在午夜的阳光下，从格陵兰岛快速移动的Jakobshavn冰川掉落的冰山缓缓飘出，途经Ilulissat镇。图片来源：Getty Images
编辑手记 （2018年12月12日）：本周二，美国国家海洋及大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA))宣布，过去五年是北极有记录以来最热的五年，该地区的变暖速度是全球平均水平的两倍。这只是NOAA年度报告披露的令人担忧的趋势中的两项。在我们4月号的期刊中，气候学家Jennifer Francis揭露了许多相同的细节，解释了该地区的气候变化是如何通过海平面上升、极端天气加剧以及对生态系统的破坏来威胁全球范围内的人类社会的。
2003年，包括我在内的25名科学家对北极的情况突然有了新的理解。彼时，国家科学基金会邀请我们去蒙大拿州的大天空(Big Sky)度假。在那次聚会之前，我们每个人都将我们对北极的研究限制在自己狭隘的课题中。而当我们分享各自的观点时， 我们意识到一个可怕的事实：我们各自发现的变化是相互关联的，它们可以完美地结合在一起。北极作为一个整体正在逐渐不稳定化，而阻止它的可能性十分小。
我们发表了一篇论文，得出了一个令人震惊的、有争议性的结论：按目前的变化速度，在一个世纪以内，我们确实有可能会见证一个无冰的夏季北冰洋，这是数千年来都没有出现过的情景。今天，我再次感到震惊，因为现在看来，北冰洋可能在2040年就会出现夏季无冰的情况——这比我们十多年前的预测提前了整整六十年。
北极正在向科学家们所预测的方向变化，但其变化速度甚至比最大胆的预测还要快。北极近期的变化十分反常。在短短三年间，许多存在数十年的记录被打破，包括夏季海冰消失、冬季海冰减少、气温上升以及地面消融。
打破纪录的北极
北极地区正在发生剧烈的变化，这迅速的改变将会影响世界各地的数十亿人口。仅在过去三年，大量北部地区的气候记录被打破，在某些情况下，新纪录远超旧纪录。六个值得注意的方面如下所示。柱状图中的红色数字表示历史记录，近年的数值反映了一个过剩的趋势。每个方面都会对北部的环境及人们的日常生活产生影响，它们的叠加效应更会重塑整个北半球的天气，使北极对其的影响最大化（最后一张图），提高全年极端天气出现的可能性。
格陵兰岛冰量减少
自2002年以来，格陵兰岛的冰盖质量直线下降，卫星开始测量这对地球重力场的影响。与其他因素相比，由冰融化而来的水能更快影响海平面上升。
冬季海冰覆盖面积
随着冬季变冷，海冰覆盖了整个北冰洋。但海冰覆盖面积逐步减小，特别是在巴伦支海和白令海处。海冰覆盖面积减小，使得远洋带(open ocean)能够将更多的热量和水分传送到空气当中，这会显著影响北极天气。
冬季海冰量
从1979年到2017年，漂浮在北冰洋的海冰冰量已减少了惊人的42.5%。风可以更轻易地推动较薄的冰块，使船只和沿海群落困在其中。在温暖的月份里，薄冰会融化得更快；在同一时间段内，夏季海冰冰量下降了80%。
冬季空气温度
在特定的某些日子，北极的温度可以飙升至其正常温度的20摄氏度之上，冬季的气温也在不断升高。相较于1979年，2016年的平均冬季温度高了9摄氏度。高空急流可通过将寒流和降雪带到美国、欧洲以及亚洲来减缓这样的升温趋势。
冬季水蒸气含量
在海冰覆盖面积更小的情况下，海洋可以向空气传送更多的水分。一个小幅度的水蒸气含量增加也会产生巨大以及被低估的效应：水蒸气是温室气体，它可以保温。水蒸气还可以凝结成云并释放潜热，因此云也能加剧暖化。
北极的放大效应
北极的升温速度比世界任何地方都要快。“放大效应”这个词指的是北极的平均温度正在向中纬度的温度靠近。北极以及中纬度地区之间逐渐减小的温度差使全年的高空急流的速度减缓，提高了北半球遭受更持久、更极端天气事件的概率，包括热浪、洪水、寒流甚至可能是持续事件更长的飓风。
