冰川冻土, 2022, 44(3): 946-953 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0090

冰冻圈与全球变化

最近十多年来冰冻圈加速萎缩

——IPCC第六次评估报告之冰冻圈变化解读

钟歆玥,1, 康世昌2,3, 郭万钦2, 吴晓东2, 陈金雷2

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 甘肃省遥感重点实验室,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室,甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学,北京 100049

The rapidly shrinking cryopshere in the past decade: an interpretation of cryospheric changes from IPCC WGI Sixth Assessment Report

ZHONG Xinyue,1, KANG Shichang2,3, GUO Wanqin2, WU Xiaodong2, CHEN Jinlei2

1.Key Laboratory of Remote Sensing of Gansu Province,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

收稿日期: 2021-10-03   修回日期: 2021-10-31  

基金资助: 中国科学院国际伙伴计划“北极冰冻圈变化与可持续发展国际大科学计划”.  131B62KYSB20180003
冰冻圈科学国家重点实验室自主课题.  SKLCS-ZZ-2021

Received: 2021-10-03   Revised: 2021-10-31  

作者简介 About authors

钟歆玥,副研究员,主要从事冰冻圈与气候变化研究.E-mail:xyzhong@lzb.ac.cn , E-mail:xyzhong@lzb.ac.cn

摘要

政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2021年8月发布了第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》。该报告基于最新的观测和模拟研究,评估了冰冻圈变化的现状,并采用CMIP6模式对未来变化进行了预估。报告明确指出,近十多年来冰冻圈呈现加速萎缩状态:北极海冰面积显著减小、厚度减薄、冰量迅速减少;格陵兰冰盖、南极冰盖和全球山地冰川物质亏损加剧;多年冻土温度升高、活动层增厚,海底多年冻土范围减少;北半球积雪范围也在明显变小,但积雪量有较大空间差异。冰冻圈的快速萎缩加速海平面的上升。未来人类活动对冰冻圈萎缩的影响将愈加显著,从而导致北极海冰面积继续减少乃至消失,冰盖和冰川物质将持续亏损,多年冻土和积雪的范围继续缩减。报告也提出,目前冰冻圈研究仍存在观测资料稀缺、模型对各影响因素的敏感性参数和过程描述亟需提升、对吸光性杂质的变化机制认知不足等问题,从而影响了对冰冻圈变化预估的准确性,未来需要重点关注。

关键词: IPCC ; 第六次评估报告 ; 冰冻圈 ; 气候变化 ; 预估

Abstract

The Working Group I report of the Sixth Assessment Report (AR6) of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) was released in August 2021. Base on updated and expanding data, AR6 presented the improved assessment of past changes and processes of cryosphere. AR6 also predicted the future changes using the models in CMIP6. The components of cryosphere were rapid shrinking under climate warming in the last decade. There were decreasing trends in Arctic sea-ice area and thickness. Sea-ice loss was significant. The Greenland Ice Sheet, the Antarctic Ice Sheet and all glaciers lost more mass than in any other decade. Global warming over the last decades had led to widespread permafrost warming, active layer thickness increasing and subsea permafrost extent reducing. Snow cover extent in the Northern Hemisphere also decreased significantly. However, the variations of snow depth and snow water equivalent showed great spatial heterogeneity. The rapid shrinking of the cryosphere accelerated the global mean sea level rise. The impact of human activities on cryosphere will become more significant in the future. The Arctic sea-ice area will decrease, and the Arctic Ocean will likely become practically sea ice-free. The Greenland Ice Sheet, the Antarctic Ice Sheet and glaciers will continue to lose mass throughout this century. Permafrost and Northern Hemisphere snow cover extent will continue to decrease as global climate continues to warm. In addition, there are still uncertainties in the prediction of cryosphere due to the absence of observations, the poor sensitivity of models to the components and processes of cryosphere, and the inexplicit represent of the mechanism of light-absorbing impurities. More attentions should be paid on these issues in the future.

