北極地區正在打破氣候記錄，改變全球天氣

二十五位科學家，包括我，在2003年對北極有了頓悟。國家科學基金會邀請我們到蒙大拿州大天空城進行一次務虛會。在這次聚會之前，我們每個人都將我們的北極研究集中在我們自己狹隘的主題上。當我們分享我們的觀點時，我們有了一個可怕的認識：我們各自發現的變化是相互關聯的。它們完美地結合在一起。整個北極系統正朝著一種岌岌可危的新狀態疾馳而去。而阻止它的希望似乎已經渺茫。

我們發表了一篇論文，得出了一個令人震驚的、有爭議的結論：按照目前的變化速度，在一百年內，世界有可能目睹夏季北冰洋無冰的狀態，這是數千年未見的狀態。今天，我再次感到震驚，因為現在看來，北冰洋很可能在2040年之前就會在夏季無冰——比十多年前我們預測的要早整整60年。

北極正在以科學家們認為的方式變化，但速度甚至比最激進的預測還要快。最近的行為超出了圖表。僅自2015年以來，十幾個氣候記錄被打破，這些記錄每個都保持了幾十年，包括夏季海冰消失、冬季海冰減少、氣溫升高和地面解凍的記錄。

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這些趨勢預示著世界各地人民的麻煩。上次北極只比今天略微溫暖的時候——大約125,000年前——海洋高出13到20英尺。再見，邁阿密、新奧爾良、弗吉尼亞州諾福克的海軍基地、紐約市和矽谷的大部分地區，以及威尼斯、倫敦和上海。新的研究表明，北極快速變暖也傾向於以可能允許懲罰性天氣模式在北美、中歐和亞洲持續比平時更長時間的方式重新路由急流，使數百萬人遭受持續的熱浪、乾旱或無情的風暴。浮游生物正在整個南極海域增加，這可能會擾亂支援商業漁業的食物鏈。而大量的冰融化正在增加格陵蘭島南部的一大塊淡水，這可能會減緩墨西哥灣暖流，這可能會顯著改變大西洋兩岸大陸的天氣模式。

是什麼驅動了這種迅猛的變化？

“永久”冰的消失

科學家們花費大量精力關注北極，因為它對氣候變化非常敏感。它是地球整個氣候系統的“煤礦中的金絲雀”。過去幾年中被打破的記錄清單之長，毫無疑問地表明，數十年來令人不安的氣候模擬是正確的。但資料表明，更重要的是：我們對未來變化的預測可能過於保守。

僅在40年內，夏季北冰洋的冰層範圍就縮小了一半。是的，一半。全年海冰的體積也在大幅下降——約為1980年代初的四分之一。直到最近，科學家們還認為至少要到本世紀中葉才能達到這些極端情況。

夏季海冰正在迅速消失，這是因為反饋——可以放大微小變化的惡性迴圈。例如，當一點額外的熱量融化了亮白色的冰時，更多的黑色海洋表面暴露出來，這會減少太陽能量反射回太空的量。然後，吸收的熱量進一步溫暖該區域，從而融化更多的冰，導致更多的變暖。在冬天，當太陽不照射時，其他反饋會接管。例如，漂浮在北冰洋上的海冰就像一層絕緣層，阻止其下的熱量和水分逸出到大氣中。當冰層消退時，更多的熱量和水分可以溫暖空氣，進一步阻礙冰的形成。計算機模擬通常顯示冰層消失得太慢，導致對未來變暖的保守估計。

海冰消失並不是唯一讓像我這樣的研究人員夜不能寐的轉變。北極曾經被稱為永久冰的其他兩種型別也在急劇下降。

多年凍土——通常全年保持凍結狀態的土壤——一直在融化。在多年凍土上建造的建築物正在倒塌，樹木正在傾倒，道路正在彎曲。除了擾亂當地居民的日常生活外，融化的土壤還會向大氣中釋放大量的吸熱氣體。當鎖在多年凍土中數千年的有機物融化時，細菌會將其分解為二氧化碳（如果存在氧氣）或甲烷（如果不存在）。北極多年凍土所含的碳量約為目前大氣層中碳量的兩倍，因此大範圍的融化可能會大大加劇全球變暖——這將導致更快的融化。今天的計算機模型未能充分捕捉多年凍土融化的影響，再次導致對未來全球變暖的嚴重低估。

以前的第三種永久性北極冰是陸地上的凍結水，包括冰川和格陵蘭島巨大的冰蓋，其平均厚度超過一英里。與融化的海冰不同，流入海洋的徑流直接提高了海平面，因此失去這種冰會對全球造成可怕的後果。在2016年夏季，格陵蘭島冰蓋的總質量（使用衛星測量其如何影響地球重力來估計）達到了自2002年開始衛星觀測以來的最小值。這些水平也低於自1950年代後期以來的任何數量，當時質量以其他方式估算。最近的一項調查表明，格陵蘭島表面加速的冰融化因與海冰減少相關的變暖效應而加速。

更熱、更潮溼的空氣

海冰減少和北極快速變暖還有其他深遠的影響。這種組合可能會改變高空風，使其將更多的熱量和水分從南部緯度帶到北極。在2012年，當時創紀錄的格陵蘭島表面融化是由於大氣中異常強烈且持續的高壓脊——所謂的阻塞高壓造成的。它不僅帶來了來自南方的熱量和水分，還帶來了來自北半球周圍野火的煙塵。煙塵使冰雪表面變暗（降低其反照率或反射率），然後吸收更多的太陽能量，加速融化——這是另一個惡性迴圈。

