从美洲大旱到欧亚水患,全球气候变局的演进,归因与几大猜想

   2021-07-31 15330
核心提示:总有一天,贝加尔湖的冰会化成水的。那时候,我们再带着孩子去钓鲑鱼。《流浪地球》近期国内中原地区的超级降雨被全球瞩目,与此同时德国西部正经历不同寻常的洪涝,在太平洋的另一端则是北美洲高温野火肆虐、巴西91年以来极端干旱、阿根廷主要运河水平严重下降。那么多百年难遇的极端事件一同迸发,偶然事件变得不偶然时,
总有一天,贝加尔湖的冰会化成水的。
那时候,我们再带着孩子去钓鲑鱼。
《流浪地球》
 
近期国内中原地区的超级降雨被全球瞩目,与此同时德国西部正经历不同寻常的洪涝,在太平洋的另一端则是北美洲高温野火肆虐、巴西91年以来极端干旱、阿根廷主要运河水平严重下降。那么多“百年难遇”的极端事件一同迸发,偶然事件变得不偶然时,我们开始思考是否是自然在向我们传递预警信号,人类赖以生存的地球正在我们目光所及处,悄然变化,而这些变化像极了多米诺骨牌,而且那只“蝴蝶”已经煽动了翅膀,或开启全球气候周期几十年的高频变化。
 
经过繁复的资料梳理和逻辑链的延伸,本文我们尝试提出几个反预期的思考和不从众的观点:
如果把气候变局前因与后果都定义与与人类相关,或许人类太妄自尊大。
目前地球或正处于大周期的气候变局的起点,极端的气候仍将持续对人类形成挑战,但气候的变暖很可能是中国农业发展的一大机遇。
气候变局对人类生活的影响是深刻且长期的,我们将提出几个关于未来世界有逻辑的脑洞。沧海桑田式的颠覆背后也同样孕育着待开启的商机。
 
一、“蝴蝶”翅膀下涌动的异常
 
全球气候的同步朝极端发展的证据链条已经日益充分
 
有越来越多的证据表明2020年西欧夏季40度以上高温,印尼大旱,澳大利亚的野火不断以及东非戈壁的沙漠蝗虫爆发这些事件有共同的起源——印度洋东西海平面温度异常。
 
2021年北美高温干旱的形成源于笼罩在其上空百年一遇的热穹顶(Heat Dome),其表征是天空中热高气压区域停滞不动,并像泵一样不断排斥冷空气,吸收热空气,使气温越升越高。探究热穹顶的起源,我们聚焦在了北极海冰的融化。气候变率及可预测性计划(CLIVAR)的科学家们于2018年发布了一份关于北极气候变化对中高纬天气气候影响的白皮书,其中提到北极增温导致北极与中高纬之间南北向水平温度梯度减小,由此可能导致中高纬西风的减速;北极增温,海冰减少可能会激发出中高纬地区出现异常的准定常罗斯贝波,导致阻塞高压的发生。
 
我国西北:绿洲重现,梦回楼兰
 
新疆最大咸水湖艾比湖从1987年的499平方公里增加到2020年的805平方公里;上世纪中期干涸的台特玛湖已然碧波荡漾;曾经断流的塔里木河,源流阿克苏河水头2021年居然提前55天到达恰拉水文断面,这是8年来最早的一次,也是有水文记录以来水头前进最快的一次。
 
新疆地区的年均日积温,从第一个十年的2608.75℃,上升到最近一个十年的2749.91℃。新疆正在逐渐变得温暖,热量资源不断增加,农业作物的生长期不断延长,可种植地域不断扩展。
 
欧洲:失去了岁月静好的温柔
 
欧洲地处西临大西洋,而北半球盛行西风带的风向主要为西南风,由西往东把大西洋的湿润空气往欧洲输送,带来持续稳定的降水。在北纬40°至60°之间的地区,常年受到盛行西风带的控制,所以形成了终年温和湿润的“温带海洋性气候”。这种气候较为温和,全年降水较为均匀,主要集中秋冬季节,年际之间的降水差距也并不大,发生气象灾害和次生灾害的概率并不高。
 