Keywords: IPCC ; AR6 ; cryosphere ; climate change ; projection

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本文引用格式

钟歆玥, 康世昌, 郭万钦, 吴晓东, 陈金雷. 最近十多年来冰冻圈加速萎缩[J]. 冰川冻土, 2022, 44(3): 946-953 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0090

ZHONG Xinyue, KANG Shichang, GUO Wanqin, WU Xiaodong, CHEN Jinlei. The rapidly shrinking cryopshere in the past decade: an interpretation of cryospheric changes from IPCC WGI Sixth Assessment Report[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(3): 946-953 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0090

0 引言

2021年7月26日—8月6日政府间气候变化专门委员会(IPCC)举行了第54次全会暨第一工作组第14次会议,通过了第六次评估报告(AR6)决策者摘要(SPM),并于8月9日正式发布了IPCC第六次评估报告第一工作组报告《气候变化2021:自然科学基础》。冰冻圈作为地球气候系统的五大圈层之一,在气候变化背景下,其快速变化特征和广泛影响备受关注。该报告在IPCC第五次评估报告(AR5)、《全球1.5℃增温特别报告》(SR1.5)、《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》(SROCC)的基础上,结合最新的观测和模拟研究,系统评估了冰冻圈变化的观测事实、变化原因及其未来变化。本文主要就报告中冰冻圈变化的相关结论和亮点予以解读。

1 冰冻圈变化的观测事实

与AR5相一致,AR6对冰冻圈变化的事实评估结果显示,最近十多年来,全球冰冻圈处于加速萎缩状态,不同的冰冻圈要素变化特征如下。

1.1 海冰

海冰范围(sea ice extent, SIE)是海冰密集度超过15%的累积像元面积,包括所有海冰分布区域(含海冰之间的空隙)。而海冰面积(sea ice area, SIA)不包括海冰间的空隙,由此海冰面积小于海冰范围。不同于AR5和SROCC对海冰范围1-2的评估,为了减小像元几何相关偏差和不确定性,AR6专门针对海冰面积3变化的观测事实和未来预估进行了评述。

相比于AR5评估北极海冰范围的季节变化,AR6重点关注了逐月海冰面积的年际变化。自1979年以来,北极海冰面积逐月均在缩减(很高信度)1。相对于1979—1988年,2010—2019年8月—10月的北极平均海冰面积减少了2×106 km2(约25%)(高信度)(表1);同时,2011—2020年间北极年均海冰面积达到了自1850年以来的最低水平(高信度)。总体而言,在夏末初秋(9月),北极的绝对和相对海冰减少量达到最大(高信度),而AR5指出,北极海冰范围减少的最大值出现在夏季。在发生时间上,两者略有差别,海冰面积减少的极值较海冰范围有所延后。春季海冰表面融化时间的提前和秋季冻结时间的延后,促使了北极海冰退缩,并延长了季节性海冰区开放水域的时长。在北极海冰损失量的空间分布上,AR6和SROCC的评估结果一致:冬季海冰减少最大值出现在巴伦支海,而夏季海冰的减少主要发生在海冰边缘区,尤其是东西伯利亚海、楚科奇海、喀拉海和波弗特海等区域。此外,遥感卫星观测显示,1979年至今,北极海冰的厚度在减薄,体积也在减小(很高信度)。其中,水下探测数据显示,北冰洋中部海冰厚度相比于1970年代中期减薄了75 cm。海冰厚度减小的区域冰流速增加(高信度)。近20 a来,海冰以一年冰为主,多年冰(超过4 a)趋于消失,北极海冰向年轻化、稀薄化和快速移动化发展(很高信度)。再分析资料评估结果表明,1979—2010年间,北极9月海冰体积减少了55%~65%,此后(2011—2016年)加速缩减。随着技术革新和观测资料的扩充,与AR5相比,AR6对北极海冰厚度和体积变化趋势的确定性评估有了显著提高。

表1   AR5、SROCC、AR6冰冻圈各要素变化评估

Table 1  The changes in cryospheric components in AR5, SROCC and AR6

属性要素指标AR5SROCCAR6
海冰北极海冰面积//-2×106 km2(2010—2019年8—10月均值)
北极海冰范围

-(3.5~4.1)%·(10a)-1

(1979—2012年);

-(9.4~13.6)%·(10a)-1

(1979—2012年夏季)

-(12.8±2.3)%·(10a)-1(1979—2018年9月)/
北极海冰厚度-(1.3~2.3) m(1980—2008年)几乎确定减薄-75 cm(1979至今,相比于1970年代,北冰洋中部)
北极海冰体积//

-(55~65)%(1979—2010年9月);

-72%(1979—2016年9月)

南极海冰面积//变化不显著(1979—2019年)
南极海冰范围(1.2~1.8)%·(10a)-1(1979—2012年)

变化不显著

(1979—2018年)

/
冰盖格陵兰冰盖物质亏损

34 Gt·a-1(1992—2001年);

215 Gt·a-1(2002—2011年)

(278±11) Gt·a-1

(2006—2015年)

