世界頂尖的氣候科學家在 2007 年掀起了一場風暴，當時他們釋出了對全球變暖導致海洋膨脹速度的最佳估計。《政府間氣候變化專門委員會》(IPCC) 預測，到本世紀最後一個十年，海平面將上升 18 到 59 釐米——鑑於格陵蘭島和其他地區冰川融化的速度，這個上限在其他科學家看來似乎太低了。“我們因過於保守而受到嚴厲批評，”傑裡·米爾說，他是美國科羅拉多州博爾德市美國國家大氣研究中心的 जलवायु模型師，也是 IPCC 2007 年報告的作者之一。
該小組此前曾預測海平面上升速度會更快，但其 2007 年的評估承認，它無法解決整個問題：預測中未包含格陵蘭島或南極洲冰蓋快速變化的可能性，因為作者們認為，以當時可用的知識和模型，不可能預測這種行為。然而早在 2009 年，就很明顯，實際海平面上升的速度將超過 2007 年的預測。
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隨著 IPCC 準備在下週釋出其最新的氣候科學總結，研究人員表示，他們現在對這個問題有了更好的理解。儘管最終報告尚未完成，數字可能會發生變化，但 6 月洩露的草案預測海平面將大幅上升——到 2100 年可能接近 1 米。但是，對於海洋上升的速度、全球範圍內的變化模式以及最終的高水位線，仍然存在巨大的不確定性。在此，《自然》雜誌調查了關於海平面上升仍然存在的一些重大問題。
海平面上升的速度有多快？
德國波茨坦氣候影響研究所的物理海洋學家斯特凡·拉姆斯托夫對預測海平面上升的標準工具——試圖代表每個促成因素的物理過程的模型——深感不滿。早在 2007 年，這種不滿的原因就很明顯。當研究人員將所有導致海平面上升的個別過程加起來時，他們只能解釋 1961 年至 2003 年觀測到的海平面上升的 60%（參見“水太多”）。即將釋出的 IPCC 報告中關於海平面上升章節的共同主要作者、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織霍巴特分部的海洋學家約翰·丘奇說：“整體大於部分之和。” 兩個最大的影響——水溫升高時的膨脹以及冰川融化向海洋中注入的水——各佔總量的四分之一左右。南極洲和格陵蘭島冰蓋的融化又增加了一點。但這留下了一個巨大的漏洞。
來源：2007 年預算：IPCC；2011 年預算：J. A. CHURCH 等人。地球物理學研究通訊 38, L18601 (2011)；地圖：參考文獻 7
因此，拉姆斯托夫決定採用一種完全不同的模型。他研究了 1880 年代以來的海平面年上升率，然後將其與當時的空氣溫度進行匹配。他發現了一個簡單的關係：氣溫越高，海平面上升的速度就越快。2007 年，他的模型預測到 2100 年海平面將上升 1.4 米——是 IPCC 數字的兩倍多，但為時已晚，未能被當年的 IPCC 評估考慮在內。
這種“半經驗”模型具有優勢：顧名思義，它們準確地模擬了已經發生的海平面上升，並且不需要完全理解其發生的方式和原因。但是，沒有人知道這些模型核心關係將持續多久，尤其是在冰蓋融化成為更大因素的情況下。拉姆斯托夫說，這些模型“可能在 50 年或 100 年內都有效。我們不知道。”
在進行預測時，模型的選擇會產生重大影響。過程模型通常預測到 2100 年海平面上升不到 1 米，而半經驗模型則最高可達 1 到 2 米——在高階情況下，足以淹沒 1.87 億人的家園。這些高階的半經驗估計極具爭議性，IPCC 對它們的信心不高。“這些模型唯一的優點是易於計算，”布魯塞爾自由大學的冰川模型師菲利普·休布雷克茨說。“我認為它們是錯誤的。”