如今却频繁暴发通常分布在季风区的滔天洪水,欧洲的天气系统已悄然发生变化。从德国过去的三十年气温数据来看,年平均气温的抬升同时也伴随着极端气温出现的频率:年平均气温从1991年的8°C稳步抬升至2020年8.9°C,整体提高2°C。今年7月9日,降雨量达到15.8mm,处于近十年极值。
 
美洲:被高温炙烤的天下粮仓
 
欧洲和我国新疆、河南被暴雨肆虐,但是在地球另一端的美洲大陆呈现另外一副光景——极端的干旱、刷新高的气温和干涸的河道。根据美国干旱机构监测数据表示,美国西部地区的49.7%,多达5800万的居民正在经历着副热带高压的炙烤。作为世界粮食主产区之一,同样位于地表的大量农作物玉米、大豆、棉花,也在生育期关键时刻。持续的干旱缺水,对农作物的生长发育十分不利。根据公布北美中西部1991-2020年的气温数据可以发现,三十年的平均气温从第一个十年的9.73°C,抬升至第三个十年的10.10°C,抬升幅度达到3.72%。观察美国中西部八个主要州的6月平均气温可以发现,31年年间气温呈现整体上升态势。对比2021年6月和2019年6月发现,密苏里州的上升幅度最小为4.9%,密歇根州的上升幅度达到24.10%。从数据上可以得出美国中西部不论是从三十年的长周期是来看,还是近三年的短期来看,美国正在变得越来越热。
 
二、归因:是谁撼动了第一张多米诺骨牌?——温室气体是否是一次全球性焦虑贩卖和群体犯错?
 
当世界对全球变暖谈虎色变源自于2007年 IPCC政府间气候专门委员会(IntergovernmentalPanel on Climate Change)的一次判断,近百年来(1906--2005年)地球平均温度升高了0.74摄氏度,并认为过去百年升温主要由人类活动大量排放二氧化碳造成的,并指出如果人类不减排二氧化碳,气候将继续恶化,人类将会面临许多气候灾难,甚至灭顶之灾.因此,需要减少二氧化碳排放,制定方案分配碳排放权,以致征收碳税,去拯救地球。
 
我们对全球气象曾有过大量的文献阅读,在我国关于气候变迁的研究中竺可桢先生的《中国近五千年来气候变迁的初步研究》以及《竺可桢日记》是我们能获得的重要参考。
 
有气象学者曾评论——作为在饥寒交迫中挣扎过数千年的种群,智慧的人类看到气候变暖居然不是欢喜,而是单纯的恐惧和节能减排的抗争,实在是匪夷所思。
 
加拿大气象局的戈德森和德国气象局的弗隆较为具体地提到二氧化碳等温室气体对气候的影响,但二人对这一理论都抱有怀疑。苏联学者根据 1960 年最新数据得出结论,二氧化碳的作用“迄今为止被大大高估了”他们关注到了两个重要证据:
 
1.50°S以南并未发现与北半球同一时间的显著升温,但其二氧化碳含量并不比北半球低;
 
2.是不仅在工业化之前世界气候就经历过几次明显的波动,并且在工业燃烧增长最快的最近十年,气温不升反降。
 
气象学者刘秀铭研究表明,气候冷暖是地球气候变化的一般形式,即使在人类能够影响大气二氧化碳含量以前,地球气候就一直冷暖变化,底层的主要因素是太阳辐射量的变化。许多地质记录保存了很好的地球过去气候变化的历史,比如中国黄土、深海氧同位素和两极冰芯记录。根据这些地质记录就可以发现,在人类大量排放二氧化碳的工业革命以前,全球的气候本来就是在不断地冷暖变化着.地球的冷暖变化基本上是取决于地球接收太阳辐射量的多少而决定的.从本质上看,地球全球平均温度是它的轨迹偏心率:即距离太阳远近所决定。
 
0.74摄氏度提高的原因学界是有分歧的,没有多少研究是关于对升温归因的分析,究竟是源于自然因素还是人为因素。过去百年随着城市发展,城市热岛效应不可避免地影响到各大城市气象台站的温度记录,如果没有对这些温度记录进行矫正,高估和夸大升温速率是毫无疑问的。
 