4 890(4 140~5 640) Gt(1992—2020年);39(-3~80) Gt·a-1(1992—1999年);175(131~220) Gt·a-1(2000—2009年);243(197~290) Gt·a-1(2010—2019年)
南极冰盖物质亏损

30 Gt·a-1(1992—2001年);

147 Gt·a-1(2002—2011年)

(115±19) Gt·a-1

(2006—2015年)

2 670(1 800~3 540) Gt(1992—2020年);

49(-2~100) Gt·a-1(1992—1999年);70(22~119) Gt·a-1(2000—2009年);148(94~202) Gt·a-1(2010—2016年)

冰川

冰川

物质

亏损率

226 Gt·a-1(1971—2009年)

(220±30) Gt·a-1

(2006—2015年,

含冰盖外围冰川)

(240±9) Gt·a-1(2000—2009年,含冰盖外围冰川);(290±10) Gt·a-1(2010—2019年,含冰盖外围冰川)
多年冻土多年冻土温度3 ℃(1980s初期—2000s中期,阿拉斯加北部);2 ℃(1971—2010年,俄罗斯欧洲北部)

(0.29±0.12) ℃

(2007—2016年,

极地和高山区)

(0.4~0.6) ℃·(10a)-1(1974—2019年,

北极冷多年冻土);0.17 ℃·(10a)-1

(1974—2019年,亚北极暖多年冻土)

积雪

积雪

范围

-1.6%·(10a)-1(1967—2012年

3—4月);-11.7%·(10a)-1

(1967—2012年6月)

-(13.4±5.4)%·(10a)-1(1967—2018年6月,

北极)

-(0.29±0.07)×106 km2·(10a)-1(1922—2018年4月);

>-50×103 km2·a-1(1981—2018年11月、12月、3月、5月)

雪水

当量

/减少(1981—2016年,泛北极、低海拔山区)减少(1981年至今,北半球春季)

注:/表示未给出数值。

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自1979年有遥感观测以来,南极年均海冰面积变化并不显著(高信度),这一结论与SROCC提出的南极海冰范围变化一致。1979—2019年间,南极海冰面积有增有减,减小区域主要在阿蒙森海与别林斯高晋海(特别是夏季),增加区域位于威德尔海与罗斯海东部。其中,海冰面积最大值出现在2014年,此后至2017年,海冰面积有明显缩减,随后又有所增加。AR6、SROCC与AR5评估结果均指出,由于观测资料的稀缺,目前只能对南极海冰厚度进行定性评述而无法准确估计其长期变化趋势。

1.2 冰盖

关于冰盖变化的认知,AR6、SROCC和AR5评估结果基本一致,均指出冰盖呈现显著的物质亏损。SROCC指出,相比于1992—2001年,格陵兰冰盖的物质亏损在2012—2016年间极有可能2更为明显,并且自1990年代以来冰盖的夏季消融达到了过去350 a来前所未有的水平(很高信度),比工业革命前高出2~5倍(中等信度)。AR6将格陵兰冰盖的观测数据更新至2020年,并得到相同的结论。1992—2020年格陵兰冰盖物质亏损达4 890(4 140~5 640) Gt,引起海平面上升13.5(11.4~15.6) mm,并导致格陵兰地区基岩在2007—2019年间均衡抬升数十厘米。年代际冰盖物质亏损率也加速增长(高一致性),从1992—1999年的39 (-3~80) Gt·a-1,显著增加至2010—2019年的243(197~290) Gt·a-1。其中,格陵兰西北部和东南部的物质亏损量最大(高信度)。

同期(1992—2020年)南极冰盖也在发生物质亏损(很高信度),亏损量为2 670(1 800~3 540) Gt,对应的海平面上升为7.4(5.0~9.5) mm。物质亏损率由1992—1999年间49(-2~100) Gt·a-1增至2010—2016年间的148(94~202) Gt·a-1,但2016年后,由于毛德皇后地区域出现正物质平衡,南极冰盖总体物质亏损率未发生进一步增加。

总体而言,1992—2020年间,格陵兰冰盖和南极冰盖的物质亏损共计约7 560 Gt。而在AR5中,1992—2011年冰盖的物质亏损总量为4 260 Gt。这表明,近10 a,冰盖物质亏损在显著增加。与AR5相比,AR6对格陵兰冰盖和南极冰盖物质平衡变化的评估也更为确定。

