-本文選自《世界科學(xué)》雜志2022年第10期“大家·科技前沿”欄目-

地球歷史上的氣候變化既有緩慢而持久的漸變，也有快速而短暫的突變。后一種氣候變化現(xiàn)象就是氣候事件，氣候事件表現(xiàn)為溫度和濕度快速而短促的突變交替變化，它標(biāo)志著氣候演化史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。氣候事件有時(shí)是全球性的，有時(shí)則是區(qū)域性或地方性的。

氣候事件的預(yù)測和暴發(fā)可以借用一下金融學(xué)上近來非常流行的概念——黑天鵝事件和灰犀牛事件。黑天鵝事件指的是難以預(yù)測，但突然發(fā)生時(shí)會引起連鎖反應(yīng)、帶來巨大負(fù)面影響的小概率事件。而灰犀牛事件指的是明顯的、高概率的卻又屢屢被人忽視、最終有可能釀成大危機(jī)的事件。

氣候事件本身是非常復(fù)雜的過程，故而并不是簡單地講某個(gè)氣候事件劃分為黑天鵝事件和灰犀牛事件，而是在某個(gè)氣候事件里到底哪些屬于黑天鵝效應(yīng)的子事件，哪些屬于灰犀牛效應(yīng)的子事件，而且一個(gè)氣候事件從不同的時(shí)空尺度來看會出現(xiàn)不同的結(jié)論。

比如恐龍滅絕的各種假說中充滿了對6500萬年前地球氣候的猜測，地球氣溫的跌宕起伏從長期看就是灰犀牛事件，從短期看卻是黑天鵝事件?？此剖呛谔禊Z事件的小行星撞擊地球，其實(shí)長期來看也是灰犀牛事件，我們只要看看月球上無數(shù)的隕石坑就明白了。從這個(gè)角度來理解2022年全球的高溫肆虐，就會更加深入、全面地看待地球的氣候變化。

從歷史角度看地球氣候變化

對于地球來說，我們一直為“氣候之謎”的壯麗和詭異所困惑。在地球46億年的歷史中，它的變化可謂超乎想象，是一個(gè)由熱變冷再轉(zhuǎn)熱的星球。簡單回顧它的發(fā)展歷程是這樣的：

它誕生之初，地表溫度高達(dá)1200℃；

在39億年前，地表積存大量的水，慢慢組成海洋，地表溫度降低，冷卻到了70℃；

7.5億年前，地球上劇烈的地質(zhì)活動(dòng)引發(fā)大量的火山噴發(fā)，火山噴發(fā)排出大量的二氧化碳；

2.5億年前，整片大陸都在噴發(fā)熔巖，大量的熔巖噴發(fā)使得大氣中的二氧化硫濃度升高；

4萬年前，進(jìn)入冰河世紀(jì)，冰川迅速在整個(gè)北半球蔓延；

2萬年前，冰河世紀(jì)進(jìn)入尾聲；

14000年前，冰河世紀(jì)結(jié)束，北半球冰雪退去。

此后地球開始慢慢恢復(fù)成現(xiàn)在的模樣，氣溫適宜人類生存和文明發(fā)展。

如果從行星的發(fā)展來看，太陽系中類地行星有著兩個(gè)因素是共同的——巖石和水，其演變也是巖石和水不同相態(tài)的變化。與其他類地行星相比，地球在這兩者的配比關(guān)系最為均衡，這分成兩個(gè)方面：一個(gè)是靜態(tài)，現(xiàn)在地球的海洋和陸地的分布范圍適合太陽熱量和水汽的循環(huán)；另一個(gè)是動(dòng)態(tài)，地球歷史上火山的噴發(fā)造就了巖石圈和大氣層，使得地球可以靈活地調(diào)節(jié)太陽的能量。特別是這種互動(dòng)的平衡，一次次地在地球的歷史里敘寫著“冰與火之歌”，在時(shí)間長河里孕育出生命，而且發(fā)展出了人類的文明。

“溫室效應(yīng)”的功與過

氣候變化最重要的表現(xiàn)就是氣候變暖，隨著全球極端天氣的日趨頻繁，全球氣候變暖的概念越來越深入人心。全球氣候變暖肇始于地球大氣層的一種重要機(jī)制——溫室效應(yīng)。大氣能使太陽短波輻射到達(dá)地面，但地表受熱后向外放出的大量長波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類似栽培農(nóng)作物的溫室，故名溫室效應(yīng)。

