冰川冻土, 2023, 45(6): 1745-1756 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0133

AMAP评估报告解读

AMAP评估报告解读:短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响

张玉兰,1, 罗犀1,2, 康世昌1,2, 刘治银1,2

1.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

2.中国科学院大学 资源与环境学院, 北京 100049

Interpretation of AMAP Assessment Reports: the characteristics of short-lived climate forcing factors and their impacts on Arctic climate change

ZHANG Yulan,1, LUO Xi1,2, KANG Shichang1,2, LIU Zhiyin1,2

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

2.College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

收稿日期: 2022-04-12   修回日期: 2022-06-08  

基金资助: 国家重点研发计划项目.  2020YFA0608503
甘肃省杰出青年基金项目.  23JRRA612
中国科学院“西部之光”人才培养计划
陇原青年创新创业团队项目
冰冻圈科学国家重点实验室自主课题.  SKLCS-ZZ-2022

Received: 2022-04-12   Revised: 2022-06-08  

作者简介 About authors

张玉兰,研究员,从事冰冻圈化学与环境研究.E-mail:yulan.zhang@lzb.ac.cn , E-mail:yulan.zhang@lzb.ac.cn

摘要

基于北极理事会北极监测与评估计划(AMAP)工作组于2021年发布的“短寿命气候强迫因子(SLCFs)对北极气候、空气质量和人类健康的影响”科学评估报告,本文系统解读了黑碳(BC)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)与硫酸盐(SO42-)气溶胶等短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响。报告指出:BC、O3和CH4共同促进了北极地区的快速变暖,而SO42-气溶胶对北极气候变化具有致冷效应,由此减缓了由CO2和SLCFs导致的部分增暖效应。全球人为源CH4排放量以及北极大气中的CH4含量持续增加,苔原退化、泥炭地融化、森林火灾频发等导致北极地区BC和有机碳气溶胶排放日益增多,气候变暖进一步导致更大范围且更加频繁的森林火灾和冻土退化,对BC与CH4等释放以及气候效应形成正反馈。因此,SLCFs减排将有利于北极地区生态环境的健康可持续发展。本文同时讨论了北极地区SLCFs评估的不确定性以及未来的研究展望。

关键词: 短寿命气候强迫因子 ; 气候变化 ; 北极 ; 黑碳 ; 臭氧 ; 甲烷 ; AMAP

Abstract

Based on the assessment report on “the impact of short-lived climate forcing factors (SLCFs) on Arctic climate, air quality and Human Health” issued by the Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP) of the Arctic Council in 2021, this paper provided the new acknowledge on the characteristics black carbon, methane, ozone and sulfate aerosols and their impacts on Arctic climate changes. The AMAP assessment reported that black carbon, ozone and methane together promoted the Arctic rapid warming; while sulfate aerosols played a cooling effect on Arctic climate, slowing down the warming trend caused by carbon dioxide and other SLCFs. Global anthropogenic emissions and atmospheric concentrations of methane in the Arctic continued to increase. Tundra degradation, peatland melting and frequent forest fires hastened emissions of black carbon and organic carbon aerosols in the Arctic. Climate warming further resulted in wider and more frequent forest fires and permafrost degradation, forming positive feedback on the release of black carbon and methane and their potential effects on climate change. Therefore, SLCFs emission reduction would be favorable to the health and sustainability of the ecological environment in the Arctic. Meanwhile, this paper also provided the uncertainties of assessment on SLCFs in the Arctic and the perspectives in future.

Keywords: short-lived climate forcing factor ; climate change ; Arctic ; black carbon ; ozone ; methane ; AMAP

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张玉兰, 罗犀, 康世昌, 刘治银. AMAP评估报告解读:短寿命气候强迫因子特征及其对北极气候变化的影响[J]. 冰川冻土, 2023, 45(6): 1745-1756 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0133

ZHANG Yulan, LUO Xi, KANG Shichang, LIU Zhiyin. Interpretation of AMAP Assessment Reports: the characteristics of short-lived climate forcing factors and their impacts on Arctic climate change[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(6): 1745-1756 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0133