1.3 山地冰川

AR6对于全球山地冰川变化的评估基于2017年发布的RGI 6.0全球冰川编目数据,相对于AR5,AR6的冰川变化数据有了进一步更新。评估结果显示,北极、亚洲高山区和南安第斯山脉的冰川体积在减少,但南极地区山地冰川的体积有所增加。SROCC报告指出,尽管过去几十年全球山地冰川变化具有很大年际变率和区域差异,但整体具有一致的萎缩趋势(很高信度)。AR6对全球山地冰川变化的评估利用冰川长度重建数据4和网格化气象观测数据构建的冰川模型5开展,在评估物质亏损时未考虑没有列入编目的小冰川和已消失冰川的物质亏损率6,也未对冰川长度和面积做相应评估。由于假定时间序列是独立的,因此相比于SROCC,评估结果的不确定性更大。AR6的一项重大进展是对单条冰川物质平衡的高精度评估。评估结果显示,全球山地冰川在1971—2019年间的物质亏损速率为(170±80) Gt·a-1[占1971年冰川总物质量的8%(14%~4%)],而2006—2019年间为(240± 40) Gt·a-1[占2006年物质总量3%(4%~2%)](很可能),表明近十多年来,冰川物质亏损率明显增加。如果将两极冰盖外围山地冰川纳入计算,21世纪以来(2000—2019年)全球山地冰川物质亏损速率更为显著,从2000—2009年间的(240±9) Gt·a-1增加到2010—2019年间的(290±10) Gt·a-1(高信度)。评估结果显示,近20 a来,最大的冰川物质亏损率(>720 kg·m-2·a-1)出现在南安第斯山、新西兰、阿拉斯加、欧洲中部和冰岛,而亚洲高山区、俄罗斯北极和南极冰盖外围冰川的物质亏损率最小(<250 kg·m-2·a-1)。AR6还指出,尽管山地冰川变化在多地具有很高的年际差异,但冰川物质平衡监测记录显示,过去20 a,全球山地冰川亏损速率在持续增加(很高信度),21世纪初全球冰川的萎缩速率在过去2 000 a都是史无前例的(中等信度)。与AR5相比,全球大部分冰川物质亏损都明显增加,较大冰川物质亏损的分布范围在扩大,评估信度也在进一步提升。

尽管全球大部分冰川处于萎缩状态,但也有部分冰川由于内部动力机制或局地气候因素而出现正平衡或前进。例如,喀喇昆仑地区的冰川自1970年代以来接近平衡状态,并且在2000年以后出现轻微的正平衡。AR6显示,这类异常的出现与表碛覆盖冰川较低的温度敏感性、夏季降温,以及由于农业灌溉造成蒸散发增加引起的降雪量增多有关。

1.4 多年冻土

对多年冻土的评估,AR6、SROCC和AR5基本一致。总体上,过去30~40 a,在多年冻土区观测到的表层30 m的土壤温度在升高(高信度)。在极地和高山区,多年冻土温度在2007—2016年间增加了(0.29±0.12) ℃,达到1980s以来的最大值(很高信度)。连续多年冻土区比不连续多年冻土区增温更为明显。1974—2019年间,北极冷多年冻土温度增加0.4~0.6 ℃·(10a)-1,明显高于亚北极地区暖多年冻土的增温速率。活动层厚度在泛北极区域有增加趋势(中等信度),进入21世纪以来,欧洲北极和俄罗斯北极的活动层厚度普遍增厚,而欧洲和亚洲高海拔地区在1990年代中期就已经出现活动层厚度增加的现象,但是活动层厚度变化有很大的空间异质性。此外,海底多年冻土范围有明显减少(高信度)。近几十年来,在不连续多年冻土和岛状多年冻土区出现的多年冻土完全融化也已成为普遍现象(中等信度)。南极多年冻土的观测数据较少,其温度和活动层厚度的变化趋势并不显著。

1.5 积雪

AR6指出,1922—2018年间,北半球4月的积雪范围显著减少,为(0.29±0.07)×106 km2·(10a)-1。1981—2018年间,北半球所有月份积雪范围都在减小,其中11月、12月、3月和5月的缩减率均超过50×103 km2·a-1。北半球春季积雪范围自1978年以后就开始减少(很高信度),同时也反映出春季积雪消融的提前。与AR5相比,两次报告最大的差异是各月积雪范围变化趋势有所不同。AR5评估结果表明,1967—2012年,仍有个别月份的积雪范围有不显著增加。但在AR6中,随着数据的更新,近40年已无积雪增加的月份,且减少速率也在加快。此外,对北半球春季积雪范围减少的评估信度也更加确定。

