我系青年研究员袁嘉灿在《澎湃新闻》上发表文章《全球变暖会让桑田变沧海吗?》
发布时间: 2020-06-16

【编者按】自上世纪90年代以来,有关全球变暖的争论愈演愈烈,至今已经成为一个重要的政治与生态话题。应复旦大学通识教育中心邀请,我系青年研究员袁嘉灿在《澎湃新闻》“复旦通识”专栏撰稿《全球变暖会让桑田变沧海吗?》。

      经济全球化和高速发展的科技使人类之间的联系越来越紧密。全球变暖,如同最近爆发的新冠疫情一样,是我们居住在地球上的每一位公民需要共同面对的重大问题。一方面我们现在面临的全球变暖是由人类活动引起:与工业革命前相比,当前由人类引起的全球平均气温上升已达1℃左右。另一方面,全球变暖正以前所未有的速度改变着我们共同生存的环境,给人类社会的可持续发展带来巨大的挑战。因此我们全人类作为一个“命运共同体”正处在一个前所未有的实验中,每个人的行为都可能成为因子而影响最终实验的结果。在人类与全球变暖的博弈中,海岸线是一个重要的阵地。大陆和岛屿边缘延绵的海岸线不仅坐落着众多繁华的大都市,是重要的经济与人口居住带,而且还有风景旖丽的沙滩、生态多样的湿地、物产丰富的农田等,在民生、经济和生态环境方面都具有举足轻重的作用。然而,已有充分的证据显示全球变暖会让全球大部分区域的海平面上升。海平面上升会给沿海地区的社会、经济和环境带来巨大的危害:首先,海平面上升会淹没沿海低地,使海岸线后退。在这种情况下,很多沿海而建的城市或者旅游景点会频繁经历由潮汐带来的洪水或永久被海水淹没。其次,海平面上升会增强风暴引起的潮水倒灌,从而对沿海区域的基础设施、人们的生命和财产造成巨大损失。再次,海平面上升会使沿海土壤和地下水盐渍化,损害湿地和农田的环境,从而破坏生态多样性和农业产量。因此,如何应对海平面上升带来的危害,需要我们更好的认知海平面上升,从而提高预测未来海平面变化的能力。

图1 驱动海平面变化的各个因素。其中蓝色标识为全球平均海平面变化的驱动因素(海水增温膨胀、高山冰川、格陵兰岛和南极的冰盖、地下水等”),黄色表示为区域海平面变化的驱动因素(包括海表风、海洋环流、沉降、侵蚀、地壳和地幔回弹、引力等)。>号代表这些驱动因素对海平面影响的时间尺度。加号代表的是科学研究对这些过程了解的程度。(图片源自《IPCC特别报告》)

      海平面上升的现状

      从1901年以来,全球平均海平面(Global Mean Sea Level, GMSL)正在加速上升:1901-1990年间上升的速率约为1.4毫米/年,1970-2015年间约为2.1毫米/年,1993-2015年间为3.2毫米/年,而2006-2015年间约为3.6毫米/年(数据源自《IPCC特别报告:气候变化下的海洋和冰冻圈》,此后简称《IPCC特别报告》)。驱动GMSL上升的原因有很多(图1中蓝色标记的驱动力),主要包括海洋水体被加热之后而发生的热膨胀,陆地上的淡水注入,以及由于格陵兰岛和南极的冰盖以及高山冰川受热消融而注入到海洋中的淡水。那么北极海冰近些年的消融是否也会对GMSL上升有贡献呢?答案是否定的。海冰漂浮在海面上,排开的海水体积和融化成水后的体积相等,因此海冰消融并不会引起GMSL上升。在1993-2015年间,GMSL升高约7厘米,其中海水增温膨胀的贡献大致为40%,高山冰川融水的贡献大致为18%,格陵兰岛和南极的冰盖融水的贡献大致为24%。可见在现在的增暖幅度下,海水增温膨胀和冰川冰盖消融在GMSL上升中都有重要贡献。