0 引言

化石燃料和生物质燃烧排放的污染物显著影响空气质量,损害人体健康1-2。同时,大气污染物[如黑碳(BC)和硫酸盐(SO42-)气溶胶等]在气候变化中也起着重要作用3-4。虽然,工业革命以来的升温主要是由二氧化碳(CO2)排放增加所致,但是目前短寿命气候强迫因子(short-lived climate forcers, SLCFs)的排放量变化对未来20~30年的变暖速率具有重要影响4

SLCFs主要包括温室气体(如CH4、N2O、O3等)、颗粒物(如SO42-气溶胶、BC、有机碳OC)和其他大气污染物(如NH3等),对气候变化具有重要影响4。但与CO2相比,SLCFs生命周期较短,在大气中的存留时间一般为几个小时至几个月不等。大气中CH4的生命周期约为(9.1±0.9)年,在百年尺度上,CH4的增暖效应是二氧化碳的28~36倍;近20年来,大气CH4的增暖效应则是CO2的84倍4-5。当CH4、NO x 、CO、挥发性有机化合物(VOC)等前体气体在太阳光照条件下发生反应时就会生成O3。在低层大气中,O3既是一种大气污染物,也是一种温室气体,显著影响空气质量和CH4在大气中的寿命,对人类健康和植被均有危害6。SO42-气溶胶是由SO2等硫化物的排放形成,是环境中PM2.5细颗粒物的重要组成部分,可损害人体呼吸系统。SO42-气溶胶能够有效地散射太阳辐射,增强云层的亮度,可导致气候冷却效应,抵消了温室气体和其他SLCFs导致的部分变暖效应7。BC和OC增强了大气颗粒物的含量水平,从而降低空气质量并对人类健康和环境有一定危害8。BC强烈吸收太阳辐射,导致气候变暖;当沉降在雪冰表面时,BC会降低反照率,增加太阳辐射吸收,进而加剧雪冰消融和气候变暖39-13。由于OC的组成复杂多样,其对气候变化的影响评估仍具有很大不确定性414

SLCFs对北极气候影响的机理如图1所示。气溶胶在大气中可吸收或散射太阳辐射,温室气体则吸收热量;在夏季,BC等颗粒物使得雪冰表面变暗,导致地表反照率降低,吸收更多太阳辐射,改变北极地区热平衡。气溶胶还能影响云的性质和其反射太阳辐射的能力,尤其在冬季,这种作用更为明显。除了对北极的影响外,SLCFs对中低纬度地区热平衡的影响也改变着输送到北极的热通量的变化。

图1

图1   SLCFs对北极地区气候变化影响的机理示意图15

Fig. 1   Mechanisms by which SLCFs influence the Arctic climate change15


北极理事会成员国(包括美国、加拿大、俄罗斯、挪威、瑞典、丹麦、芬兰和冰岛)和正式观察员国(包括中国、印度、意大利、日本、韩国和新加坡)目前占全球BC、SO2和CH4人为排放量的一半15-16。因此,这些国家采取的行动将会对SLCFs排放量及其对北极气候变化的作用产生重大影响。2015年,北极理事会通过了“加强黑碳和甲烷减排的行动框架”,呼吁推动北极地区BC和CH4减排目标,强调系统持续监测和研究的重要性,并倡导定期发布相关科学评估报告,包括评估SLCFs的状况和趋势,重点关注其对北极气候变化以及公共健康的影响17。2021年,北极监测与评估计划(AMAP)发布了“短寿命气候强迫因子对北极气候、空气质量和人类健康的影响”的评估报告,旨在为该行动框架的下一步工作提供科学支撑,同时与其他重要国际组织或协议中关于SLCFs的决策相辅相成,如《空气公约》和《气候公约》等。

早期,AMAP对SLCFs的评估侧重于BC、CH4和对流层O3对气候变暖的贡献17,2021年评估报告扩展了对同一来源排放的其他SLCFs前体物的分析与评估,特别是增加了对SO2和SO42-气溶胶影响的认识(图2)。该评估报告的重要目标是利用最新的观测结果和模式模拟,以期更好地认识人为排放源SLCFs及其对北极空气质量和气候变化的影响。同时,还评估了火灾风险与气候变化的相互联系,强调需从全球角度来理解SLCFs对气候和人类健康的影响。基于此,本文系统解读了北极地区SLCFs的现状及其影响,为有效减少污染排放以及减缓其对北极气候变化的措施制定提供新认识。