在积雪量的评估方面,AR5虽指出高山区雪水当量和雪深都有不同程度的减少,但并未提供北半球尺度上的积雪量变化趋势。SROCC则主要针对北极和高山区域积雪进行了评述,其中,俄罗斯北极和泛北极地区雪水当量均有所减少(中等信度),在低海拔山区积雪量也呈现减少趋势(高信度)。基于大量全球或半球尺度数据的更新和评估,AR6展示了大范围尺度上的积雪变化结果及空间差异,表明并不是所有区域积雪量均呈现减少趋势。其中,自1981年以来,北半球春季雪水当量普遍减少(高信度);1960—2014年间,北美地区最大积雪深度也在变薄;而欧亚大陆在1966—2012年间雪深总体却呈现增加趋势,且具有较强的空间异质性;青藏高原地区的春季雪深则在1961—2010年间呈现先增加后减少的变化。此外,AR6还增加了对不同区域积雪日数变化的评估。其中,北极积雪日数自1970年代以来有所缩短[2~4 d·(10a)-1];欧亚大陆西部积雪日数在1978年以后也在显著减少。由于缺乏南半球积雪资料,三个报告都没有对南半球积雪变化进行评述。

2 冰冻圈变化的归因

相比于AR5,AR6系统探讨了冰冻圈各要素变化的原因。基于观测和模型模拟发现,北极海冰面积变化与全球平均地表温度、CO2浓度和人为CO2累积排放量密切相关。SROCC也指出,1979年以来北极海冰的减少很可能是由人类活动排放的温室气体所致。此外,气溶胶、臭氧、火山喷发、风场、海洋与河流热通量也是影响海冰变化的因素。1950年代以来,人为气溶胶的增加抵消了部分由温室气体排放引起的海冰减少(中等信度)。南极海冰的减少主要由风场变化引起(中等信度)的海冰漂移和退缩(高信度)导致。其中,区域趋势与径向风变化密切相关(高信度)。此外,海冰变化还可能与内部变率、西风增强导致的近海面年代际变暖、东印度洋变暖,以及负的南环形模态的遥相关有关。

SROCC报告指出,格陵兰冰盖的物质亏损主要受入海冰流量和冰盖表面物质平衡控制,而后者由于表面消融和径流的增加,已成为冰盖物质亏损的主导因素,在物质亏损中的占比从2000—2005年的43%增加到2009—2012年的68%(高信度)。AR6评估结果则表明,因格陵兰冰盖入海冰流量相对稳定,冰盖表面物质平衡较大的年际变化是导致格陵兰冰盖物质亏损总量波动强烈的主要原因(高信度)。同时,SROCC报告认为大尺度大气环流是格陵兰冰盖变化的主要驱动因子。AR6进一步补充指出,云量的变化(中等信度)、冰盖表面反照率的正反馈作用(高信度)、融水在雪层和粒雪中的蓄积与再冻结(中等信度)、冰盖接地区的海水温度与冰下融水释放(中等信度),以及人类活动(很可能)等都对格陵兰冰盖的物质亏损有所影响。

SROCC和AR6均显示,过去几十年南极冰盖物质平衡变化是由西南极主要溢出冰川的加速运动、退缩和减薄等过程主导(很高信度),并且主要由海水暖化造成的冰架消融所致(高信度)。东南极部分地区在过去20 a也出现物质亏损(高信度),如东南极Totten冰川在2000年以来也因海岸带冰动力过程变化导致物质亏损(很高信度)。同时降雪的增加也部分减缓了由动力减薄引起的物质亏损(高信度),如SROCC指出,20世纪东南极和西南极降雪的增加分别相当于(7.7±4.0) mm和(2.8±1.7) mm的海平面下降量(中等信度)。整体来看,1990年代早期以来已观测到的南极冰盖物质亏损主要与冰架的变化相关(很高信度)。此外,AR6也指出,海水暖化造成了冰架底部的消融,进而引起冰架减薄、底部支撑力降低以及冰川运动速度的增加和进一步动力的减薄(以接地线的后退为主要标志)(高信度)。这一现象在南极沿岸地区广泛出现,并在西南极地区异常强烈(高信度)。南极半岛北部冰架的解体也是造成过去几十年该地区冰川动力减薄现象的驱动因素(高信度)。有限的证据表明,人为强迫造成的冰流量变化也会导致南极冰盖物质亏损(中等一致性)。