雖然溫室效應(yīng)是對我們地球生命極其重要的機(jī)制，但是萬事皆有度，由于人們焚燒化石燃料，如石油、煤炭等，或砍伐森林并將其焚燒時(shí)會產(chǎn)生大量二氧化碳，即溫室氣體，溫室效應(yīng)的加劇也造成了地球生態(tài)環(huán)境的破壞，愈演愈烈的話，很可能會出現(xiàn)某些災(zāi)難性結(jié)果。

氣候變暖屬于全球地球氣候系統(tǒng)的范疇，后者是一個(gè)包括大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈和生物圈在內(nèi)的，能夠決定氣候形成、氣候分布和氣候變化的統(tǒng)一的物理系統(tǒng)。由于它是一個(gè)對人類至關(guān)重要的復(fù)雜系統(tǒng)，全球氣候變暖會產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致全球降水量重新分配、冰川和凍土消融、海平面上升等，不僅危害自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，還影響人類健康甚至威脅人類的生存。

“臨界點(diǎn)”假說??

“氣候臨界點(diǎn)”最早是由聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提出的，它的意思是從氣候系統(tǒng)的角度來說，全球或者某個(gè)區(qū)域的氣候從一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。而這個(gè)轉(zhuǎn)變一旦發(fā)生，地球的氣候?qū)a(chǎn)生巨變，且這個(gè)改變是不可逆的。屆時(shí)，人類面臨的或?qū)⑹且粋€(gè)更加不適宜居住的地球。

從目前的情況來看，一旦突破臨界點(diǎn)，地球可能會成為“溫室”地球?？茖W(xué)家將全球大約15個(gè)主要區(qū)域的氣候系統(tǒng)設(shè)立為具有代表性的臨界點(diǎn)觀測目標(biāo)，包括南北極冰蓋、太平洋洋流、珊瑚礁等，這些臨界點(diǎn)相互存在著關(guān)聯(lián)，可謂是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。

當(dāng)南北極冰蓋開始融化，海平面將會上升，淹沒沿海低洼地區(qū)，海洋生態(tài)鏈也將產(chǎn)生劇變。而海洋溫度的變化也會給陸地帶來更多的極端天氣事件，從而導(dǎo)致土地大面積干旱，就連茂密的亞馬孫熱帶雨林也可能會變成草原。這些連鎖反應(yīng)將會嚴(yán)重影響食物鏈，從而給人類帶來生存危機(jī)。

全球氣候變化導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)折的臨界值是全球平均氣溫升幅1.5℃。

2016年在紐約簽署的《巴黎協(xié)定》，長期目標(biāo)是將全球平均氣溫控制在較工業(yè)化前水平上升2℃之內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。許多科學(xué)家認(rèn)為，一旦放任全球升溫超過1.5℃，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的甚至不可逆的氣候變化影響。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第六次評估報(bào)告，如果全球升溫1.5℃，接受研究的10.5萬個(gè)物種中，將有約6%的昆蟲、8%的植物和4%的脊椎動(dòng)物失去適宜的生存環(huán)境；升溫2℃，則將擴(kuò)大到18%的昆蟲、16%的植物和8%脊椎動(dòng)物。由此帶來的氣候變化還將導(dǎo)致高緯度苔原和北方森林退化，二氧化碳濃度增加致使海洋酸化，從而威脅到從藻類到魚類的龐大生物種群。

“氣候臨界點(diǎn)”源于哲學(xué)上的概念“漸變”與“突變”，它們是事物發(fā)展的兩種形式。漸變分為量的漸變和質(zhì)的漸變。前者是指量的增加或減少，也就是量變；后者是指新質(zhì)的逐漸積累和舊質(zhì)的逐漸衰減，也是質(zhì)變的一種形式。突變則是質(zhì)變的另一種形式，是漸進(jìn)過程的中斷，是不經(jīng)過任何過渡階段從一種質(zhì)態(tài)到另一質(zhì)態(tài)的飛躍。從地球的氣候歷史來看，重大氣候事件往往都是從漸變到突變的過程。

正反饋與負(fù)反饋

反饋又稱回饋，是控制論的基本概念，指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進(jìn)而影響系統(tǒng)功能的過程。反饋可分為負(fù)反饋和正反饋。前者使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；后者使輸出起到與輸入相似的作用，使系統(tǒng)偏差不斷增大，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。

