世界顶尖的气候科学家在 2007 年掀起了一场风暴，当时他们发布了对全球变暖导致海洋膨胀速度的最佳估计。《政府间气候变化专门委员会》(IPCC) 预测，到本世纪最后一个十年，海平面将上升 18 到 59 厘米——鉴于格陵兰岛和其他地区冰川融化的速度，这个上限在其他科学家看来似乎太低了。“我们因过于保守而受到严厉批评，”杰里·米尔说，他是美国科罗拉多州博尔德市美国国家大气研究中心的 जलवायु模型师，也是 IPCC 2007 年报告的作者之一。
该小组此前曾预测海平面上升速度会更快，但其 2007 年的评估承认，它无法解决整个问题：预测中未包含格陵兰岛或南极洲冰盖快速变化的可能性，因为作者们认为，以当时可用的知识和模型，不可能预测这种行为。然而早在 2009 年，就很明显，实际海平面上升的速度将超过 2007 年的预测。
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随着 IPCC 准备在下周发布其最新的气候科学总结，研究人员表示，他们现在对这个问题有了更好的理解。尽管最终报告尚未完成，数字可能会发生变化，但 6 月泄露的草案预测海平面将大幅上升——到 2100 年可能接近 1 米。但是，对于海洋上升的速度、全球范围内的变化模式以及最终的高水位线，仍然存在巨大的不确定性。在此，《自然》杂志调查了关于海平面上升仍然存在的一些重大问题。
海平面上升的速度有多快？
德国波茨坦气候影响研究所的物理海洋学家斯特凡·拉姆斯托夫对预测海平面上升的标准工具——试图代表每个促成因素的物理过程的模型——深感不满。早在 2007 年，这种不满的原因就很明显。当研究人员将所有导致海平面上升的个别过程加起来时，他们只能解释 1961 年至 2003 年观测到的海平面上升的 60%（参见“水太多”）。即将发布的 IPCC 报告中关于海平面上升章节的共同主要作者、澳大利亚联邦科学与工业研究组织霍巴特分部的海洋学家约翰·丘奇说：“整体大于部分之和。” 两个最大的影响——水温升高时的膨胀以及冰川融化向海洋中注入的水——各占总量的四分之一左右。南极洲和格陵兰岛冰盖的融化又增加了一点。但这留下了一个巨大的漏洞。
来源：2007 年预算：IPCC；2011 年预算：J. A. CHURCH 等人。地球物理学研究通讯 38, L18601 (2011)；地图：参考文献 7
因此，拉姆斯托夫决定采用一种完全不同的模型。他研究了 1880 年代以来的海平面年上升率，然后将其与当时的空气温度进行匹配。他发现了一个简单的关系：气温越高，海平面上升的速度就越快。2007 年，他的模型预测到 2100 年海平面将上升 1.4 米——是 IPCC 数字的两倍多，但为时已晚，未能被当年的 IPCC 评估考虑在内。
这种“半经验”模型具有优势：顾名思义，它们准确地模拟了已经发生的海平面上升，并且不需要完全理解其发生的方式和原因。但是，没有人知道这些模型核心关系将持续多久，尤其是在冰盖融化成为更大因素的情况下。拉姆斯托夫说，这些模型“可能在 50 年或 100 年内都有效。我们不知道。”
在进行预测时，模型的选择会产生重大影响。过程模型通常预测到 2100 年海平面上升不到 1 米，而半经验模型则最高可达 1 到 2 米——在高端情况下，足以淹没 1.87 亿人的家园。这些高端的半经验估计极具争议性，IPCC 对它们的信心不高。“这些模型唯一的优点是易于计算，”布鲁塞尔自由大学的冰川模型师菲利普·休布雷克茨说。“我认为它们是错误的。”
