态系统发生转折的临界值是全球平均气温升幅1.5℃。


2016年在纽约签署的《巴黎协定》,长期目标是将全球平均气温控制在较工业化前水平上升2℃之内,并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内。许多科学家认为,一旦放任全球升温超过1.5℃,将会导致严重的甚至不可逆的气候变化影响。



根据联合国政府间气候变化专门委员会第六次评估报告,如果全球升温1.5℃,接受研究的10.5万个物种中,将有约6%的昆虫、8%的植物和4%的脊椎动物失去适宜的生存环境;升温2℃,则将扩大到18%的昆虫、16%的植物和8%脊椎动物。由此带来的气候变化还将导致高纬度苔原和北方森林退化,二氧化碳浓度增加致使海洋酸化,从而威胁到从藻类到鱼类的庞大生物种群。


“气候临界点”源于哲学上的概念“渐变”与“突变”,它们是事物发展的两种形式。渐变分为量的渐变和质的渐变。前者是指量的增加或减少,也就是量变;后者是指新质的逐渐积累和旧质的逐渐衰减,也是质变的一种形式。突变则是质变的另一种形式,是渐进过程的中断,是不经过任何过渡阶段从一种质态到另一质态的飞跃。从地球的气候历史来看,重大气候事件往往都是从渐变到突变的过程。


正反馈与负反馈


反馈又称回馈,是控制论的基本概念,指将系统的输出返回到输入端并以某种方式改变输入,进而影响系统功能的过程。反馈可分为负反馈和正反馈。前者使输出起到与输入相反的作用,使系统输出与系统目标的误差减小,系统趋于稳定;后者使输出起到与输入相似的作用,使系统偏差不断增大,使系统振荡,可以放大控制作用。


如果全球变暖不能得到有效控制,很多专家认为可能触发碳循环的正反馈,即全球变暖导致地球历史时期被固定的碳(植被、可燃冰等形式)以二氧化碳的形式排出,造成更严重的升温。


混沌与复杂


对于公众来说,对“混沌”最直观的解释莫过于脍炙人口的“蝴蝶效应”,美国气象学家爱德华 · 洛伦兹(Edward N. Lorenz)1963年在一篇论文中分析了这个效应。


对于这个效应最常见的阐述是:“一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”原因就是蝴蝶扇动翅膀的运动,导致其身边的空气系统发生变化,并产生微弱的气流,而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化,由此引起一个连锁反应,最终导致其他系统的极大变化。


之后,大量的科学家在许多其他的领域中发现了类似的现象,引发了科学界的广泛兴趣。“混沌”的兴起,也就是复杂系统的规律一样是物理学上第三次伟大的革命。


在气象学家洛伦兹发现“蝴蝶效应”之前,科学已经走向了日益专业化的危机,但“混沌”的出现扭转了这个倾向,“混沌”大概是近半个世纪以来科学界最大的跨界明星,物理、化学、气象学、生物学、医学、经济学、历史学、哲学以至社会学、心理学都可以看到它活跃的身影。


正如有位物理学家所说,相对论粉碎了牛顿学说绝对时空的错觉,量子力学粉碎了牛顿学说测量过程可控的幻象,而混沌粉碎了拉普拉斯决定论预测的梦想。跟相对论和量子力学不同的是,混沌离人类的直觉更近,毕竟生活中的不确定性太多了。刚刚过去的上海夏天,副热带高压的诡秘行踪不啻一种混沌现象的呈现。



二、气候变暖到底意味着什么


要深入了解气候变暖,必须弄清楚背后的理论推测与科学事实。越来越多的观测数据表明气候变暖是高度可信的。


2007年,联合国政府间气候变化专门委员会发布了第四次评估报告,总结了数以千计的科学研究和不计其数的观测现象,得到世界上绝大多数政府的认可。报告指出,气候系统变暖“是毋庸置疑的,从全球平均气温和海水温度升高、大范围冰雪融化、全球平均海平面上升等观测资料中可以看出,这是显而易见的事实”。


科学基于观测,因此对其结论可做出修订。一方面,不断出现的新证据会减弱现有理论的可信度。另一方面,正如美国国家科学院在2010年的《推进气候变化科学》报告中所写的:一些科学结论或理论经过严谨的思考论证和实验检验,并由很多相互独立的观测结论支持,所以其错误的可能性微乎其微。


这样的科学理论便成为我们所说的“既定事实”。地球气候系统由于人类活动而逐渐变暖便是典型案例。科学家们认为全球变暖是既定事实,是因为所有证据均指向这一结论。


过去的几十年里,不仅海洋表面温度升高,海水热含量也逐年上升。由于海洋升温、海水蒸发加快,空气湿度不断升高,暴雨、洪水等灾害频发,这与科学家们观测到的情况相符。植物和动物的生活习性也因为全球变暖而改变。春天比往年都来得早,许多植物开花的时间也不断提前。动物和植物一起开始向两极或高纬度地区迁徙或转移。


随着全球平均气温的不断升高,科学家们预测长时间、高强度的热浪将会频繁出现在世界各地。这一推论也已得到证实。世界气象组织(WMO)发布最新报告称,2022年7月成为有气象记录以来最热的三个7月之一。政府间气候变化专门委员会的 《气候变化2022:影响、适应和脆弱性》提出:最近50年来,全球变暖正以过去2000年以来前所未有的速度发生,热浪、高温、干旱、飓风等极端天气将更为平常。


另一方面,在科学家通过种种复杂的高科技手段还原的地球历史里,我们其实是处于气候史上的相对冷期,尽管其中也夹杂着冷暖交替的时期。气候的冷暖只是相对的概念,对于过去8亿年,目前的气候可能处于相对的冷期,却可能是近1000多年来最暖的时期。但是如果聚焦于人类文明的几千年里,种种证据都表明了人类才是过量温室效应的罪魁祸首。