这些趋势给世界各地的人们都带来了麻烦。上一次北极经历比今天略高的温度是在12.5万年前，那时的海平面比现在高了13到20英尺。迈阿密、新奥尔良、弗吉尼亚州诺福克的海军基地、纽约及硅谷的大部分地区，还有威尼斯、伦敦和上海，都不复存在。新研究表明，北极的快速暖化还会导致改变高空急流的路径，这会使极端天气在北美、中欧以及亚洲停留更长的时间，导致数百万人遭受严重的热浪、干旱以及激烈的风暴的袭击。另外，整个南北冰洋的浮游生物正在增加，这可能会破坏商业渔业赖以生存的食物链。同时，大量的冰融化，使得南格陵兰岛的淡水含量增加，这可能会减缓墨西哥湾流，进而改变大西洋两岸大陆的气候模式。
是什么推动了这种危险的变化呢？
“永久”冰的损失
科学家们花了很多精力观察北极，因为它对气候变化十分敏感。北极是“煤矿里的金丝雀”（译者注：这是一个比喻，形容某物可以为潜在的危险提供预警）。在过去的几年中，一系列的记录被打破，毫无疑问，几十年来令人不安的气候模拟是准确的。然而，这些数据说明了更大的问题，我们对未来变化的预测可能过于保守。
在仅仅四十年的时间里，北冰洋的夏季海冰覆盖面积就缩小了一半。是的，一半。全年的海冰总量也在下降——比上世纪80年代相比减少了四分之一。直到最近，科学家们还认为这些情况会到本世纪中叶才会发生。
夏季海冰这在迅速消失，这是由恶性循环的反馈所导致的，该循环可以放大微小的变化。例如，当有一小部分的额外热量融化明亮、雪白的冰块时，会有更多深色的海洋表面暴露出来，它们会向太空反射更少的太阳能量。海洋会吸收热量并加剧这一地区的暖化，进而融化更多的海冰，导致更严重的暖化。在冬季没有阳光时，会有其他反馈发生。例如，漂浮在北冰洋上的海冰就如同一块绝缘板，防止海里的热量的水分进入大气中。当海冰消退时，更多的热量和水分能进入空气，使其温度升高，进一步阻碍海冰的形成。计算机模拟通常低估海冰的消减速度，导致较为保守的未来变暖预测。
消失的海冰不是让像我这样的研究人员夜不能寐的唯一原因。在北极，其他两种过去被称为永久冰的冰的冰量也在急剧下降。
永久冻土——一种常年被冻结的泥土——也正在消融。建在永久冻土层上的建筑正在倒塌，树木逐渐倾斜，道路弯曲变形。除了扰乱当地居民的日常生活外，融化的土壤还会向大气释放大量的可蓄热的气体。当封存在永久冻土层中数千年的有机物融化时，细菌会将其分解为二氧化碳（在有氧情况下）或甲烷（在无氧情况下）。目前，北极永久冻土层的碳含量时大气碳含量的两倍，因此，大面积的永久冻土融化可能会大大加剧全球变暖，而这又会进一步促进消融。今天的计算机模型并没有充分考虑到冻土融化的影响，再次导致了对未来全球变暖的严重低估。
第三种先前的永久性北极冰是陆地上的冻结水，包括冰川和格陵兰岛超过一英里厚的大型冰盖。这些冰的融化会在世界范围内导致可怕的后果，因为与融化的海冰不同，它们融化后形成的水流入海洋后会直接提高海平面。2016年夏天，格陵兰岛的冰盖总质量（通过卫星测量其如何影响地球引力来估算）达到了自2002年卫星观测以来的最小值。这一水平也比上世纪50年代后期以来的任何水平都要低，当时质量估算是通过其他方法进行的。近期的一项研究显示，与海冰减少有关的变暖效应促进了格陵兰岛表面的冰的融化速度。
更热、更湿的空气
海冰减少和北极迅速变暖还有其他深远的影响。它们的叠加效应可以改变高空风，使其将额外的热量和水分从南纬运送到北极。2012年格陵兰岛的地表融化是由大气中一个异常强烈且持续的高压脊所造成的——它也被称为阻塞高压。它不仅会来南方的热量和水分，还会带来来自北半球野火的烟尘。这些烟尘会使冰和雪的表面变黑（降低其反照率或反射率），从而使它们吸收更多太阳能量，加速它们的融化——这又是一个恶性循环。
在挪威的Svalbard群岛上，一股在正在融化的冰盖上的融水倾斜入海。图片来源：Getty Images
近几十年来，尤其是在夏季，格陵兰岛附近的高空阻塞模式——高空急流中的大涡旋——似乎出现得更为频繁，这可能是导致冰块融化量上升的原因之一。2016年夏季的冰量损失是有记录以来的第三高，仅次于2010年和2012年。我和我的同事的新研究表明，阻塞高压的频繁发生极有可能与全球变暖有关。然而，计算机模拟难以按现实生成和分解这些阻塞模型，因此，我们很难判断这些模式在未来会如何发挥作用。