格陵蘭島附近的阻塞模式——急流中的大型渦流——近幾十年來似乎越來越頻繁地發生，尤其是在夏季，這可能至少解釋了融化趨勢上升的部分原因。2018-2019年的冰量損失創下新紀錄，超過了2010年和2012年。我和我的同事最近的工作表明，阻塞高壓的數量增加很可能與全球變暖有關。然而，計算機模擬難以真實地形成和打破阻塞，因此很難說這些模式在未來可能會如何表現。

其他北極行為同樣古怪。自2016年以來的冬季，北極附近的破紀錄熱浪被更多的破紀錄熱浪所超越。海冰的減少和變薄是部分原因，為海洋熱量進入空氣提供了更少的障礙。急流的劇烈南北擺動也為遠北緯度帶來了破紀錄的溫暖和潮溼脈衝。科學家和北極居民常常未能認識到額外水分可能產生的強烈影響。首先，水蒸氣是一種溫室氣體，因此在乾燥的北極冬季大氣中，稍微多一點水分就可以捕獲更多的熱量。此外，當水分凝結成雲時，它會釋放潛熱，進一步溫暖空氣。最後，更多的雲層在其下方捕獲更多的熱量，這是導致北極融化的另一個因素。

陷入極端

儘管我們還有更多需要學習，但已經清楚的是，北極正在發生快速變化，這是人類歷史上最劇烈的變化。鑑於這種嚴峻的現實，大氣科學家正試圖確定變化的北極可能對世界各地的人們和生態系統產生的影響，以便社會能夠決定如何應對併為未來做好準備。

全球影響的一個明顯例子是沿海洪水。根據憂思科學家聯盟2017年的一份報告，大約170個美國沿海社群將在20年內經歷長期淹沒。到本世紀末，如果各國繼續像現在這樣排放二氧化碳，世界各地的大多數大型沿海城市將面臨定期、破壞性的洪水。這份令人毛骨悚然的預言報告在颶風哈維、艾爾瑪和瑪麗亞結束美國有史以來最具破壞性和代價最高的颶風季節的幾周前釋出。

越來越多的證據表明，北極低層大氣中的強烈變暖會影響急流中的風，甚至更高，在平流層中，極地渦旋風模式環繞北極。彎曲急流中的向北峰值和向南谷值會產生我們在天氣圖上看到的標有大寫字母H或L的高壓和低壓中心。彎曲控制著我們在北半球的天氣。但是，如果極端大的彎曲更頻繁地發生，我們可以預期，數十億人居住的極端條件將會增加。這是因為急流中的大彎曲往往以更慢的速度從西向東推進，導致它們創造的天氣系統停留更長時間。想想持續的熱浪、無情的降雨和停滯的熱帶風暴，如2017年8月淹沒休斯頓的颶風哈維——以及像加利福尼亞州近年來經歷的更強烈的火災季節。

急流中的大波浪，以及強烈的北極變暖，會擾亂極地渦旋，延長致命的嚴寒或連綿不斷的暴風雪，包括2021年2月襲擊美國中西部下部的破壞性嚴寒。極地渦旋崩潰還會使狂野的急流擺動永久化，從而向阿拉斯加和遠北地區輸送強烈的熱浪，從而產生另一個加速北極變暖的惡性迴圈。一些研究表明，北極變暖與這些波浪模式密切相關；另一些研究則表示，連線的證據仍然薄弱。關於這個熱門話題的研究正在迅速推進。

迅速變暖的北極很可能會顯著改變陸地和海洋的棲息地。已經，隨著海冰消退，浮游生物水華在新區域的新季節出現，吸引了來自較低緯度的魚類物種進入北極水域，而本地魚類正在消失。高緯度地區春季積雪融化較早導致苔原綠化較早，昆蟲孵化較早；候鳥從晝夜長短中獲取線索，可能會在北極食物地點到達時為時已晚。北極人民也感受到了影響；冰融化使他們無法到達傳統的狩獵場，甚至迫使他們將城鎮從沿海侵蝕中連根拔起，這些侵蝕來自曾經受到海岸線冰層保護的地區的高風暴浪潮。與此同時，大國和大公司正在蜂擁而至，尋找新近可及的自然資源，隨著對誰可以宣告廣闊而富饒的海床的哪些部分歸自己所有而緊張局勢加劇。

每當另一個長期存在的天氣模式造成破壞或另一個北極記錄被打破時，我和我的同事在大天空城務虛會上獲得的啟示就會在我的腦海中重演。現在我的鄰居們也開始明白了。民意調查表明，大多數美國人認為北極冰的流失和急流——急流已迅速成為家喻戶曉的術語——正在合謀製造怪異的天氣。舊北極可能很無情，但它是穩定的。新北極的可預測性較差，並且可能正在以不可逆轉的方式發生變化，對全球生命產生連鎖反應。

這些影響仍然可以避免嗎？是也不是。由於氣候的反應滯後於溫室氣體濃度的增加，並且二氧化碳在大氣中的壽命非常長，因此未來的變化已經融入到系統中。但是，如果社會迅速採取行動大幅削減排放，並且如果可以開發出從大氣中大量提取碳的方法，則可以降低其幅度和速度。這兩個方面都取得了快速進展，儘管可能為時過早，無法按我們所知的那樣保護地球和北極。為意外做好準備。