北极地区正在打破气候记录，改变全球天气

二十五位科学家，包括我，在2003年对北极有了顿悟。国家科学基金会邀请我们到蒙大拿州大天空城进行一次务虚会。在这次聚会之前，我们每个人都将我们的北极研究集中在我们自己狭隘的主题上。当我们分享我们的观点时，我们有了一个可怕的认识：我们各自发现的变化是相互关联的。它们完美地结合在一起。整个北极系统正朝着一种岌岌可危的新状态疾驰而去。而阻止它的希望似乎已经渺茫。

我们发表了一篇论文，得出了一个令人震惊的、有争议的结论：按照目前的变化速度，在一百年内，世界有可能目睹夏季北冰洋无冰的状态，这是数千年未见的状态。今天，我再次感到震惊，因为现在看来，北冰洋很可能在2040年之前就会在夏季无冰——比十多年前我们预测的要早整整60年。

北极正在以科学家们认为的方式变化，但速度甚至比最激进的预测还要快。最近的行为超出了图表。仅自2015年以来，十几个气候记录被打破，这些记录每个都保持了几十年，包括夏季海冰消失、冬季海冰减少、气温升高和地面解冻的记录。

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这些趋势预示着世界各地人民的麻烦。上次北极只比今天略微温暖的时候——大约125,000年前——海洋高出13到20英尺。再见，迈阿密、新奥尔良、弗吉尼亚州诺福克的海军基地、纽约市和硅谷的大部分地区，以及威尼斯、伦敦和上海。新的研究表明，北极快速变暖也倾向于以可能允许惩罚性天气模式在北美、中欧和亚洲持续比平时更长时间的方式重新路由急流，使数百万人遭受持续的热浪、干旱或无情的风暴。浮游生物正在整个南极海域增加，这可能会扰乱支持商业渔业的食物链。而大量的冰融化正在增加格陵兰岛南部的一大块淡水，这可能会减缓墨西哥湾暖流，这可能会显着改变大西洋两岸大陆的天气模式。

是什么驱动了这种迅猛的变化？

“永久”冰的消失

科学家们花费大量精力关注北极，因为它对气候变化非常敏感。它是地球整个气候系统的“煤矿中的金丝雀”。过去几年中被打破的记录清单之长，毫无疑问地表明，数十年来令人不安的气候模拟是正确的。但数据表明，更重要的是：我们对未来变化的预测可能过于保守。

仅在40年内，夏季北冰洋的冰层范围就缩小了一半。是的，一半。全年海冰的体积也在大幅下降——约为1980年代初的四分之一。直到最近，科学家们还认为至少要到本世纪中叶才能达到这些极端情况。

夏季海冰正在迅速消失，这是因为反馈——可以放大微小变化的恶性循环。例如，当一点额外的热量融化了亮白色的冰时，更多的黑色海洋表面暴露出来，这会减少太阳能量反射回太空的量。然后，吸收的热量进一步温暖该区域，从而融化更多的冰，导致更多的变暖。在冬天，当太阳不照射时，其他反馈会接管。例如，漂浮在北冰洋上的海冰就像一层绝缘层，阻止其下的热量和水分逸出到大气中。当冰层消退时，更多的热量和水分可以温暖空气，进一步阻碍冰的形成。计算机模拟通常显示冰层消失得太慢，导致对未来变暖的保守估计。

海冰消失并不是唯一让像我这样的研究人员夜不能寐的转变。北极曾经被称为永久冰的其他两种类型也在急剧下降。

多年冻土——通常全年保持冻结状态的土壤——一直在融化。在多年冻土上建造的建筑物正在倒塌，树木正在倾倒，道路正在弯曲。除了扰乱当地居民的日常生活外，融化的土壤还会向大气中释放大量的吸热气体。当锁在多年冻土中数千年的有机物融化时，细菌会将其分解为二氧化碳（如果存在氧气）或甲烷（如果不存在）。北极多年冻土所含的碳量约为目前大气层中碳量的两倍，因此大范围的融化可能会大大加剧全球变暖——这将导致更快的融化。今天的计算机模型未能充分捕捉多年冻土融化的影响，再次导致对未来全球变暖的严重低估。

以前的第三种永久性北极冰是陆地上的冻结水，包括冰川和格陵兰岛巨大的冰盖，其平均厚度超过一英里。与融化的海冰不同，流入海洋的径流直接提高了海平面，因此失去这种冰会对全球造成可怕的后果。在2016年夏季，格陵兰岛冰盖的总质量（使用卫星测量其如何影响地球重力来估计）达到了自2002年开始卫星观测以来的最小值。这些水平也低于自1950年代后期以来的任何数量，当时质量以其他方式估算。最近的一项调查表明，格陵兰岛表面加速的冰融化因与海冰减少相关的变暖效应而加速。

更热、更潮湿的空气

海冰减少和北极快速变暖还有其他深远的影响。这种组合可能会改变高空风，使其将更多的热量和水分从南部纬度带到北极。在2012年，当时创纪录的格陵兰岛表面融化是由于大气中异常强烈且持续的高压脊——所谓的阻塞高压造成的。它不仅带来了来自南方的热量和水分，还带来了来自北半球周围野火的烟尘。烟尘使冰雪表面变暗（降低其反照率或反射率），然后吸收更多的太阳能量，加速融化——这是另一个恶性循环。

