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2019-09-02 20:43
全球變暖后,臺風真的會更強嗎?

本文來自微信公眾號:SELF格致論道講壇(ID:SELFtalks),作者:黃平 中國科學院大氣物理研究所研究員,標題圖來自東方IC


“為什么看似簡單的結論卻需要氣候學家們費這么大的功夫去研究?”


黃平 中國科學院大氣物理研究所研究員


研究氣候是做天氣預報嗎


地球氣候起源其實是研究地球生物起源和地球文明起源的重要部分,地球氣候對整個人類社會的格局有著重要的影響。


我是研究氣候的,經常有人問我,研究氣候就是做天氣預報嗎?我們先來看兩張最近的氣溫和降水的天氣預報圖。


天氣預報圖


從圖中你會發現,過去幾天,中國北方的氣溫明顯比南方的氣溫高,這顯然不符合我們對6月氣候的一般性認識。所以,氣候學家研究的不是最近一兩天的天氣,而是更長時間尺度上的氣候變化。


氣候種類


網上有一個關于氣候的定義:一個地方多年的天氣平均狀況。中學時我們就知道,氣候被劃分成幾個部分,比如熱帶氣候、溫帶氣候、高原高山氣候等。


其實很早以前我們的祖先就認識到了,氣候并不是一成不變的,風“調”雨“順”的平均氣候狀態并不易得。據統計,漢代以來,我國不到兩年就有一次旱災,不到三年就有一次澇災。但古人對氣候的理解非常薄弱,只能通過各種形式祈求風調雨順,比如到天壇祈天,觀看星象等。


現在我們知道,影響氣候的因素有很多,比如大氣、陸地和海洋所包含的各種信號,特別是海洋。海水的熱容量很高,變化比較慢,所以海洋存儲的地球氣候信息能夠長時間地影響大氣。


如果你穿越回去跟古人說,地球另一邊某個海洋的異常會影響我們這邊的旱澇情況,古人可能覺得你是鬼怪派來影響他們祈天的。


二戰之后世界整體相對穩定,這也讓科研人員有機會積累長時間穩定可靠的資料,從大的時間尺度去觀察到底氣候是如何變化的。


同時,隨著計算機和數理方程數值解法的發展,氣候學這一原本無法通過實驗來開展的學科,逐漸變成了一個可以用數值實驗工具來研究的學科。


海上觀測、衛星觀測和超級計算機觀測


1977年和1978年發生了非常強的厄爾尼諾事件,1982年和1983年再次發生強厄爾尼諾事件,這幾次事件對全球氣候造成了重要的影響。這之后,全球氣候學研究迎來了爆發式的發展,人們展開了大量的海上觀測、衛星觀測和超級計算機的模擬。


觀測好像聽上去挺簡單,就是觀察,但所有的觀測設備都非常貴,動輒就是上百億元,所以只有人類文明和工業化能力達到某種程度以后,我們才有能力通過更先進的設備去了解地球,去研究地球。


以前的人們只能用非常簡單的數值模式來預測厄爾尼諾,現在我們可以通過各國的大型數值模式對厄爾尼諾進行提前1年的預測,這方面我們已經取得了非常好的成績,也獲得了很大的收益。


二氧化碳導致全球變暖


全球溫度持續升高


隨著觀測的時間越來越長,我們發現,氣候除了年與年之間會振蕩,最近幾十年,還有一個很明顯的持續升溫的趨勢。這種增溫趨勢在很多自然現象里也有反應。


北極海冰范圍明顯萎縮


大家看這張圖,圖中淺藍色顯示的是2018年北極海冰的大致范圍,黃線圈起來的部分是1981年北極海冰的范圍,兩者相比,可以很明顯地看到,北極海冰的范圍在過去30年里發生了明顯的萎縮。


天山冰川面積明顯萎縮


大家看這張圖,2018年天山冰川面積和2008年、2001年相比,都有了很明顯的萎縮。這些都是全球逐漸暖化的表現。


過去30年,氣候變暖現象受到人們很大的關注,科學家們分析了所有可能會對氣候變化產生影響的因子后發現:現在的氣候變化速度非???,而其他一些如太陽、地球自轉軸等影響地球活動變化的因素都沒有在短時間內發生如此劇烈的變化。