在工业革命之前,人类尚不具备能力影响大气二氧化碳之前的几十万年内就是不断地波动着。根据天文轨道计算出的太阳辐射量变化,最近约1万年的太阳辐射量是慢慢减少,意味着现在气候总体趋势是向着变干变冷的方向发展,而且还将持续几千年,这在太阳黑子运动中也得到了佐证。
 
对溶洞里的石笋做氧同位素分析发现,公元1000-1370年为中世纪暖期,随后进入550年的小冰期,1850年至今是小冰期结束后的变暖周期。这种气候变暖应当是天文轨道万年尺度变冷大趋势中的次级波动。
 
另外,学者孙萌萌曾提出一项关键证据——二氧化碳的变动在气温变动之后。二氧化碳浓度的时间序列样本数据取自南极冰芯,这天然地隔离了人类活动,考察有三个重要结论:
 
1、二氧化碳的浓度变化滞后于气温的变化,滞后时长约1-2年。
 
2、在长的时间维度下,气温变动必然能引致二氧化碳浓度变化,而二氧化碳浓度变化不一定伴随温度变化。
 
3、全球二战之后的1950-70年代人类活动达到近几千年的峰值,但无论北半球还是全球温度均呈现明显下降。
 
在媒体的信息爆炸中,很多思考都是盲目的,比如很多报告把2008年广州雪灾,2012年春欧洲美洲大雪灾和2013年2月美国雪灾等事件,媒体不是与气候变冷直接联系,而是归咎于气候变暖。
“全球变暖”成为极端天气的万能解释本质是很荒谬。那按此逻辑,“碳减排”的全球一致行动逻辑起点就更值得我们深思,本文不做展开。(详见公众号CFC农产品研究,【建投新知视频】碳排放——人类新能源革命的起因)
 
曾有学者指出,“粮食危机”对冰期预测的提出及所遭遇的迅速抛弃产生了重要影响。而气候学家之所以在70年代宣传全球变冷,与他们吸引公众关注从而获得科研资助的诉求有关。并不存在一个完全脱离政治的气候科学,早在70年代,政治议程就对气候“科学事实”的建构产生了重要影响。——《全球变暖与全球变冷:气候科学的政治建构——以20世纪冰期预测为例》
 
此外我们还能看到短周期视角下的气候归因:
 
美洲高温的怂恿者——拉尼娜
 
2020年夏季拉尼娜现象南美洲降雨的减少背后的推手,这种现象直接推动了东太平洋的冷水现象,导致了整个地区的降水量骤减。拉尼娜现象跟随着厄尔尼诺现象出现后再出现的,具体来看,东南信风将表面被太阳晒热的海水吹向太平洋西部,致使西部比东部海平面增高将近60厘米,西部海水温度增高,气压下降,潮湿空气积累形成台风和热带风暴,东部底层海水上翻,致使东太平洋海水变冷。
 
这也就这导致了因此,这也间接导致了太平洋东岸大陆的干旱,以及太平洋西岸的台风暴雨现象,并使得东南亚、南非、印度和澳大利亚的降雨量高于正常水平以及阿根廷、欧洲、巴西更加干燥。
详见CFC农产品研究公众号,【建投气象研究】太平洋的十年涛动——拉马德雷周期
 
热带辐合带收缩北移
 
热带辐合带是南北两半球信风气流形成的辐合地带,其位置的季节性变化控制着热带雨季的开始和持续时间,进而影响这农业生长季节。SCIENCE ADVANCES的一篇研究表明,热带辐合带由于气候变暖面临萎缩的风险,直接导致气候模式的变化。热带符合带边缘上的地区或将面临干旱,受影响的地区包括中国黄河以南、美洲大陆以南地区以及北非地区。
 