图2

图2   北极监测与评估报告2021年SLCFs评估报告的框架图(包括数据来源、关键认识、可能影响和政策制定等)15

Fig. 2   Sketch map of SLCFs in the Arctic Monitoring and Assessment Programme (including data sources, key findings, potential impacts and policy suggestions)15


1 北极地区SLCFs变化与来源

1.1 SLCFs的含量变化

北极大气中SLCFs主要特征如表1所示。SLCFs含量水平随时间的变化主要受空气污染政策和工业活动变化的影响。长期监测显示,1990年后,欧洲和北美实施空气污染政策,加之原苏联国家经济急剧下滑,北极地区空气质量有所改善。然而,大约在同一时期,中国和亚洲其他区域的BC和OC以及其他污染物排放量开始快速增加,直到2010年代初开始停滞并略有下降116。加拿大北极Albert站监测结果表明,1990—2010年期间,北极大气BC含量有所下降,但这种下降趋势在过去10年中停滞(图3)。格陵兰EGRIP冰芯记录也表明,2000年以来BC含量持续降低,这与北美和欧洲区域人为源BC排放减少有关18。东西伯利亚北极地区(Tiksi)观测到的大气BC浓度范围为8~302 ng·m-3,且高值出现在冬季19。模式模拟也显示,北极近地表大气BC浓度高值出现在冬春季,可达220 ng·m-3,并主要分布在北冰洋和加拿大北极等区域20

表1   北极地区主要的短寿命气候强迫因子特征以及对北极气候的影响(参考文献详见[4],[15]和[17])

Table 1  The characteristics of the main short-lived climate forcing factors in Arctic and their impacts on the Arctic climate (see Ref. [4], [15] and [17])

SLCFs在大气中存留时间变化趋势主要来源对北极气候变化的影响
黑碳(BC)5~10天1990—2010年期间,北极大气BC含量有所下降;这种趋势在过去10年中停滞大气远距离传输占主导(70%);主要受到陆上交通运输、居民生活燃烧、天然气开采、森林火灾以及北极航运的影响贡献为+0.40 ℃·(10a)-1;1990—2015年,由于黑碳排放减少,导致的北极增温减少0.053 ℃·(10a)-1
甲烷(CH4(9.1±0.9)年大气甲烷浓度持续增加石油和天然气开采与使用、废弃垃圾排放、北极湿地以及多年冻土退化导致的排放贡献为+0.038 ℃·(10a)-1
臭氧(O3

自由对流层:数周~数月;

夏季:数天~数周;

冬季:1~2个月

大气O3浓度变化具有空间异质性北极对流层中高层O3主要受亚洲和北美地区的排放,对流层低层O3主要受欧洲的排放;中纬度人类活动如交通、采暖、工业排放、农业燃烧,以及北方森林火灾产生的前体物也会对局地的O3有影响贡献为+0.05 ℃·(10a)-1
硫酸盐气溶胶(SO42-数天~数周一些北极监测站显示其浓度持续下降,而另外一些站点显示下降趋于平缓或略有增加能源以及工业排放贡献为-0.23 ℃·(10a)-1;1990—2015年,由于硫酸盐气溶胶排放减少,可导致北极增温+0.290 ℃·(10a)-1
SLCFs综合效应导致的北极增温速率为+0.275 ℃·(10a)方正汇总行-1;与CO2导致的增温率[+0.285 ℃·(10a)-1]大致相当

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图3

图3   加拿大北极地区Albert站监测的BC与SO42-浓度变化趋势15(a)、格陵兰EGRIP冰芯BC通量记录变化18(b),以及不同地区BC排放量变化16(c)

Fig. 3   The observed trend of BC and SO42- from Albert station in Canadian Arctic15 (a), the variations of BC fluxes from EGRIP ice core of Greenland18 (b), and BC emissions from different regions16 (c)