因此,聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在2013年的評估報告中得出了一個明確且謹慎的結論:目前發生的氣候變暖現象極有有可能是人類自工業革命以來大量排放的二氧化碳所引起的。工業革命以來,人們對能源的利用主要依賴于化石燃料的燃燒,而化石燃料的燃燒必然會往空氣中排放二氧化碳。


二氧化碳排放量


一起來看看這張圖的相關數據,過去80萬年以來,二氧化碳的水平一直在100ppm~200ppm之間,但工業革命以來短短的兩三百年,二氧化碳的值就達到了另一個高峰,增加了40%。


溫室氣體對地球的影響


為什么二氧化碳會對氣候造成重要影響呢?太陽會對地球產生輻射,但太陽的溫度非常高,它的輻射波長短,溫室氣體是沒法吸收的。


而地球溫度比較低,地球發射的輻射波長較長,二氧化碳、甲烷等溫室氣體可以吸收。據測算,目前二氧化碳等溫室氣體提供了大概33攝氏度的保溫效果。


全球人口分布


或許有朋友會說,對于北方而言,溫度升高一點有什么影響呢?沒準農作物會長得更好呢。事實果真如此嗎?通過這張圖,我們可以很清晰地看到,目前全球有一半的人口都居住在沿海60千米以內的范圍,人口如此分布主要是由現代工業文明的整體發展狀況決定的。


由于沿海居民的密度是內地居民密度的十倍,可以想象,當全球氣候變暖,氣溫升高之后,陸地冰川將會融化,海平面將會上升,隨之而來的風暴潮、臺風等就會嚴重影響沿海居民的生活。



除了全球氣候,人們還很關心自己所處的區域氣候變化情況。比如對于西北太平洋和亞洲沿岸來講,氣溫升高帶來的直接災害影響就是臺風。


海水溫度會影響臺風強度


未來臺風會變得更強還是變得更弱呢?其實,區域氣候變化問題也是過去20年來,氣候學研究過程中非常熱門的一個課題。


北半球臺風的結構


人們對臺風的研究好像已經很多了,比如談到臺風的結構,科學家們會講得頭頭是道,但面對“全球溫度升高,臺風強度會變得更強嗎”這一看似簡單而具體的問題,科學家們卻手忙腳亂。他們或許可以寫出很復雜的臺風預測公式,但卻無法準確回答這樣的問題。


臺風其實是一個熱機的過程,是下層的溫暖的水汽帶著很強的潛熱輸送到大氣上層,然后潛熱釋放,轉換為動能的一個過程。


這個過程看似非常簡單,好像是全球變暖了,海洋溫度升高了,水汽更多了,所以臺風強度會變得更強。



但真的這么簡單嗎?如果真的這么簡單,為什么直到2005年美國科學家才在《Nature》上發表相關文章,證明臺風的強弱變化的趨勢和海水溫度的升降有關呢?


當年為了找到比較確切的證據,科學家們從觀測、理論和數值模擬上做了大量工作,最后才得出臺風的變化趨勢和海溫確實有著非常明顯的直接的關系。那就是:全球變暖后,海溫會升高,臺風強度會變強。


這種理論在2005年發表后,目前已被引用了3400多次,可以說,這一理論在全球變暖研究方面有非常大的影響力。


為什么這些看似簡單的結論卻需要氣候學家們費這么大的功夫去研究呢?最主要是因為,我們之前所看到的僅僅是現象,是一些定性的東西,而定量的證據,定量的結論我們是很欠缺的。


2013年一個偶然的機會,我參加了一個會議,會上聽一位老師提到了一個我之前完全不了解的現象:臺風的風力非常強,它會把海洋下層的冷水給卷起來。


臺風自帶“剎車”


大家知道,海洋上層因為直接受到太陽的輻射,所以水溫較熱,而下層水溫較冷。如果臺風將海洋下層較冷的海水卷起來,那是不是意味著會抑制臺風強度的進一步增加呢?就好像臺風自帶“剎車”一樣。


不過,這個剎車的作用有強有弱。當上層溫暖海水比較薄的時候,臺風卷起來的冷水比較冷,剎車作用就比較強;當上層溫暖海水比較厚的時候,臺風卷起來的冷水沒那么冷,剎車作用就比較弱。


這個過程依賴很多因素,缺乏定量數據,到底多厚的海水能對臺風強度帶來影響呢?