自 2007 年以來，基於過程的模型師取得了巨大進展，這要歸功於對諸如流入海洋的熱量——從而導致水膨脹——以及由於人們對從地下抽取淡水的無限渴望而導致多少地下水流入海洋等因素的更好理解。因此，模型師現在可以解釋所有觀測到的海平面上升，尤其是近幾十年的海平面上升。
但這並不能保證預測的準確性。每個人都承認，基於過程的預測仍然存在重大問題——特別是，模型師對格陵蘭島以及特別是南極洲的大冰蓋可能如何表現以及它們是否會融化並災難性地流入海洋的掌握仍然很薄弱。總而言之，冰蓋蘊藏的水量足以在長期內使海平面上升 65 米以上，而世界所有冰川和冰蓋的水量最多隻能使海平面上升 0.4 米。
儘管存在這些問題，IPCC 還是決定，研究人員最終對格陵蘭島和——在較小程度上——南極洲的冰行為有了足夠的掌握，至少可以初步預測冰蓋將如何響應，德克薩斯大學奧斯汀分校的海平面研究員唐·錢伯斯說。最新的估計使到 2100 年預測的海平面上升幅度增加了 3 到 21 釐米，儘管根據最新的 IPCC 報告草案，可能還會增加數十釐米。
最終結果將是對海平面上升的預測遠高於 2007 年。直接比較很困難，因為最新的報告使用了不同的時間框架和排放情景，但洩露的草案將到 2100 年的上升範圍估計在 28 到 97 釐米之間。這仍然沒有半經驗估計值那麼高，但基於過程的結果正在向上攀升——並且差異正在縮小。“我認為這在某種程度上是一種辯護，”拉姆斯托夫說。
變化幅度有多大？
十多年前，當阿拉斯加大學費爾班克斯分校的地球物理學家傑夫·弗雷穆勒訪問阿拉斯加的格雷夫斯港時，他的海圖顯示那裡有三個孤立的小島；但他看到的卻是三個與大陸相連的草地半島。這是因為阿拉斯加某些地區的水位正在下降——每年最多下降 3 釐米。
那裡的地面正在抬升，這是一種緩慢的回彈運動，自從上次冰河時代末期曾經壓在大陸上的冰蓋消退以來，這種運動已經持續了 10,000 年。海洋的引力影響也在起作用：隨著當地冰川的消退和格陵蘭島冰蓋的融化，它們的引力逐漸減小，從而使更多的海水向南傾斜。
當地海平面趨勢可能與全球平均水平大相徑庭，全球平均水平每年上升約 3.2 毫米。“有些地方，海平面上升的速度是平均水平的十倍，”馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的地球物理學家傑裡·米特羅維卡說。
這個等式的一方面是陸地的運動。例如，加拿大的哈德遜灣曾經被 3 公里多厚的冰層覆蓋，而釋放這種負荷現在導致陸地每年上升約 1 釐米。隨著北美洲的那個部分向上移動，南部的陸地正在被槓桿壓下：美國東海岸每年下降數毫米。
地面沉降會導致某些地區下沉得更快。例如，河流沉積物的壓實和地下水開採造成的地球空心化正在導致中國黃河三角洲的部分地區每年下沉高達 25 釐米。
更復雜的是，隨著水的注入，海洋在全球範圍內的上升並不均勻。氣壓、風和洋流可以將特定海洋中的水推向一側：例如，自 1950 年以來，美國大西洋海岸北卡羅來納州哈特拉斯角以北 1,000 公里的區域的海平面上升速度是全球平均水平的 3-4 倍。在很大程度上，這是因為通常將水推離海岸的墨西哥灣暖流和北大西洋暖流一直在減弱，從而使水迴流到美國海岸。
最後，靠近大塊陸地和冰塊的水域實際上是被重力拉到海岸上的。隨著冰蓋融化，引力場減弱並改變海平面。例如，如果格陵蘭島融化到足以使全球海平面平均上升 1 米，那麼引力效應將使格陵蘭島附近的水位下降 2.5 米，並使遠離格陵蘭島的水位上升高達 1.3 米。