冰川变化的归因方面,AR6再次确认了AR5提到的轨道强迫在千年尺度上对半球尺度冰川变化的控制作用(高信度),但同时也强调了如太阳活动、火山活动、海洋环流、海冰和内部气候变化等其他驱动因素对区域冰川在较短时间尺度上变化的影响。新的归因研究表明,人类活动很可能是1990年代以来全球冰川普遍退缩的主要影响因素。如人类活动造成的气候变暖导致了新西兰冰川的极端物质亏损。此外,降水和冰川内部动力过程改变了部分地区冰川对温度变化的响应,黑碳、棕碳、藻类、矿物沉积和火山灰等沉降于冰川表层(<2 cm)的吸光性杂质通过降低冰川表面反照率和吸收长波辐射加速冰川消融,但冰川表面冰碛物厚度的增加会减缓冰川消融。因此,非气候因素已经并将继续导致部分地区冰川的温度响应过程发生改变(高信度)。

多年冻土温度的变化与局地条件(如地形、地表类型、土壤质地、积雪等)、区域温度变化、冻土自身热状况等有关。目前还缺乏人为强迫引起多年冻土变化(如融化深度、热状态)的专门研究。但是,已有研究证明北极变暖归因于人类活动的影响,而地温(多年冻土)和地表气温之间存在明显的物理关联。因此,可以认为人为强迫是泛北极地区多年冻土变化的主要原因(中等信度)。此外,人类工业活动的增加导致北极土壤和生态系统扰动,从而引起局地多年冻土发生变化。

目前,北半球春季积雪范围和雪水当量均呈现显著减少趋势。从观测和模型模拟结果来看,春季积雪与地表温度的变化存在物理关联。而北半球气候变化主要受人类活动的影响。因此,20世纪中叶以来北半球春季积雪的减少很可能要归因于人类活动带来的影响。

与前几次评估报告相比,AR6进一步明晰了人类活动对冰冻圈变化的作用。随着人类排放温室气体的持续增加,人为强迫对气候变暖和冰冻圈加速萎缩的影响愈加显著,人类活动正逐渐成为冰冻圈各要素发生变化的主要驱动因素。

3 冰冻圈变化的未来预估

AR6采用了参与国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的气候模式对未来气候系统进行预估。与之前IPCC评估报告中考虑的气候模式相比,CMIP6囊括了更多生物地球理化过程,并提高了空间分辨率,从而对大多数气候变化指标的平均气候态模拟有所改进。与CMIP5相比,CMIP6的气候模式更具气候敏感性。

与CMIP5采用的典型浓度路径(RCPs)情景不同,CMIP6采用的情景模式在RCPs基础上增加了共享社会经济路径(SSPs)情景,包含了未来社会经济发展的信息7。组合形式为“SSPX-Y”,表示在不同路径下的排放情景,共有五大基础类型。其中,SSP1代表可持续发展路径,SSP2代表中间路径,SSP3代表区域竞争路径,SSP4代表不均衡路径,SSP5代表以传统化石燃料为主的发展路径。除CMIP5的四种RCP情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5)外,CMIP6又增加了三种排放情景(RCP1.9、RCP3.4、RCP7.0)。例如,新的组合路径情景中,SSP1-1.9代表了到2100年辐射强迫增加1.9 W m-2的低排放情景;SSP2-4.5是CMIP5中RCP4.5的更新版,属中等辐射强迫情景;SSP5-8.5是CMIP5中RCP8.5的更新版,属高辐射强迫情景。总之,SSPs提供了更多的未来情景。

3.1 海冰

AR6对北极海冰的预估认为,在所有SSP情景下,2050年前北冰洋将可能在9月首次出现无冰现象(高信度),但冬季直到21世纪末很可能仍然有海冰存在。夏季北极海冰的消失没有临界点(高信度)。随着温室气体浓度的升高,预计北冰洋的无冰状态将频繁发生,并将成为21世纪末高排放情景下的新常态(高信度)。AR5对北极海冰的预估中,只有RCP8.5情景下,9月北极海冰在2050年前才会出现无冰现象。这表明,在人类活动的显著影响下,AR6预估的北极海冰减少速率将加快,预估的变化可能性也更为确凿。此外,相比于CMIP5,CMIP6对北极海冰的模拟也有所改进,模式能更好地捕捉到海冰物质亏损对CO2排放的敏感性。但两种模式对北极海冰面积的季节周期模拟仍存在不足,无法真实捕捉区域和季节性海冰变化过程,从而导致对未来海冰区域变化预估的低信度[如北方海航线(东北航道)和西北航道]。由于缺乏过程代表性的数据资料,对未来南极海冰变化尤其在区域尺度上的模拟具有低信度。