研究人员利用地质研究同位素手段模拟过去1600年的热带辐合带月度降雨量,发现热带辐合带在较冷的气候下膨胀,随着温度的升高而收缩。因此相应的地区包括中国南部、美洲大陆以南地区以及北非地区可能会因热带辐合带的收缩而面临干旱,造成农作物的歉收和饥荒,全球气候变暖的进程将增加这些地区未来干旱的概率。另外,热带辐合带随着气候变暖同时呈现北移的趋势,纬度高的地区气候也面临着降雨增加的变化。
 
太阳底下无新事——太阳黑子周期带来的气候变化
 
太阳黑子,顾名思义,是在太阳表面形成的黑斑,黑道近在咫尺的太阳光也无法照亮,灯下黑。而这个暗区的的形成原因是太阳磁场的剧烈运动,太阳黑子大小一般和地球相等,太阳黑子是最能反映太阳活动的现象。太阳黑子数量的变化周期大约为11年,也就是太阳磁场的活动周期,而太阳磁场的活动周期和太阳系中金星、地球、木星的轨道位置对齐的周期也是11年。
 
当太阳黑子数量增加时,太阳活动的爆发更加频繁。爆发活动中的粒子和电磁波,强力轰击地球磁场和大气层,可能通过以下三种途径对地球气候造成影响:通过改变大气电离度影响气候,造成大气的南北交换更加频繁,引起全球云层和降雨量增加;通过热辐射影响气候,即大气吸收的辐射量增加,导致臭氧量和分布发生改变,影响平流层温度场和大气环流;通过地磁场的变化影响气候,地磁场变化影响地球的自转速度,通过大气和海洋角动量的交换引起大气和海洋环流的变化。详见CFC农产品研究公众号,【建投专题】黑子陨落,阙勒霍多?
 
熵增定律下世界本该变得复杂无解,气候也是…
 
生命以负熵为食,但熵增却是客观世界的必然。著名的物理学家薛定谔将熵和生命结合起来,认为生命的终点熵的最大化(死亡),生命本身是一个自律的过程,即吸收负熵对抗熵增的过程。
在地球形成生命之初,所有生物的始祖LUCA(TheLast Universal Common Ancestor)是一个类似于病毒的简单结构(RNA+蛋白质)。LUCA吸收周围环境的能量维持自身复制,LUCA自身进化吸取负熵,周围环境必然是急剧熵增。环境随着熵增不断恶化之后,LUCA只好进化成更稳定的DNA结构来适应更差的环境,但与此同时,DNA更加智能和丰富的活动,DNA维持自身的运行就必须吸收更多的负熵,环境的熵增和恶化比以往更大。于是DNA又被迫着向细胞进化......如此循环,直至现在。当然并不是说环境恶化完全是人类自身或者生命的进化所导致的。即使没有生命,整个宇宙都在发生着熵增过程。环境从美好到恶劣,天气从适度规律到极端难测,好到坏,规则到无序,这是万物熵增的必然。
 
三、我们对全球未来气候影响的狂想:
 
1.变暖是对中国农业发展的馈赠
从秦汉到明清,我国的气候出现了多次暖湿、冷干的交替变化,农耕区域反复北扩南撤,不断变化。历史告诉我们,无论是四方臣服一统华夏的秦朝,还是孕育了“开皇之治”、“贞观之治”和“开元盛世”的唐朝,时代不同、政治背景不同,治国方针也不同,但巧合的是朝代的繁荣总是伴随着农业的兴旺发达,也恰好对应温暖潮湿的气候环境,而“八王之乱”、“安史之乱”等朝野动荡,农业总是发展缓慢甚至停滞,并伴随寒冷的气候。几千年历史映射出的,难道只是巧合吗?在各国都开始担心全球变暖带来消极影响时,中国农业是否能和历史告诉我们的一样,将受益于趋于温暖的气候条件?
 