      既然海平面的全球平均呈整体上升趋势,那么各个区域的海平面变化会不会都是上升的呢?其实各区域的海平面呈现的变化与GMSL的变化差别较大。在北欧一些国家比如芬兰,区域海平面在近些年来都是呈逐年下降的趋势。而有些国家比如中国沿海海平面的上升速率高于同期全球平均水平,在1980-2017年速率约为3.3毫米/年,1993-2017年速率约为4.1毫米/年(数据来自王慧等2018《海平面变化研究进展》)。这是由于区域海平面的变化除了受海水增温膨胀和冰川冰盖消融的影响外,还受到很多复杂的局地因素的影响(图1中黄色标识)。在逐年的时间尺度上,海表面的风和海洋内部的环流是导致区域海平面变化的重要因素。而在更长的时间尺度上,其他因素也同样发挥着重要的作用。二十世纪以来,有些河流入海口处的冲积平原处,如美国路易斯安那州的密西西比河三角洲,区域海平面上升的幅度比全球海平面上升高几倍。这是因为这些区域多为河水携带的泥沙在入海口沉积而成,而这些沉积物由于重力的作用会逐渐下沉而使区域的相对海平面上升。而近年来人类过度开采地下水以及从某些泥沙岩石中开采天然气和石油等也加速这种上升。与之相反,有些区域的海平面却呈下降的趋势。如高纬地区的冰川冰盖消融之后会减弱对周围海水的引力,从而使临近区域的海平面下降,并使较远区域的海平面上升。同时,伴随着冰川冰盖消融,地壳和地幔由于承受的压力减小而“回弹”,虽然非常缓慢,但也会引起回弹地区的相对海平面下降。在这么多的因素共同作用下,区域海平面变化也远比GMSL变化更为错综复杂。


图2 全球平均海平面变化1900-2005年间的观测集合和2016-2100年间在RCP2.6与RCP8.5两种情景下的预估集合(左图)。沿海四种群体(沿海大城市、城市化的珊瑚礁岛、热带河口三角洲大型农业区、和北冰洋沿岸的原住民群体)不采取任何应对措施与最大程度采取应对措施所面临的海平面上升带来的风险(右图)。(图片源自《IPCC特别报告》)

      未来的海平面上升

      前面提到海平面上升会给沿岸的民生、经济和环境都带来了巨大的威胁。如果我们能预测海平面的未来变化,则能为不同级别的决策者争取更多的时间来应对这些威胁,将损失减小到最低。预知未来在科技高速发展的今天已不再是神话。而使科学家们具有预知未来能力的超级武器则是全球耦合模式。简单来说,全球耦合模式就是运用计算机程序来构造一个虚拟的地球气候系统,定量地模拟地球上各个组成部分(如大气、海洋、海洋中的生物化学过程、冰、陆地表面以及植被等)以及它们之间的相互作用随时间的演变。现在全球有几十个研究中心在发展和运行全球耦合模式。不同中心的模式之间虽然分享部分核心的成分却使用不同的程序和方式来描述地球气候系统的众多内部过程,因此它们产生的对未来气候变化的预测结果也有所不同。1995年世界气候研究计划(WCRP)耦合模拟工作组(WGCM)发起了国际耦合模式比较计划(CMIP),将不同模式中心发展的这些模式组织起来,让它们完成指定的模拟试验,然后通过检测这些模式试验结果的概率分布来得到气候变化可能发生的范围。现在CMIP已发展到第6代,但由于CMIP6中很多数据还在发表当中,现在的预测多基于CMIP5中的模拟结果。在这些指定的模拟任务中,有一项任务是要求各个模式模拟与几种指定的社会经济发展情景相对应的人为因素所带来的未来气候变化情景。这项任务在第五代CMIP(CMIP5)中被称为典型排放路径试验(RCPs)。其中RCP8.5代表的是人类依然按照现在的方式肆意使用化石燃料从而继续排放大量温室气体的情景。在这种情景下,全球变暖会加剧,在本世纪末全球平均地表气温上升超过4℃。而与之相反的是RCP2.6,即人类尽最大的努力缓减温室气体的排放,从而使温室气体的浓度在本世纪中页达到峰值随后下降的情景。这也是在这项任务中唯一可以把全球平均地表气温控制在2.0℃ 的情景。与1986-2005年平均相比,基于CMIP5模式集合预估的GMSL在本世纪末将上升的可能范围在RCP2.6情景下约为0.29-0.59米,而在RCP8.5情景下将达到0.61-1.1米(数据源自《IPCC特别报告》图2)。其中对本世纪末海平面上升幅度预估的不确定性大部分来自于南极洲的大陆冰盖。

      格陵兰岛和南极洲的大陆冰盖是地球表面除海洋之外的最大“水库”,所包含的冰如果全部融化将使GMSL上升65米。事实上,在最近的百万年来,GMSL的变化主要来自于冰川周期相关的大陆冰盖的增长和消亡。虽然至今为止,两极冰盖对工业革命来GMSL上升的贡献还小于海水受热膨胀的作用,观测表明,在当前全球变暖下,格陵兰和南极的冰盖在最近30年来都在加速缩减。在RCP8.5情景下,至本世纪末,两极冰盖的质量变化将成为引起GMSL上升的主导因素,其中南极冰盖在保守估计下将使GMSL上升0.03-0.28米。由于目前对于冰盖动力学过程的认识不足和气候模式中极地地区对于全球变暖的高敏感度,预估未来南极冰盖的质量变化存在很大的不确定性。这种不确定性随着全球增温的进程而加剧,成为在世纪时间尺度上准确预测GMSL变化的最大挑战。西南极地区的冰盖大都坐落在向冰盖内部倾斜的海床上,受冰盖动力学的内在不稳定机制影响,一旦退缩至某临界点后,将发生不可逆转的崩塌,使GMSL上升4.5米,对全球沿海地区造成不可估量的损失。比如这种大幅的GMSL上升可能会让大部分上海地区都处于海平面之下。古气候证据也间接支持这种可能性:11.5-13万年前的末次间冰期,全球平均地表气温与现在大致相当,但由于两极的冰盖体积缩减,GMSL比现在高6-9米,其中3-6米可能由南极冰盖贡献。当前气候研究中急需解决的一个问题是:在现在全球变暖的趋势下,西南极冰盖的崩塌是否已经不可避免?如果这一临界点还未到达,人类需要采取怎样的减排措施才能阻止灾难性海平面上升的到来?