如果全球變暖不能得到有效控制，很多專家認(rèn)為可能觸發(fā)碳循環(huán)的正反饋，即全球變暖導(dǎo)致地球歷史時(shí)期被固定的碳（植被、可燃冰等形式）以二氧化碳的形式排出，造成更嚴(yán)重的升溫。

混沌與復(fù)雜

對于公眾來說，對“混沌”最直觀的解釋莫過于膾炙人口的“蝴蝶效應(yīng)”，美國氣象學(xué)家愛德華 · 洛倫茲（Edward N. Lorenz）1963年在一篇論文中分析了這個(gè)效應(yīng)。

對于這個(gè)效應(yīng)最常見的闡述是：“一只南美洲亞馬孫河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風(fēng)?！痹蚓褪呛葎?dòng)翅膀的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其身邊的空氣系統(tǒng)發(fā)生變化，并產(chǎn)生微弱的氣流，而微弱的氣流的產(chǎn)生又會引起四周空氣或其他系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由此引起一個(gè)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致其他系統(tǒng)的極大變化。

之后，大量的科學(xué)家在許多其他的領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，引發(fā)了科學(xué)界的廣泛興趣。“混沌”的興起，也就是復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)律一樣是物理學(xué)上第三次偉大的革命。

在氣象學(xué)家洛倫茲發(fā)現(xiàn)“蝴蝶效應(yīng)”之前，科學(xué)已經(jīng)走向了日益專業(yè)化的危機(jī)，但“混沌”的出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)了這個(gè)傾向，“混沌”大概是近半個(gè)世紀(jì)以來科學(xué)界最大的跨界明星，物理、化學(xué)、氣象學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、歷史學(xué)、哲學(xué)以至社會學(xué)、心理學(xué)都可以看到它活躍的身影。

正如有位物理學(xué)家所說，相對論粉碎了牛頓學(xué)說絕對時(shí)空的錯(cuò)覺，量子力學(xué)粉碎了牛頓學(xué)說測量過程可控的幻象，而混沌粉碎了拉普拉斯決定論預(yù)測的夢想。跟相對論和量子力學(xué)不同的是，混沌離人類的直覺更近，畢竟生活中的不確定性太多了。剛剛過去的上海夏天，副熱帶高壓的詭秘行蹤不啻一種混沌現(xiàn)象的呈現(xiàn)。

氣候變暖到底意味著什么

要深入了解氣候變暖，必須弄清楚背后的理論推測與科學(xué)事實(shí)。越來越多的觀測數(shù)據(jù)表明氣候變暖是高度可信的。

2007年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會發(fā)布了第四次評估報(bào)告，總結(jié)了數(shù)以千計(jì)的科學(xué)研究和不計(jì)其數(shù)的觀測現(xiàn)象，得到世界上絕大多數(shù)政府的認(rèn)可。報(bào)告指出，氣候系統(tǒng)變暖“是毋庸置疑的，從全球平均氣溫和海水溫度升高、大范圍冰雪融化、全球平均海平面上升等觀測資料中可以看出，這是顯而易見的事實(shí)”。

科學(xué)基于觀測，因此對其結(jié)論可做出修訂。一方面，不斷出現(xiàn)的新證據(jù)會減弱現(xiàn)有理論的可信度。另一方面，正如美國國家科學(xué)院在2010年的《推進(jìn)氣候變化科學(xué)》報(bào)告中所寫的：一些科學(xué)結(jié)論或理論經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎颊撟C和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，并由很多相互獨(dú)立的觀測結(jié)論支持，所以其錯(cuò)誤的可能性微乎其微。

這樣的科學(xué)理論便成為我們所說的“既定事實(shí)”。地球氣候系統(tǒng)由于人類活動(dòng)而逐漸變暖便是典型案例?？茖W(xué)家們認(rèn)為全球變暖是既定事實(shí)，是因?yàn)樗凶C據(jù)均指向這一結(jié)論。

過去的幾十年里，不僅海洋表面溫度升高，海水熱含量也逐年上升。由于海洋升溫、海水蒸發(fā)加快，空氣濕度不斷升高，暴雨、洪水等災(zāi)害頻發(fā)，這與科學(xué)家們觀測到的情況相符。植物和動(dòng)物的生活習(xí)性也因?yàn)槿蜃兣淖儭４禾毂韧甓紒淼迷?，許多植物開花的時(shí)間也不斷提前。動(dòng)物和植物一起開始向兩極或高緯度地區(qū)遷徙或轉(zhuǎn)移。