科學家和工程師們才剛剛開始將所有這些影響納入當地預測。今年 6 月，紐約市氣候變化小組更新了其海平面上升的估計，其中考慮了引力變化對當地的影響。小組成員得出結論，他們預計到 2050 年海平面將上升 30-60 釐米。查詢和整合正確的資料集花費了大約六個月的時間；紐約市美國宇航局戈達德空間研究所的氣候影響研究員辛西婭·羅森茨威格說，這項工作應該為其他城市鋪平道路，使其也能做到這一點。“我們真的在努力獲得最好的科學。”
艾梅·斯蘭根，現在是澳大利亞丘奇小組的成員，去年釋出了首批全球區域海平面變化地圖之一，該地圖考慮了所有這些因素，但解析度粗糙，每個畫素超過 100 公里。研究人員希望提供城市級預測，但由於這些預測在很大程度上取決於風和洋流的年代際變化而受到阻礙。錢伯斯說，預測這種變化“非常困難”。
區域海平面上升資料不僅對試圖規劃當地影響的人們感興趣，而且對那些試圖模擬全球影響的人們也感興趣。對於後者，這些數字帶來了一些好訊息。南極洲冰川融化引起的引力變化實際上應該有助於防止西南極冰蓋的災難性崩塌：隨著南極洲失去一些冰，當地海平面將會下降，這將導致冰蓋的一些漂浮邊緣擱置在海底。牢固接地的冰比漂浮的冰更不易發生失控融化。“這將穩定冰蓋，”米特羅維卡說。
海平面最終會上升多高？
“海平面上升不會在 2100 年停止，”丘奇說。“我認為這是人們沒有真正接受的事情。” 最終，他們會的。對未來很長一段時間海平面上升的預測從幾十釐米躍升到幾十米。
在過去的幾年裡，紐約州帕利塞茲市拉蒙特-多爾蒂地球觀測站的海洋地質學家莫琳·雷莫在南非廢棄的鑽石礦周圍跋涉，參觀了澳大利亞的採石場，並考察了北美東海岸的道路切口，尋找來自 300 萬年前的貝殼和其他海灘遺蹟。她希望重建上新世時期的海平面，那是二氧化碳濃度與今天一樣高的最後時期：約佔大氣體積的百萬分之 400。反過來，這應該讓人 glimpse 幾千年後世界的面貌，屆時地球將有時間對今天的排放做出充分反應。
雷莫說，目前對上新世海平面上升的估計範圍從極少到 40 米不等。“但這沒什麼幫助，”她說。較低估計值和較高估計值之間的差異——至關重要的是——在於大部分巨大的東南極冰蓋融化還是保持冰凍。反過來，它是否在上新世融化為試圖計算冰蓋是否會在未來幾百年內崩塌以及崩塌速度的模型師提供了見解。
確定這一點的訣竅不僅在於找到上新世海灘，還在於弄清楚自它們形成以來陸地是如何移動的，這既是冰蓋消失後回彈的結果，也是地幔岩石在大陸下持續運動的結果。為了估計這些過程在數百萬年來的演變過程，研究人員依賴於冰覆蓋大陸的程度以及地幔粘度的模型——這些因素都存在極大的爭議。“今天的模型都假設地幔的粘度是無法檢驗的、極具爭議的，並且在不同小組之間有所不同，”雷莫說。
地球的這種運動對估計過去發生的事件產生了重大影響。例如，先前在百慕大和巴哈馬群島的工作暗示，在 40 萬年前的溫暖時期，那裡的海岸線比今天高 20 米。然而，在 2012 年，雷莫和米特羅維卡計算了那裡的地面是如何移動的——並得出結論，表觀海平面上升的一半不是歸因於水位上升，而是歸因於陸地下沉，從而將海平面上升的估計值降低了一半。
鑑於誤差範圍很大，確定上新世海平面的唯一方法是從多個地點獲取資料，並計算出全球海平面的最佳擬合答案。雷莫和她的團隊迄今已調查了數千公里的海岸線，收集了來自數十個海灘遺址的證據。她說，她可能還需要八個地點和五年時間才能完成這項工作。
但是，她承認，無論她發現什麼，都不會是最壞的情況，因為溫室氣體濃度已經攀升到超過上新世的水平。“真正最壞的情況是我們不限制化石燃料的燃燒，”她說。“那麼就是‘你好，始新世’了”——回到一個類似於 5500 萬年前溫暖時期的世界，可能只有極地地區有少量冰。
近 70 米的海平面上升將淹沒整個佛羅里達州和巴西大部分地區，並淹沒自由女神像的腰部。但這可能要到數千年後才會發生，屆時人類有時間適應——即使這意味著將大部分陸地讓給海浪。