自 2007 年以来，基于过程的模型师取得了巨大进展，这要归功于对诸如流入海洋的热量——从而导致水膨胀——以及由于人们对从地下抽取淡水的无限渴望而导致多少地下水流入海洋等因素的更好理解。因此，模型师现在可以解释所有观测到的海平面上升，尤其是近几十年的海平面上升。
但这并不能保证预测的准确性。每个人都承认，基于过程的预测仍然存在重大问题——特别是，模型师对格陵兰岛以及特别是南极洲的大冰盖可能如何表现以及它们是否会融化并灾难性地流入海洋的掌握仍然很薄弱。总而言之，冰盖蕴藏的水量足以在长期内使海平面上升 65 米以上，而世界所有冰川和冰盖的水量最多只能使海平面上升 0.4 米。
尽管存在这些问题，IPCC 还是决定，研究人员最终对格陵兰岛和——在较小程度上——南极洲的冰行为有了足够的掌握，至少可以初步预测冰盖将如何响应，德克萨斯大学奥斯汀分校的海平面研究员唐·钱伯斯说。最新的估计使到 2100 年预测的海平面上升幅度增加了 3 到 21 厘米，尽管根据最新的 IPCC 报告草案，可能还会增加数十厘米。
最终结果将是对海平面上升的预测远高于 2007 年。直接比较很困难，因为最新的报告使用了不同的时间框架和排放情景，但泄露的草案将到 2100 年的上升范围估计在 28 到 97 厘米之间。这仍然没有半经验估计值那么高，但基于过程的结果正在向上攀升——并且差异正在缩小。“我认为这在某种程度上是一种辩护，”拉姆斯托夫说。
变化幅度有多大？
十多年前，当阿拉斯加大学费尔班克斯分校的地球物理学家杰夫·弗雷穆勒访问阿拉斯加的格雷夫斯港时，他的海图显示那里有三个孤立的小岛；但他看到的却是三个与大陆相连的草地半岛。这是因为阿拉斯加某些地区的水位正在下降——每年最多下降 3 厘米。
那里的地面正在抬升，这是一种缓慢的回弹运动，自从上次冰河时代末期曾经压在大陆上的冰盖消退以来，这种运动已经持续了 10,000 年。海洋的引力影响也在起作用：随着当地冰川的消退和格陵兰岛冰盖的融化，它们的引力逐渐减小，从而使更多的海水向南倾斜。
当地海平面趋势可能与全球平均水平大相径庭，全球平均水平每年上升约 3.2 毫米。“有些地方，海平面上升的速度是平均水平的十倍，”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的地球物理学家杰里·米特罗维卡说。
这个等式的一方面是陆地的运动。例如，加拿大的哈德逊湾曾经被 3 公里多厚的冰层覆盖，而释放这种负荷现在导致陆地每年上升约 1 厘米。随着北美洲的那个部分向上移动，南部的陆地正在被杠杆压下：美国东海岸每年下降数毫米。
地面沉降会导致某些地区下沉得更快。例如，河流沉积物的压实和地下水开采造成的地球空心化正在导致中国黄河三角洲的部分地区每年下沉高达 25 厘米。
更复杂的是，随着水的注入，海洋在全球范围内的上升并不均匀。气压、风和洋流可以将特定海洋中的水推向一侧：例如，自 1950 年以来，美国大西洋海岸北卡罗来纳州哈特拉斯角以北 1,000 公里的区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，这是因为通常将水推离海岸的墨西哥湾暖流和北大西洋暖流一直在减弱，从而使水回流到美国海岸。
最后，靠近大块陆地和冰块的水域实际上是被重力拉到海岸上的。随着冰盖融化，引力场减弱并改变海平面。例如，如果格陵兰岛融化到足以使全球海平面平均上升 1 米，那么引力效应将使格陵兰岛附近的水位下降 2.5 米，并使远离格陵兰岛的水位上升高达 1.3 米。