格陵兰岛附近的阻塞模式——急流中的大型涡流——近几十年来似乎越来越频繁地发生，尤其是在夏季，这可能至少解释了融化趋势上升的部分原因。2018-2019年的冰量损失创下新纪录，超过了2010年和2012年。我和我的同事最近的工作表明，阻塞高压的数量增加很可能与全球变暖有关。然而，计算机模拟难以真实地形成和打破阻塞，因此很难说这些模式在未来可能会如何表现。

其他北极行为同样古怪。自2016年以来的冬季，北极附近的破纪录热浪被更多的破纪录热浪所超越。海冰的减少和变薄是部分原因，为海洋热量进入空气提供了更少的障碍。急流的剧烈南北摆动也为远北纬度带来了破纪录的温暖和潮湿脉冲。科学家和北极居民常常未能认识到额外水分可能产生的强烈影响。首先，水蒸气是一种温室气体，因此在干燥的北极冬季大气中，稍微多一点水分就可以捕获更多的热量。此外，当水分凝结成云时，它会释放潜热，进一步温暖空气。最后，更多的云层在其下方捕获更多的热量，这是导致北极融化的另一个因素。

陷入极端

尽管我们还有更多需要学习，但已经清楚的是，北极正在发生快速变化，这是人类历史上最剧烈的变化。鉴于这种严峻的现实，大气科学家正试图确定变化的北极可能对世界各地的人们和生态系统产生的影响，以便社会能够决定如何应对并为未来做好准备。

全球影响的一个明显例子是沿海洪水。根据忧思科学家联盟2017年的一份报告，大约170个美国沿海社区将在20年内经历长期淹没。到本世纪末，如果各国继续像现在这样排放二氧化碳，世界各地的大多数大型沿海城市将面临定期、破坏性的洪水。这份令人毛骨悚然的预言报告在飓风哈维、艾尔玛和玛丽亚结束美国有史以来最具破坏性和代价最高的飓风季节的几周前发布。

越来越多的证据表明，北极低层大气中的强烈变暖会影响急流中的风，甚至更高，在平流层中，极地涡旋风模式环绕北极。弯曲急流中的向北峰值和向南谷值会产生我们在天气图上看到的标有大写字母H或L的高压和低压中心。弯曲控制着我们在北半球的天气。但是，如果极端大的弯曲更频繁地发生，我们可以预期，数十亿人居住的极端条件将会增加。这是因为急流中的大弯曲往往以更慢的速度从西向东推进，导致它们创造的天气系统停留更长时间。想想持续的热浪、无情的降雨和停滞的热带风暴，如2017年8月淹没休斯顿的飓风哈维——以及像加利福尼亚州近年来经历的更强烈的火灾季节。

急流中的大波浪，以及强烈的北极变暖，会扰乱极地涡旋，延长致命的严寒或连绵不断的暴风雪，包括2021年2月袭击美国中西部下部的破坏性严寒。极地涡旋崩溃还会使狂野的急流摆动永久化，从而向阿拉斯加和远北地区输送强烈的热浪，从而产生另一个加速北极变暖的恶性循环。一些研究表明，北极变暖与这些波浪模式密切相关；另一些研究则表示，连接的证据仍然薄弱。关于这个热门话题的研究正在迅速推进。

迅速变暖的北极很可能会显着改变陆地和海洋的栖息地。已经，随着海冰消退，浮游生物水华在新区域的新季节出现，吸引了来自较低纬度的鱼类物种进入北极水域，而本地鱼类正在消失。高纬度地区春季积雪融化较早导致苔原绿化较早，昆虫孵化较早；候鸟从昼夜长短中获取线索，可能会在北极食物地点到达时为时已晚。北极人民也感受到了影响；冰融化使他们无法到达传统的狩猎场，甚至迫使他们将城镇从沿海侵蚀中连根拔起，这些侵蚀来自曾经受到海岸线冰层保护的地区的高风暴浪潮。与此同时，大国和大公司正在蜂拥而至，寻找新近可及的自然资源，随着对谁可以声明广阔而富饶的海床的哪些部分归自己所有而紧张局势加剧。

每当另一个长期存在的天气模式造成破坏或另一个北极记录被打破时，我和我的同事在大天空城务虚会上获得的启示就会在我的脑海中重演。现在我的邻居们也开始明白了。民意调查表明，大多数美国人认为北极冰的流失和急流——急流已迅速成为家喻户晓的术语——正在合谋制造怪异的天气。旧北极可能很无情，但它是稳定的。新北极的可预测性较差，并且可能正在以不可逆转的方式发生变化，对全球生命产生连锁反应。

这些影响仍然可以避免吗？是也不是。由于气候的反应滞后于温室气体浓度的增加，并且二氧化碳在大气中的寿命非常长，因此未来的变化已经融入到系统中。但是，如果社会迅速采取行动大幅削减排放，并且如果可以开发出从大气中大量提取碳的方法，则可以降低其幅度和速度。这两个方面都取得了快速进展，尽管可能为时过早，无法按我们所知的那样保护地球和北极。为意外做好准备。