北极大气中的CH4含量水平反映了全球大气CH4浓度的变化。根据格陵兰中部Eurocore冰芯重建的过去1 000年来大气CH4浓度记录表明,自工业革命以来(1850s前后),大气CH4水平开始增加并持续到现在,反映了人类活动排放对大气CH4的影响21。北极相关站点监测结果显示,1983年以来CH4含量快速增加,增长率约13 ppb·a-1,之后到2000—2005年CH4增加不明显;2007年开始,CH4水平再次增加,增长率约为(7.9±1.6) ppb·a-1(2008—2013年);2015年起再次迅速增长(斯瓦尔巴群岛新奥尔松Zeppelin站点),目前到达约1 980 ppb(图4)(1 ppb为10-9,如果甲烷浓度是1 980 ppb,相当于每109单位空气中有1 980单位的甲烷)。分析指出,远距离传输可导致北极大气CH4浓度增加,北极区域人为源的排放有可能加剧这一增长趋势。特别是由于北极地区湿地以及生物质燃烧排放的变化,使得CH4呈显著的季节变化特征,即夏季相对偏低,而其他季节偏高。

图4

图4   北极地区相关站点监测的大气CH4含量的变化1517

Fig. 4   The variations of atmospheric CH4 from the observations in the Arctic regions1517


北极对流层下部大气O3浓度变化呈现出一定的空间差异。如1973—2010年巴罗地区的观测表明,大气O3增加速率约为(0.09±0.03) ppb·a-1[22;1990年以来,新奥尔松Zeppelin站点的O3增加速率为(0.14±0.09) ppb·a-1;芬兰北极Pallas站点1995—2012年大气O3则呈减少趋势,约为(-0.21±0.17) ppb·a-1;格陵兰Summit站2001—2011年间大气O3增加速率为(0.15±0.32) ppb·a-1[17。对于SO42-气溶胶来说,一些北极监测站显示其浓度持续下降,而有些监测站则显示下降趋于平缓或略有增加。格陵兰冰芯(D4)记录及模拟结果显示,1900—1970年间SO42-沉降通量持续增加,而1980年以后SO42-则显著降低,这与1980年代全球SO42-气溶胶排放到达峰值密切相关1723-24

1.2 SLCFs来源

北极大气SLCFs的来源特征如表1所示。依据AMAP 2021评估报告排放清单,2015年北极理事会成员国占全球人为源BC排放的8%,其中陆上交通运输是最重要的来源,其次是居民生活燃烧和天然气开采;观察员国占全球人为源BC排放的40%,主要是来自中国和印度,居民生活燃烧是主要来源,其次是陆上交通运输(图5表1)。北极航运目前仅是整个BC排放的一个微小来源25。北极地区石油和天然气开采也会导致BC的释放,并带来极大的不确定性26。基于BC气溶胶碳同位素分析表明,东西伯利亚Tiksi地区大气BC的主要来源是居民生活排放和大气远距离传输来源(约73%),而局地森林大火、发电以及天然气开采等的贡献较小19。Geo-Chem模型模拟表明,化石燃料燃烧是北极地区对流层(50%~94%)、地表(55%~68%)和积雪(58%~69%)中黑碳的主要来源,但在有些高度(600~800 hPa)和4月至9月期间,生物质燃烧占主导地位27

图5

图5   北极理事会成员国以及其他地区人为源甲烷(a)和黑碳(b)人均排放量28

Fig. 5   The per capita emissions of CH4 (a) and BC (b) from Arctic Council Member Countries and other regions28


北极对流层中高层O3主要受亚洲以及北美地区排放源的影响,如交通尾气、石油冶炼、生物源挥发性有机物、甲烷,以及一氧化氮和二氧化氮等经光化学反应过程;而对流层低层O3主要来源于欧洲地区排放的影响;同时,北方森林火灾和农业燃烧产生的前体物也会对局地的大气O3有影响17。对SO2而言,2015年北极理事会成员国占全球排放量的13%,观察员国家占30%。能源部门和工业是最重要的来源。就CH4而言,北极理事会成员国占全球人为排放的20%,主要来自能源部门,特别是石油和天然气开采与使用,废弃垃圾和农业也对CH4排放具有一定贡献。观察员国占全球CH4排放量的30%。虽然,目前来自农业的CH4排放占近50%,但未来的增长主要取决于废弃垃圾排放的增加。北极湿地对CH4排放的贡献不可忽视,其排放量约为15.5 Tg CH4·a-1,由于气候变暖导致的冻土退化使得这种排放趋势可能进一步加剧17