另外还有一个不太为人所知的方面,气候变化也不是一无是处,它一样会带来很多好处。全球变暖驱动的复杂的水循环变化,可能导致近十几年来西北大部分地区气候环境悄然发生重大变化。西北地区已经被科学观察到降水与径流增加,冰川消融加速,湖泊水位上升,大风雨、沙尘暴日数减少,植被有所改善等一系列自然现象。


三、什么原因造成今年全球酷热盛行


今年全球已经累计有数十个国家的上百个地区出现了极端高温现象。我们来看一下几个关键事例。


2020年6月20日,俄罗斯西伯利亚东北部北极小镇维尔霍扬斯克的气温达38℃,打破了北极圈内有记录以来的最高纪录;2022年7月,位于北极圈内的挪威班纳克地区测得了32℃的高温。


美国宇航局(NASA)的跟踪显示,与1981年至2010年期间的平均范围相比,北极海冰的最小范围正以每十年13%的速度减少。


在南极,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)等机构监测显示,今年7月监测到的海冰面积为有卫星监测记录44年以来最低值,比平均水平低7%。


根据中国国家气候中心监测,今年6月,全球平均气温较常年偏高约0.4℃,为1979年以来最高,其中俄罗斯北部、欧洲西部等地偏高2℃以上。西班牙、法国和意大利等地的日最高气温超过40℃,法国、西班牙、美国和日本等国多个城市刷新高温纪录。日本东京连续五天气温超过35℃。美国中部和东部高温警报影响人口约1.25亿,超过美国人口的1/3。


与历史同期相比,本次高温热浪事件在欧洲、东亚、北美多地同一时段最高气温打破历史极值,影响范围广,但影响程度不及2003年高温事件。


大气环流异常则是全球今年夏天多地高温热浪频发的直接原因。


今年6月以来,大气系统表现出一致性的暖性高压环流系统控制,形成大范围的暖高压系统。在北半球副热带地区上空,西太平洋副热带高压、大西洋高压和伊朗高压均阶段性增强,由此形成大范围的暖高压带。在暖高压带的控制之下盛行下沉气流、有利于地面增温,加之在大范围高压带的作用下,空气较为干燥,不易形成云,也使得太阳辐射更容易到达地面,导致高温频发,且强度较强,进而造成北半球多地出现持续高温热浪事件。


第二个原因是跨越三年的拉尼娜气候事件对大气环流异常起到了推波助澜的作用。


目前正在持续的拉尼娜事件为今年夏天我国南方高温的发生发展提供了重要的气候背景条件。


据统计分析发现,在多数拉尼娜事件第二年的夏季,副热带高压更容易偏北。“拉尼娜现象”指的是赤道中东部太平洋的海水异常变冷。拉尼娜现象不仅促进了高温的形成,而且抑制了台风的发展,导致高温难以缓解。今年2~3月期间,热带中东太平洋海表冷水持续加强,拉尼娜事件的强度加强,并持续到7月。


不过拉尼娜现象属于地球气象变化中正常的环节,正因为有这样冷热交替的气候成因,才得以让季风、海啸等其他自然力量发挥作用。


不过今年的拉尼娜现象还和往年不同,今年是“三重”拉尼娜现象。“三重”拉尼娜现象字面意思就是连续三年全球气候都受到拉尼娜效应的影响。从1950年以来,这样的现象就只发生过两次,最近一次就是1998年夏末到2001年初春的三重拉尼娜现象,因此也证明了出现这种现象是非常特殊且罕见的。在2021年的年初,我国就受到了拉尼娜现象的影响,导致了我国中部、东部等地区都受到了强烈的寒潮天气,多地的最低气温记录都被打破。


在世界气象组织八月的预测中,拉尼娜现象很有可能会持续到今年的年底,也就是说今年很可能会出现三重拉尼娜现象,这也将会是21世纪首次三重拉尼娜现象。不仅仅是世界气象组织对今年即将到来的三重拉尼娜现象进行了预测,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、日本气象厅、中国国家气候中心也均表示了该现象极有可能发生。三重拉尼娜现象是否和极端高温会有什么样的科学联系,这还留待气象学家未来的发现探索。


第三个原因是全球变暖造成的极端天气,有极端高温、极端低温、极端干旱、极端降水等。


极端天气气候事件是指一定地区在一定时间内出现的历史上罕见的气象事件,其发生概率通常小于5%或10%。随着全球气候变暖,极端天气气候事件的出现频率发生变化,呈现出增多增强的趋势。


全球变暖是北半球高温热浪事件频发的气候大背景。事实上,近年来全球气候系统的不稳定已经在加剧,极端天气气候事件频发,广发、强发、并发气候异常状况显得更加持久和频繁,更多区域在遭遇更多的复合极端事件。持续高温天气,给人体健康、农业生产带来诸多不利影响。


四、结语


气候变化在全球范围内引发了前所未有的极端天气事件,预计未来极端高温将出现得更频繁、更强烈。联合国政府间气候变化专门委员会第六次评估报告称,最近50年全球变暖正以过去2000年以来前所未有的速度发生,气候系统不稳定加剧。


世界气象组织认为,受气候变化影响,预计未来极端高温将出现得更频繁、更强烈。如果温室气体排放继续上升,全球变暖幅度将会更大,目前所经历的只是“未来的预兆”。有科学家预测,气候变化带来的风险正在迅速增加,极端天气事件“正变得越来越普遍,到21世纪末,它们将不再是极端事件”。


本文选自《世界科学》杂志2022年第10期“大家·科技前沿”栏目,更多内容请参见杂志或微信公众号:世界科学(ID:World-Science),作者:邬锐(上海市气象局首席服务官)

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