冰期一间冰期之间的冷暖旋回,全球变暖相当于间冰期,气温普遍升高,两极冰川退缩消融,干旱区沙漠退缩而绿洲扩大,海平面升高。从经验上看,气候变冷我们将面临如下威胁:中国黄土高原黄土堆积。气候变干变冷,驱使风沙作用增强,沙尘暴影响范围扩大,而成壤作用减弱,其结果导致植被以C3植物为主,沙漠范围扩张,使得沙漠中的绿洲渐渐消失,原本在沙漠边缘的家园被沙漠吞噬。这些逻辑在我国的历史之中也能发现证据:
 
A.上世纪60年代考古学家在西安附近的半坡村和河南省黄河以北的殷墟都发现了水麞和竹鼠等亚热带动物的骨骼,而现在西安地区已经不存在这类动物,推断当时的气候必然比现在更加温暖潮湿。
 
B.公元前1324一1365年的武丁时代,一个甲骨上的刻文表示,打猎时曾获得一象。我们有理由猜想河南曾有象群分布,这是“豫”之所以。
 
C.早期中国文字竹字头的常见,让我们有理由相信在周-秦二朝,竹子是可以在黄河流域广泛生长的,当时气候也湿润很多。
 
伴随着气候变暖,这些景象极有可能重新回归,全球转暖将导致我国降雨线向西北延伸,我国的干旱区将因海洋向内陆输送水汽的加强,降雨量增加,生态向良性循环方向发展。这对我国主要体现为:楼兰再现,塞上江南!
 
我们观察新疆地区的年均日积温,从20世纪第一个十年的2608.75℃,上升到最近一个十年的2749.91℃。新疆正在逐渐变得温暖,热量资源不断增加,农业作物的生长期不断延长,可种植地域不断扩展。中国西北内陆地区的新疆等地近10年已经显现降水增多的趋势,内陆湖水位上升、湖面扩大,河流出山径流量增加,这有利于中国西北干旱区农业的发展。随着日积温的增加,新疆作物的熟制也将发生改变。同样值得重视的是,全球变暖后导致生物生长季延长.各地的物候观测表明,大多数植物和动物的春季物候提前,秋季物候推迟,意味着生物生长时间延长。学者利用遥感数据分析表明,1982--1999年间,北纬40-70度间欧亚大陆植被生长季平均延长了18天,而北美大陆延长了12天。
 
在学者施雅风有关西北地区气候转型的评估报告中,预测至21世纪末西北气温增幅可能达到2.67℃。根据古里雅冰芯的记载这个温度相当于6000-7200 年前的全新世大暖期鼎盛阶段,此时或是罗布泊呈现出一幅“八百里洞庭”滋养楼兰万万众生的景象。
 
中国历史上占有显赫地位的丝绸之路之前受干旱而人迹罕至,从繁荣到零落大概率并非是战乱人祸,因为这不能解释为何河西走廊近几百年在历史上的失宠。随着河西走廊地区降水量和冰雪融水量的增加,丝绸之路有望重现车水马龙。
 
此外,内蒙的植被有望以每年40公里的速度向北疯狂恢复,毛乌素沙漠将被治愈。夏朝核心的秦晋蒙黄河大拐弯处,最近三年的植被恢复数量是过去20年的总和,黄河泥沙含量以每年7.6亿吨以上的速度减少,黄河有望逐步变清。
 
2.北冰洋通航
 
亚洲到地中海的航线是全球最繁忙的三大航线之一,中国远洋货物往欧洲的通道大多是经过南海--通过马六甲海峡---进印度洋---过埃及苏伊士运河---抵达地中海,这是最主流的中欧贸易航线,但马六甲海峡和苏伊士运河买路钱的成本一直不低(二战时代马六甲的意义就已经被凸显了,此外台湾的重要意义也在于其台湾海峡)。
 
一艘货轮从上海去欧洲在苏伊士运河开通以前需要绕好弯角,耗时29天,经苏伊士运河耗时22天,但是实际地球上还隐藏着一条航线——北极航线,到欧洲的通行距离大幅缩减,耗时可以降至15天,北极航线优势可见一斑。(航程缩短三分之一,单趟燃油成本节约40%,船体外部温度越低,船用涡轮内燃机的热机效率更高)这将是全球航运事业的重大利好,避免了马六甲和苏伊士的关卡也同样是件好事,而中国通过白令海峡却能相对顺畅,毕竟有一边是俄罗斯。
 