      由于海平面变化的空间不均一性,探讨海平面上升的影响和相应对策都需将未来海平面的预测具体到各地区的区域海平面。这里需要综合考虑之前提到的各贡献因子在未来全球变暖进程中的变化。区域海平面的预测虽然非常复杂,但已有研究框架将这些因子整合起来,得到具体到各沿岸地区的未来海平面在不同全球变暖情景下的概率分布。在这种预测构架下,全球气候模式可以被用来预测与海水热膨胀、洋流等相关的海平面变化,并为预测山地冰川和两极冰盖质量变化的模型提供气候条件边界场;地表水存储、地下水及油气开采相关的海平面变化可以用简单的经验模型来近似;冰盖、冰川质量变化造成的引力场扰动也已有较成熟的数值模型;而对于地壳运动等缓慢的地质过程,简单的将历史趋势线性外推至未来1-2个世纪也是合理的方案。利用这样框架的研究揭示,世界各沿岸地区的海平面变化趋势有很大不同,而影响各地区的主导因子也不尽相同。例如,尽管全球海平面上升,由于末次冰期后的地壳反弹,北欧沿岸地区海平面在本世纪内还可能继续下降;而在我国沿岸地区很多经济发达的城市均位于河流入海口的冲积平原上,在沉积物实化、地下水超采等因素作用下,将经历较全球平均水平更快的海平面上升。

图3 沿海应对海平面上升的情形:(a)不采取任何措施;(b)填海造陆;(c)修建防护设施;(d)向陆搬迁;(e)通过抬高等方式来适应;(f)海岸带生态保护与修复。(图片源自《IPCC特别报告》)

      应对海平面上升的一点思考

      在海平面上升的威胁下,我们有若干可能的应对方案,其中一些已经在使用中。一些沿岸低洼地区,包括荷兰、新加坡、及我国的上海、香港等,采取填海造陆等方式扩大陆地面积。在上世纪几次台风带来的风暴潮引发洪涝灾害后,上海、浙江等东南沿海地区多次增建、加固沿岸堤坝,其中上海黄浦江沿岸设施已可抵御千年一遇事件。还有一类策略是,在沿海地区的新增建筑和基础设施的时候事先考虑在其使用寿命期内的海平面上升幅度,适当将基础增高。另外,恢复一些沿岸的自然生态系统,如湿地和珊瑚礁等,以利用其对风暴潮的缓冲和对沉积物的稳定固化作用,也可成为高效、经济的应对方案。研究表明采取这些主动应对措施将显著降低海平面上升给经济发达人口众多的沿海城市、海岛带来的风险(图2)。而反之,如果不采取应对举措,沿岸洪涝、风暴潮等频发将增加生命财产损失风险,导致经济衰败,促使居民自发的迁徙至其他地区。这种现象已经频频出现,例如在2005年卡特里娜飓风后,美国新奥尔良的人口在两年内减少约40%,之后虽经历缓慢回升,但至今只恢复到飓风前水平的85%。

      区域性的应对方案虽然可以解决年代时间尺度上海平面上升的燃眉之急,但如果全球增温得不到控制,大幅海平面上升将超出人类可以应对的范围而造成不可逆转的后果。即使温室气体浓度在本世纪内达到峰值后不再增高,已经增暖的大气和海洋将会使两极冰盖在之后几百年里继续消融,至2500年可能使全球平均海平面上升5米以上。当前的众多沿海都市届时将不复存在。因此我们生活在“地球村”里的每一位村民,在海平面上升的威胁面前,已然成为了一个命运共同体。只有在全球的协同努力下,节能减排,倡导低碳生活,我们才有可能控制全球变暖,避免灾难性海平面上升的发生。

      致谢:非常感谢复旦大学大气与海洋科学系陈长霖青年研究员和赵卢伟行政副系主任给予的宝贵建议,对本文的完善很有帮助。

(本文刊于《澎湃新闻》专题:复旦通识,原文链接