科学家和工程师们才刚刚开始将所有这些影响纳入当地预测。今年 6 月，纽约市气候变化小组更新了其海平面上升的估计，其中考虑了引力变化对当地的影响。小组成员得出结论，他们预计到 2050 年海平面将上升 30-60 厘米。查找和整合正确的数据集花费了大约六个月的时间；纽约市美国宇航局戈达德空间研究所的气候影响研究员辛西娅·罗森茨威格说，这项工作应该为其他城市铺平道路，使其也能做到这一点。“我们真的在努力获得最好的科学。”
艾梅·斯兰根，现在是澳大利亚丘奇小组的成员，去年发布了首批全球区域海平面变化地图之一，该地图考虑了所有这些因素，但分辨率粗糙，每个像素超过 100 公里。研究人员希望提供城市级预测，但由于这些预测在很大程度上取决于风和洋流的年代际变化而受到阻碍。钱伯斯说，预测这种变化“非常困难”。
区域海平面上升数据不仅对试图规划当地影响的人们感兴趣，而且对那些试图模拟全球影响的人们也感兴趣。对于后者，这些数字带来了一些好消息。南极洲冰川融化引起的引力变化实际上应该有助于防止西南极冰盖的灾难性崩塌：随着南极洲失去一些冰，当地海平面将会下降，这将导致冰盖的一些漂浮边缘搁置在海底。牢固接地的冰比漂浮的冰更不易发生失控融化。“这将稳定冰盖，”米特罗维卡说。
海平面最终会上升多高？
“海平面上升不会在 2100 年停止，”丘奇说。“我认为这是人们没有真正接受的事情。” 最终，他们会的。对未来很长一段时间海平面上升的预测从几十厘米跃升到几十米。
在过去的几年里，纽约州帕利塞兹市拉蒙特-多尔蒂地球观测站的海洋地质学家莫琳·雷莫在南非废弃的钻石矿周围跋涉，参观了澳大利亚的采石场，并考察了北美东海岸的道路切口，寻找来自 300 万年前的贝壳和其他海滩遗迹。她希望重建上新世时期的海平面，那是二氧化碳浓度与今天一样高的最后时期：约占大气体积的百万分之 400。反过来，这应该让人 glimpse 几千年后世界的面貌，届时地球将有时间对今天的排放做出充分反应。
雷莫说，目前对上新世海平面上升的估计范围从极少到 40 米不等。“但这没什么帮助，”她说。较低估计值和较高估计值之间的差异——至关重要的是——在于大部分巨大的东南极冰盖融化还是保持冰冻。反过来，它是否在上新世融化为试图计算冰盖是否会在未来几百年内崩塌以及崩塌速度的模型师提供了见解。
确定这一点的诀窍不仅在于找到上新世海滩，还在于弄清楚自它们形成以来陆地是如何移动的，这既是冰盖消失后回弹的结果，也是地幔岩石在大陆下持续运动的结果。为了估计这些过程在数百万年来的演变过程，研究人员依赖于冰覆盖大陆的程度以及地幔粘度的模型——这些因素都存在极大的争议。“今天的模型都假设地幔的粘度是无法检验的、极具争议的，并且在不同小组之间有所不同，”雷莫说。
地球的这种运动对估计过去发生的事件产生了重大影响。例如，先前在百慕大和巴哈马群岛的工作暗示，在 40 万年前的温暖时期，那里的海岸线比今天高 20 米。然而，在 2012 年，雷莫和米特罗维卡计算了那里的地面是如何移动的——并得出结论，表观海平面上升的一半不是归因于水位上升，而是归因于陆地下沉，从而将海平面上升的估计值降低了一半。
鉴于误差范围很大，确定上新世海平面的唯一方法是从多个地点获取数据，并计算出全球海平面的最佳拟合答案。雷莫和她的团队迄今已调查了数千公里的海岸线，收集了来自数十个海滩遗址的证据。她说，她可能还需要八个地点和五年时间才能完成这项工作。
但是，她承认，无论她发现什么，都不会是最坏的情况，因为温室气体浓度已经攀升到超过上新世的水平。“真正最坏的情况是我们不限制化石燃料的燃烧，”她说。“那么就是‘你好，始新世’了”——回到一个类似于 5500 万年前温暖时期的世界，可能只有极地地区有少量冰。
近 70 米的海平面上升将淹没整个佛罗里达州和巴西大部分地区，并淹没自由女神像的腰部。但这可能要到数千年后才会发生，届时人类有时间适应——即使这意味着将大部分陆地让给海浪。