摆在海运公司面前的最大障碍是北极航线的浮冰(当前北极的海绘图还在总面积的20%以内),因此鲜有保险公司愿意对船只承保,但一旦冰川大面积消融,that is another story。
 
早在2008年,北极的海冰就已经有了较为明显的萎缩,俄罗斯沿岸的冰层已经不与陆地连接,加拿大北部群岛之间已经解冻,目前已经有一定的通航条件。2010年科罗拉多大学国家冰雪数据中心曾经用超级计算机模拟推算过结果,2030年9月份北冰洋冰层全部消失,推算的最晚时间是2050年。从船运公司的经营上看,只要一年能有6个月左右的时间同行就有利可图。
 
一旦实现,这对全球航运贸易的意义是颠覆性的。
 
北极航道分为东北航道和西北航道,其中东北航道西起西北欧北部海域,东至符拉迪沃斯托克(海参崴),途径巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和白令海峡,沿线国家有冰岛、瑞典、芬兰、俄罗斯等,全线通航期2~3个月。东北航道是连接太平洋和大西洋最为便捷的海运路径,比传统航线缩短1/3的航程,大幅减少了亚太与欧洲港口间的货运里程数。此外,全球变暖导致冻土层消融,北极地区的资源开采更加便利,提高了资源的可用性。学者研究称,通过量化预测海冰减少与航运过境北极地区的对应关系,发现到21世纪中叶标准开放水域船只的通航频率将增加1倍,横跨北极中部的航线也可通行。
 
3.苦寒之地将迎来春天和耕作的降临
 
现在我们或有理由狂想未来20年后:
 
A.阿拉斯加将成为一块农业宝地,全球渔业的圣地向全球农业新星迈进。
 
B、西伯利亚冻土层解冻,远东大陆的黑土地终究担起孕育农作物种子的使命。
 
 
战争和政治变迁大多转瞬即逝,对整个历史进程只起微小的作用,而地理气候、生态环境、思想传统之类因素,才是真正长期结构性约束历史进程的主角。
——法国历史学家布罗代尔,《历史与社会科学:长时段》
 
这句话是全球气候议题获得关注的缘由,但气候研究仍存在很多的分歧,在样本数据有限,仅凭直观认识和偏见过早下定论并不严谨。
 
IPCC认为全球变暖后全球极端天气增加,这个结论是值得商榷的。近千年来各地台风登陆频数与百年尺度气温冷暖波动之间不存在线性正相关关系,相反,在小冰期(17—19世纪)的冷波动阶段出现台风登陆频数的峰值。有研究表明全球变暖后地球表面的温度均升高,高、低纬度之间的气压差减小,气流较平稳,全球极端的天气减少。
 
竺可桢先生曾说过, 1℃上下的变迁,过去五千年中极为普通,算不了为地球变冷变暖的证据,而冷暖本身是地球气候波动的规律,人为因素加速这一进程的依据尚需要进一步研究。
 
我国气象学家丁仲礼谈到,目前还有很多基础性的科学问题需要研究,比如到底1.5℃、2.0℃增温对应什么样的二氧化碳当量浓度?以前国际上经常说450ppm二氧化碳当量浓度,现在已经达到了这个浓度,但增温并没有达到1.5℃。格陵兰冰盖融化之前,变暖对中国是有利的,融化之后海平面要上升,对中国就不利了,在此之前我们还需要做很多工作,科技界任重道远。
 
参考资料:
 
刘秀铭等,全球变暖与变冷利弊分析,亚热带资源与环境学报,2013
 
张萌萌等,全球变暖与全球变冷:气候科学的政治建构———以20世纪冰期预测为例,上海交通大学学报,2017
 
施雅风,沈永平,李栋梁,等. 中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨[J]. 第四纪研究,2003
 
姜大膀,富元海. 2℃全球变暖背景下中国未来气候变化预估[J]. 大气科学,2012
 
孙萌萌,江晓原. 竺可桢气候变迁思想的来源[J]. 自然科学史研究,2018
 
黄季夏,张天媛,曹云锋,等. 北极海冰消融情景下东北航道通航性能演变分析[J]. 地理学报,2021
 
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