隨著全球平均氣溫的不斷升高，科學(xué)家們預(yù)測長時(shí)間、高強(qiáng)度的熱浪將會頻繁出現(xiàn)在世界各地。這一推論也已得到證實(shí)。世界氣象組織（WMO）發(fā)布最新報(bào)告稱，2022年7月成為有氣象記錄以來最熱的三個(gè)7月之一。政府間氣候變化專門委員會的 《氣候變化2022：影響、適應(yīng)和脆弱性》提出：最近50年來，全球變暖正以過去2 000年以來前所未有的速度發(fā)生，熱浪、高溫、干旱、颶風(fēng)等極端天氣將更為平常。

另一方面，在科學(xué)家通過種種復(fù)雜的高科技手段還原的地球歷史里，我們其實(shí)是處于氣候史上的相對冷期，盡管其中也夾雜著冷暖交替的時(shí)期。氣候的冷暖只是相對的概念，對于過去8億年，目前的氣候可能處于相對的冷期，卻可能是近1000多年來最暖的時(shí)期。但是如果聚焦于人類文明的幾千年里，種種證據(jù)都表明了人類才是過量溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)住?/span>

另外還有一個(gè)不太為人所知的方面，氣候變化也不是一無是處，它一樣會帶來很多好處。全球變暖驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜的水循環(huán)變化，可能導(dǎo)致近十幾年來西北大部分地區(qū)氣候環(huán)境悄然發(fā)生重大變化。西北地區(qū)已經(jīng)被科學(xué)觀察到降水與徑流增加，冰川消融加速，湖泊水位上升，大風(fēng)雨、沙塵暴日數(shù)減少，植被有所改善等一系列自然現(xiàn)象。

什么原因造成今年全球酷熱盛行

今年全球已經(jīng)累計(jì)有數(shù)十個(gè)國家的上百個(gè)地區(qū)出現(xiàn)了極端高溫現(xiàn)象。我們來看一下幾個(gè)關(guān)鍵事例。

2020年6月20日，俄羅斯西伯利亞東北部北極小鎮(zhèn)維爾霍揚(yáng)斯克的氣溫達(dá)38℃，打破了北極圈內(nèi)有記錄以來的最高紀(jì)錄；2022年7月，位于北極圈內(nèi)的挪威班納克地區(qū)測得了32℃的高溫。

美國宇航局（NASA）的跟蹤顯示，與1981年至2010年期間的平均范圍相比，北極海冰的最小范圍正以每十年13%的速度減少。

在南極，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）等機(jī)構(gòu)監(jiān)測顯示，今年7月監(jiān)測到的海冰面積為有衛(wèi)星監(jiān)測記錄44年以來最低值，比平均水平低7%。

根據(jù)中國國家氣候中心監(jiān)測，今年6月，全球平均氣溫較常年偏高約0.4℃，為1979年以來最高，其中俄羅斯北部、歐洲西部等地偏高2℃以上。西班牙、法國和意大利等地的日最高氣溫超過40℃，法國、西班牙、美國和日本等國多個(gè)城市刷新高溫紀(jì)錄。日本東京連續(xù)五天氣溫超過35℃。美國中部和東部高溫警報(bào)影響人口約1.25億，超過美國人口的1/3。

與歷史同期相比，本次高溫?zé)崂耸录跉W洲、東亞、北美多地同一時(shí)段最高氣溫打破歷史極值，影響范圍廣，但影響程度不及2003年高溫事件。

大氣環(huán)流異常則是全球今年夏天多地高溫?zé)崂祟l發(fā)的直接原因。

今年6月以來，大氣系統(tǒng)表現(xiàn)出一致性的暖性高壓環(huán)流系統(tǒng)控制，形成大范圍的暖高壓系統(tǒng)。在北半球副熱帶地區(qū)上空，西太平洋副熱帶高壓、大西洋高壓和伊朗高壓均階段性增強(qiáng)，由此形成大范圍的暖高壓帶。在暖高壓帶的控制之下盛行下沉氣流、有利于地面增溫，加之在大范圍高壓帶的作用下，空氣較為干燥，不易形成云，也使得太陽輻射更容易到達(dá)地面，導(dǎo)致高溫頻發(fā)，且強(qiáng)度較強(qiáng)，進(jìn)而造成北半球多地出現(xiàn)持續(xù)高溫?zé)崂耸录?/span>