3.2 冰盖

AR6指出,在所有SSP情景下,格陵兰冰盖(几乎确定)和南极冰盖(可能)仍将继续发生物质亏损。模拟结果显示,相比于1995—2014年,到2100年格陵兰冰盖在SSP1-2.6情景下将可能导致全球平均海平面上升0.06(0.01~0.10) m,SSP2-4.5情景下为0.08(0.04~0.13) m,SSP5-8.5情景下为0.13(0.09~0.18) m。由于对冰盖下部消融、冰架解体和冰盖不稳定性等过程了解不足,对南极冰盖未来变化预测的准确性有待提升。从AR6现有评估结果来看,到2100年南极冰盖消融导致的海平面上升可能分别为0.11(0.03~0.27) m(SSP1-2.6),0.11(0.03~0.29) m(SSP2-4.5),0.12(0.03~0.34) m(SSP5-8.5)。2100年以后,高排放情景下两个冰盖的总物质亏损将超过低排放情景(高信度),但南极冰盖在高排放情景下的预估受冰盖不稳定性影响,具有很大不确定性。相比于AR5,AR6在对冰盖预估方面得到了极大提升,对冰盖未来变化趋势的确定和量化都有明显提高。

3.3 冰川

AR6中所有SSP情景下的预估均显示,21世纪冰川的物质亏损将持续增加(很高信度)。由于冰川对气候变化的滞后响应,即使全球气温不再升高,冰川也会在未来几十年内持续退缩(很高信度)。模拟显示,在已有温室气体排放影响下,全球36%±8%的冰川还会在未来继续发生物质亏损。根据AR6预估结果,在RCP2.6和RCP8.5情景下,2015—2100年间,全球冰川(包括两极冰盖外围冰川)物质亏损将分别达到29 000(9 000~49 000) Gt和58 000(28 000~88 000) Gt(中等信度),相当于21世纪初冰川冰量的18%(5%~31%)和36%(16%~56%)。

3.4 多年冻土

AR6对多年冻土未来变化的评估指出,几乎确定的是,气候变暖将会导致多年冻土体积减少和范围萎缩。当全球地表气温升高1 ℃(比工业化前高出4 ℃),距地表3 m内的多年冻土体积将减少约25%(中等信度)。值得注意的是,多年冻土退化不仅仅局限于距地表3 m的范围,深层多年冻土会出现响应延迟。与其他情景相比,在SSP1-2.6情景下,多年冻土体积对瞬时温度会更敏感。这是由于随着大气升温速率增加,地下土壤温度滞后性也在增强,尤其是地下冰融化会引发更多滞后性发生。此外,由于CMIP6模型对土壤柱和土壤水相变化考虑不足,与CMIP5相比,模型在预估多年冻土范围变化时并无实质性改进。

3.5 积雪

AR6指出,几乎确定的是,未来北半球季节性积雪范围和积雪日数会随着全球持续升温而缩减;南半球积雪范围预计也会发生相同的变化(高信度)。当全球地表气温升高1 ℃(比工业化前高出4 ℃),北半球春季积雪范围将减少约8%(中等信度)。与AR5相比,AR6对未来全球积雪变化趋势的评估更为确定。这是由于CMIP5对积雪过程参数化模拟和积雪反照率反馈的描述有误,低估了温度敏感性,且对春季积雪分布的模拟存在偏差,因此,低估了北半球春季积雪范围的减少量。与此相比,CMIP6对CMIP5进行了改进,可以很好地模拟出积雪范围的实际变化。然而,CMIP6也存在不足:大部分模式没有明确模拟出黑碳等吸光性气溶胶沉积于积雪表面引起的积雪污化过程,而这正是加速积雪消融的重要因素。

3.6 不同温升情景下的冰冻圈变化

温升1.5~2 ℃: 未来某些年份,北冰洋在9月将几乎处于无冰状态(中等信度);冰盖将继续发生物质亏损(高信度),但几个世纪内不会完全崩解(中等信度);有限证据表明,格陵兰和西南极冰盖在数千年中将会发生不可逆的几乎完全消融;现存50%~60%的冰川及南极冰盖外围冰川仍会保留下来,其中大部分位于极地地区(低信度);相比于1995—2014年均值,未来北半球春季积雪范围将缩减20%(中等信度),距地面3 m的多年冻土体积将减少50%(中等信度)。

温升2~3 ℃:未来大多数年份,整个9月北冰洋几乎处于无冰状态(中等信度);有限的证据显示,格陵兰和西南极冰盖在数千年中将会发生不可逆的几乎完全消融,两个冰盖完全消融的概率和物质亏损率会随气温的升高而增大(高信度);现存南极以外的冰川有50%~60%将会消失(低信度);相比于1995—2014年均值,北半球春季积雪范围将减少30%(中等信度),距地面3 m的多年冻土体积将减少75%(中等信度)。