1.3 SLCFs未来排放变化

AMAP 2021评估报告给出了现在立法情景(CLE)与最大可行减排情景(MFR)下不同SLCFs的未来排放变化。与2015年相比,估计到2050年,北极理事会国家BC排放量将减少37%,观察员国将减少52%(图6)。预计到2050年,北极理事会成员国的CH4排放量将增加13%,观察员国将增加25%。到2050年,成员国的SO2排放量将大幅下降约33%,观察国的排放量将大幅下降约45%。目前的清洁空气政策(现行立法情景)可以减少居民生活和交通部门的BC排放,并在一定程度上减少工业来源的BC排放。若通过技术革新,还可以实现额外减排。在减少居民生活燃烧(取暖和做饭)以及工业石油与天然气燃烧产生的BC排放、能源生产和工业产生的二氧化硫排放、石油和天然气生产过程中产生的CH4排放以及改善城市和工业废物管理方面将尤为明显。

图6

图6   现行立法(CLE)情景和最大可行减排(MFR)情景下北极理事会成员国与观察员国2030年和2050年不同SLCFs排放量相对于2015年的变化15

Fig. 6   The differences of SLCFs emissions from Arctic Council Member Countries and Observer Countries between 2030 & 2050 and 2015 under different scenarios of Current Legislation (CLE) Scenario and Maximum Feasible Reduction Scenario (MFR)15


北极地区分布的大量湿地,对CH4的自然源排放变化具有重要影响29-30。全球来自化石燃料等的人为源CH4排放量约为自然源排放的2倍31。在气候变暖的情景下,北极地区自然源的CH4排放增加量预计将小于全球人为源CH4排放的减少量。目前,SLCFs自然源排放的未来变化趋势(如气候变暖导致多年冻土退化)并没有耦合在相关气候模式模拟中,导致CH4未来排放的预测存在极大的不确定性。此外,北冰洋上空形成的富含颗粒物的海雾和海洋生物气溶胶将随着气候变化而变化,进而影响北极气候,但目前尚未有足够的研究定量评估该影响32

2 SLCFs对北极气候变化的影响

SLCFs对气候变化有区域影响也有广域影响。全球来看,在10~20年的时间尺度上,SLCFs对气候的影响与CO2的影响大致相当,但由于SLCFs的影响在排放后迅速衰减,因此百年尺度上的净长期温度效应主要由CO2决定(IPCC, 2021)。由于SLCFs主要来源于化石燃料使用、农业活动以及废弃物焚烧等,其在中纬度地区的排放浓度远远大于北极地区(IPCC, 2021),因此减少中纬度地区空气污染的措施在影响北极变暖方面具有较大的潜力。为评估不同排放源对北极气候变化的影响,AMAP 2021评估报告使用了五个地球系统模型和一个多模型模拟器来模拟北极气温的变化,基于这些模型的最优组合分析了由SLCFs和CO2导致的北极气候变暖现状。