2010年,有科學計劃進行了海陸空聯合觀測。大家知道,臺風在海上移動,它的核心區是天氣極其惡劣的狀態,飛機、輪船要追著臺風進行觀測,是很難的。



為了這項研究,科學家投入了很多資源,最后得出一個結論:在西北太平洋,臺風確實能夠卷起海洋下層的冷水,能卷起的最大厚度為80~100米。其對臺風的影響大約等同于上層80~100米海水混合后的平均溫度。


所以,如果人們在預測臺風強度的時候,能考慮80~100米的海水溫度,就比只考慮海洋表面的溫度要更合理和準確。


2013年我正在做關于氣候變化問題的研究,但當年我在聽那位老師做報告的時候,并沒有聽到他講到的上述問題和全球變暖有什么關系。


全球變暖觀測與預估結果


我馬上就想到,在二氧化碳增加所引起的輻射中,海水表層的溫度增加得比較快,下層增加得比較慢。大家看,這兩張圖分別是歷史觀測的結果和模式預估的結果。


因此我想我們不能僅僅以海水表層的溫度去估計它對臺風強度的作用,要對一些研究進行修正,否則就會高估海洋增溫對臺風的促進作用。



這個物理過程聽起來好像很簡單,但對于科研人員來說,痛苦才剛剛開始。從2015年開始,我們經歷了兩年的時間,不斷利用更新的觀測資料,不斷修正理論模型,不斷改進模式框架,和審稿團隊反復辯論、質疑、爭論,最終估算出了一個現在看起來還算是比較合理的結果。


后來,所有做數值模式預測未來臺風變化的機構和人員,都開始考慮我們提出的機制,把臺風和海洋的相互作用看成是預測臺風發展趨勢必不可少的因素。


很多人都以為做全球變暖的研究就是拿一個數值模式甚至自己造一個數值模式去算,出來的結果五花八門,什么說法都有,其實并不是這樣的。


真正做氣候變化的研究,特別是區域氣候變化的研究,需要考慮的因素非常多,不僅僅是利用數值模式進行簡單的模擬。


原來的觀測、理論、模擬可能可以用來做一些天氣預報,比如臺風路徑的預報,但都缺乏對全球變暖這個變量的考慮。當把這個變量加進去之后,全球氣候會產生什么樣的連鎖反應,我們其實并不清楚,我們的認識還是缺失的。



所以我們是把全球變暖這一因素加到全球氣候的理論框架當中,盡可能去考慮全球變暖到底會對哪些方面產生影響,從而構建更充分的理論基礎。


經常有人問我,你說得頭頭是道,好像很有道理,但你能驗證你的說法嗎?非常遺憾,氣候研究是特別長時間尺度的趨勢研究,很難像天氣預報那樣,一兩天就可以給你看驗證結果。


最簡單的氣候預測也最少需要大半年甚至一年的時間去驗證。比如厄爾尼諾現象,預測結果半年到1年就能驗證,但是從研究建模再到預測再到驗證,最終這一切研究得到大家認可,經過了約10年的時間,而現代氣候變暖的研究不過剛剛發展了30年。很慶幸的是,我們現在已經逐漸有了一些可以驗證的預測。


全球變暖預測對比


大家看這張圖,上面是1989年美國科學家在《Nature》上發表的文章中的一幅圖,當時他們預測全球變暖之后,地球上有的地方增溫會很高,有的地方沒有那么高的分布情況。


圖中可以看到,他們利用的數值模式粗糙到連大陸輪廓都看不清。但是30年后我們根據過去50年分析得到的全球增溫高低分布的情況。所以,或許我們已經在全球變暖的區域氣候變化上取得了很多潛在的研究成就,只是暫時沒有辦法驗證而已。


在我們做氣候變化研究的這么多年里,始終有各種質疑伴隨著我們,很多人都不相信我們的研究。這也正常。其實,科學家每天都在經歷各種質疑,科學的質疑與辯論是科學家與生俱來的特質。從另一個角度來說,對全球變暖的質疑也是對大家進行現代科學研究范式的一種普及。


在未知的邊緣試探


大家都是在利用自己的能力極限,在整個人類知識的邊界,在好奇心的驅動之下,做一系列瘋狂地試探而已。


本文來自微信公眾號:SELF格致論道講壇(ID:SELFtalks),作者:黃平 中國科學院大氣物理研究所研究員


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