北极的其他现象也同样古怪。在过去的两个冬季，北极附近的热浪接连打破记录。海冰的减少和变薄是部分原因，这减少了海洋热量进入空气的屏障。高空急流的南北摆动也给遥远的北纬地区带来了创纪录的热量和水分。科学家和北极居民常常低估额外水分可能产生的强大的影响。首先，水蒸气是一种温室气体，因此，在干燥的北极冬天大气中，少量水分便能显著吸收更多热量。此外，当水分凝结成云时，它会释放潜热，进一步使空气暖化。最后，更多的云层会将更多的热量困在它们下方，这是导致北极冰川融化的另一因素。
困在极端天气中
尽管我们还要学习更多的东西，但很明显，北极正在发生人类历史上最剧烈的变化。鉴于这一严峻的现实，大气科学家正试图确定北极的变化对世界各地的人们及生态系统的影响，以便社会能为未来做好准备和应对措施。
对全球影响的一个例子是沿海洪水。根据忧思科学家联盟的新报告，在未来20年间，约170个美国沿海社区将遭受长期洪灾。到本世纪末，如果各国继续保持过去的二氧化碳排放量的话，世界上大多数沿海城市将面临经常性的、破坏性强的洪水的侵袭。这份诡异的、有预见性的报告发表于飓风哈维、厄玛和玛丽亚登陆美国的前几周，见证了美国史上破坏性最大、损失最高的飓风季。
越来越多证据表明，北极低层大气的强烈升温会影响高空急流甚至更高处的风。平流层是北极极地涡旋的风的发源地。在弯曲的高空急流中，向北的峰和向南的谷形成了我们在气象图上看到的高压和低压中心。这样的弯曲控制了北半球的天气。但如果极弯曲的急流发生得更为频繁的话，我们可以预测数十亿人居住的地区会出现更多极端天气。这是因为弯曲更大的急流往往从西向东的速度较慢，导致它们形成的天气系统持续时间更长。想想持续的热浪、激烈的降雨和停滞不前的热带风暴如哈维飓风，该飓风在2017年8月淹没了休斯顿；再想想像加州经历的猛烈的火灾季节，这同样也是在2017年。
高空急流中的大浪，加上北极的强烈变暖，它们可以破坏极地涡旋，延长致死的严重冻结或暴风雪的持续时间，包括今年1月初席卷美国北部的一段漫长的严寒期。极地涡旋的崩塌会使高空急流的剧烈摆动持续下去，将严重的热浪带到阿拉斯加和更北的地区，形成另一个加速北极变暖的恶性循环。一些研究表明，北极气候变暖与这些波动模式密切相干；另一些研究则认为它们之间的联系仍未被证实。对这一热点问题的研究进展迅速。
迅速变暖的北极极有可能会显著改变陆地和海洋的栖息地。随着海冰的消退，在新的季节里，浮游生物已经出现在了新的地区，吸引着来自低纬度的鱼类进入北冰洋，而北冰洋本土的鱼类消失了。高纬度地区春季融雪的提前导致冻土带更早变绿、昆虫更早孵化；候鸟从白天的时间长短中获得信息，它们可能会过晚抵达北极的食物地点，无法享受大餐。北极的人们同样也感受到了影响：融冰使他们无法进入传统的狩猎地，甚至迫使他们迁出那些曾受沿岸冰保护但如今受海岸侵蚀威胁的小镇。与此同时，大国和大企业纷纷涌入，寻找可开发的自然资源。紧张的局势逐步升级，围绕着谁能占有这片广袤而资源富饶的海底的哪部分这个问题。
每当又有一项长期存在的天气模式或北极记录被打破时，我和我的同事们在大天空度假时得到的启示就会在我的头脑中回放。现在我的邻居们也渐渐认识到这一点了。民意调查显示，大多数美国人认为北极冰层的消失和高空急流——这已经成为一个人人皆知的术语了——正在密谋制造怪异的天气。以前的北极也许酷寒，但它十分稳定。而新的北极更难预测，可能会发生不可逆的变化，对全球各地的生命体产生连锁反应。
这些影响是否可以避免？答案视情况而定。由于大气的反应滞后于温室气体浓度的增加，而且二氧化碳在大气中存在的时间很长，未来会发生变化是肯定的。但假如社会快速减少气体排放量并且开发出能从大气中提取大量二氧化碳的方法的话，未来的变化的程度及速度是可以被减缓的。尽管这两方面的进展都十分迅速，但成果可能还是太少、太晚，不足以我们保护我们熟知的地球和北极地区。我们应该未雨绸缪，做好一切准备。
作者：Jennifer A. Francis
翻译：黄薇
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