温升3~5 ℃:未来大多数年份,北冰洋将在几个月内几乎都处于无冰状态(高信度);格陵兰冰盖将会发生不可逆的几乎完全消融,西南极冰盖也将不可逆的完全消融(低信度);东南极威尔克斯地冰下盆地的大部分或全部将在数千年内消失(低信度);低纬度地区、欧洲中部、高加索地区、加拿大西部和美国西部、北亚、斯堪的纳维亚半岛及新西兰几乎所有冰川都可能会消失;相比于1995—2014年均值,北半球春季积雪范围将减少50%(中等信度),距地面3 m的多年冻土体积将减少90%(中等信度)。

4 冰冻圈变化对海平面上升的贡献

AR6评估结果显示,1901—2018年,全球平均海平面上升了0.20(0.15~0.25) m,与AR5结果[1901—2010年间平均上升了0.19(0.17~0.21) m]相近。此外,AR6指出,在1993—2018年间,全球平均海平面上升速率为3.25(2.88~3.61) mm·a-1;2006—2018年的上升速率增加至3.69(3.21~4.71) mm·a-1(高信度),略高于SROCC给出的1993—2015年[3.16(2.79~3.53) mm·a-1]和2006—2015年[3.58(3.10~4.06) mm·a-1]的变化速率。总体上近十多年来,全球海平面上升的趋势显著增加。

冰冻圈的变化对海平面上升具有重要贡献。自1970年代以来,全球平均海平面上升主要受海洋热膨胀和冰川(不含冰盖外围冰川)冰量损失的影响,两者贡献率分别为50.3%和22.1%。自1993年以来,海洋热膨胀和冰川冰量亏损的贡献率均有所减少,而冰盖物质亏损的贡献率却有明显增加。AR6指出,在2006—2018年间,冰盖对全球平均海平面上升的贡献率达到35.4%,超过了海洋热膨胀的贡献率(34.4%),且远超冰川的贡献率(15.4%)。其中,海洋热膨胀贡献了1.39 mm·a-1,全球冰川、格陵兰冰盖和南极冰盖分别贡献了0.62 mm·a-1、0.91 mm·a-1和0.53 mm·a-1,陆地水储存贡献了0.60 mm·a-1。未来,随着冰盖持续的物质亏损,其对海平面上升的贡献将会愈加显著。

5 结论

AR6系统呈现了IPCC AR5以来全球气候变化科学研究成果和认知。基于最新的实地观测、遥感数据和再分析资料,AR6给出了更为确凿的冰冻圈变化特征,为我们理解冰冻圈变化事实和归因提供了更全面、更准确的描述。结合CMIP6模式、采用新的SSP情景,对冰冻圈未来变化的评估,更加明晰了人为因素导致的冰冻圈退缩,进一步深化了我们对人类活动影响的认识。报告对冰冻圈变化事实和未来变化趋势评估的确定性和量化都有了显著提高。

总体而言,进入21世纪以来,冰冻圈的萎缩在加速,未来冰冻圈各要素仍将持续退缩,甚至完全消失。其中,北极海冰面积在近10 a减少最为显著,2050年前将面临夏季无冰情况的发生;格陵兰冰盖和南极冰盖近10 a的物质亏损也在明显增加,全球冰川在近10 a达到有观测资料以来的最大负物质平衡,到21世纪末,冰盖和冰川的物质亏损将持续发生;多年冻土的退化表现为多年冻土温度增加、活动层增厚和海底多年冻土范围减少,未来多年冻土的体积和范围都将继续缩减;北半球积雪范围明显变小,但积雪量呈现空间变化差异,未来积雪范围和日数会持续减少。近十多年来,冰盖的变化已成为全球海平面上升的主导因素。

尽管AR6对冰冻圈变化和未来预估有了更全面的认识,但在观测资料获取、模型模拟等方面仍存在局限和不确定性,亟需更多观测数据和深入研究,对冰冻圈各要素的变化过程和影响机制有更科学的理解和认知。

AR6采用“很低”、“低”、“中等”、“高”和“很高”五个限定词对研究结论的有效信度进行定性评估[3]
AR6对研究结论的可能性进行定量评估[3]。文中,“几乎确定”表示发生的概率为99%~100%;“极有可能”表示概率为95%~100%;“很可能”表示概率为90%~100%;“可能”表示概率为66%~100%。

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