第二個(gè)原因是跨越三年的拉尼娜氣候事件對大氣環(huán)流異常起到了推波助瀾的作用。

目前正在持續(xù)的拉尼娜事件為今年夏天我國南方高溫的發(fā)生發(fā)展提供了重要的氣候背景條件。

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)拉尼娜事件第二年的夏季，副熱帶高壓更容易偏北?！袄崮痊F(xiàn)象”指的是赤道中東部太平洋的海水異常變冷。拉尼娜現(xiàn)象不僅促進(jìn)了高溫的形成，而且抑制了臺風(fēng)的發(fā)展，導(dǎo)致高溫難以緩解。今年2～3月期間，熱帶中東太平洋海表冷水持續(xù)加強(qiáng)，拉尼娜事件的強(qiáng)度加強(qiáng)，并持續(xù)到7月。

不過拉尼娜現(xiàn)象屬于地球氣象變化中正常的環(huán)節(jié)，正因?yàn)橛羞@樣冷熱交替的氣候成因，才得以讓季風(fēng)、海嘯等其他自然力量發(fā)揮作用。

不過今年的拉尼娜現(xiàn)象還和往年不同，今年是“三重”拉尼娜現(xiàn)象?！叭亍崩崮痊F(xiàn)象字面意思就是連續(xù)三年全球氣候都受到拉尼娜效應(yīng)的影響。從1950年以來，這樣的現(xiàn)象就只發(fā)生過兩次，最近一次就是1998年夏末到2001年初春的三重拉尼娜現(xiàn)象，因此也證明了出現(xiàn)這種現(xiàn)象是非常特殊且罕見的。在2021年的年初，我國就受到了拉尼娜現(xiàn)象的影響，導(dǎo)致了我國中部、東部等地區(qū)都受到了強(qiáng)烈的寒潮天氣，多地的最低氣溫記錄都被打破。

在世界氣象組織八月的預(yù)測中，拉尼娜現(xiàn)象很有可能會持續(xù)到今年的年底，也就是說今年很可能會出現(xiàn)三重拉尼娜現(xiàn)象，這也將會是21世紀(jì)首次三重拉尼娜現(xiàn)象。不僅僅是世界氣象組織對今年即將到來的三重拉尼娜現(xiàn)象進(jìn)行了預(yù)測，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、日本氣象廳、中國國家氣候中心也均表示了該現(xiàn)象極有可能發(fā)生。三重拉尼娜現(xiàn)象是否和極端高溫會有什么樣的科學(xué)聯(lián)系，這還留待氣象學(xué)家未來的發(fā)現(xiàn)探索。

第三個(gè)原因是全球變暖造成的極端天氣，有極端高溫、極端低溫、極端干旱、極端降水等。

極端天氣氣候事件是指一定地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的歷史上罕見的氣象事件，其發(fā)生概率通常小于5%或10%。隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件的出現(xiàn)頻率發(fā)生變化，呈現(xiàn)出增多增強(qiáng)的趨勢。

全球變暖是北半球高溫?zé)崂耸录l發(fā)的氣候大背景。事實(shí)上，近年來全球氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定已經(jīng)在加劇，極端天氣氣候事件頻發(fā)，廣發(fā)、強(qiáng)發(fā)、并發(fā)氣候異常狀況顯得更加持久和頻繁，更多區(qū)域在遭遇更多的復(fù)合極端事件。持續(xù)高溫天氣，給人體健康、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多不利影響。

結(jié)語

氣候變化在全球范圍內(nèi)引發(fā)了前所未有的極端天氣事件，預(yù)計(jì)未來極端高溫將出現(xiàn)得更頻繁、更強(qiáng)烈。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第六次評估報(bào)告稱，最近50年全球變暖正以過去2000年以來前所未有的速度發(fā)生，氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定加劇。

世界氣象組織認(rèn)為，受氣候變化影響，預(yù)計(jì)未來極端高溫將出現(xiàn)得更頻繁、更強(qiáng)烈。如果溫室氣體排放繼續(xù)上升，全球變暖幅度將會更大，目前所經(jīng)歷的只是“未來的預(yù)兆”。有科學(xué)家預(yù)測，氣候變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)正在迅速增加，極端天氣事件“正變得越來越普遍，到21世紀(jì)末，它們將不再是極端事件”。