AMAP 2015年报告指出,大气BC导致的北极增温为0.40 ℃·(10a)-1,SO42-气溶胶导致的降温约为-0.23 ℃·(10a)-1表1)。模型模拟结果表明,1990—2015年,北极理事会成员国和欧洲其他区域生物质与化石燃料来源的SO2排放量大幅减少。然而,同一时间内,亚洲观察员国和全球其他区域的排放量基本稳定。由于SO42-气溶胶能够冷却大气,对气候变化具有致冷效应,可抵消部分由CO2和SLCFs造成的气候变暖。随着中低纬度地区SO42-气溶胶水平的下降,其冷却效应减弱。1990—2015年间,全球CO2排放对北极变暖的影响与中低纬度地区硫排放减少所导致的变暖(致冷衰弱)几乎相等。同期,全球人为源排放的SLCFs与辐射、云层和地表反照率的相互作用变化导致的北极净增暖幅度为0.275 °C·(10a)-1。SO42-与云层相互作用的减少可能会影响北极净增暖,所以模拟的增暖幅度具有很大不确定性。全球SO2排放量减少,SO42-气溶胶与辐射、云层和地表反照率的相互作用较弱,可能产生了0.290 °C·(10a)-1的北极增暖效应,因此,全球SO2排放量的变化主导了SLCFs对北极气候的影响。全球人为源二氧化碳排放对北极变暖的净速率约为0.285 °C·(10a)-1,这与减少的人为源SO2排放导致的增暖效应大致相当。自1990年以来,BC排放量的下降已经降低了其对变暖的影响。全球人为源BC减排在一定程度上减缓了北极变暖速率[-0.053 °C·(10a)-1]。与此同时,1990年以来CH4排放量的增加则加剧了其变暖效应,但模拟显示全球人为源CH4排放对北极变暖的影响相对较小[0.038 °C·(10a)-1](图7)。模式模拟结果显示,O3对北极增暖的贡献远小于BC,约为+0.05 ℃·(10a)-1图8)。O3导致的辐射强迫受到CH4、NOx、非甲烷挥发性有机化合物,以及CO的影响17,其贡献主要来自亚洲和北美地区交通、能源、工业以及居民生活采暖等的排放。

图7

图7   现行立法和最大可行减排情景下北极气温相对于2015年的净变化15[实线代表所有SLCFs(黑碳、二氧化碳、二氧化硫、甲烷)排放的综合变化导致的北极气温净变化;阴影代表自1990年以来观测到的和预估的SLCFs排放变化对北极气温相对于2015年的净变化的贡献]

Fig. 7   Arctic temperature change in two different scenarios of SLCFs emissions: CLE Scenario (a) and MFR Scenario (b)15 [The solid line shows the net Arctic temperature change from combined changes in all emissions (black carbon, carbon dioxide, sulfur dioxide, methane); the shaded areas indicate how observed and projected changes in emission of SLCFs since 1990 contribute to net changes in Arctic temperature relative to 2015]


图8

图8   不同来源臭氧对北极增暖变化的贡献17

Fig.8   Contributions of ozone from difference sources to the changes of Arctic warming17


此外,由于长寿命的温室气体以及SLCFs的未来排放将导致全球平均温度上升,并在北极地区产生放大效应(Arctic Amplification),预计CO2浓度的增加和全球硫的减排将对北极地区产生显著的变暖影响,北极地区将继续快速变暖。2015—2030年间,全球人为源SO2排放量的持续减少对北极变暖的影响约为CO2变暖效应的69%~103%。模型结果还表明,BC和CH4的作用几乎能够抵消硫减排对变暖的影响。具体而言,2015—2050年,全球CH4减排可导致北极变暖速率减少0.047 °C·(10a)-1;BC减排与辐射、云层和地表反照率的相互作用可导致北极变暖速率减少0.074 °C·(10a)-1图7)。未来几十年里,SLCFs的减排对减弱北极变暖的速率具有重要作用。最大可能地减少天然气燃烧、交通和采暖等人为活动导致的BC排放至关重要,尤其是直接发生在北极或北极附近区域的BC减排尤为重要33。最重要的是,减少BC干湿沉降,使得雪冰表面反照率升高、反射大量太阳辐射,从而使北极增温减缓。最大限度地减少北极理事会国家石油和天然气等的甲烷排放量对于抵消预期的变暖也非常重要。

3 北极地区火灾变化引发的SLCFs排放变化

持续的气候变化将影响北极地区未来的火灾风险。大气中BC和OC的一个重要来源是森林和苔原火灾等野火,以及农田、草原与森林的人为垦荒燃烧1。与全球所有类型的化石燃料和生物质燃烧排放相比,源于西伯利亚、加拿大和阿拉斯加的北方森林火灾贡献了北极地区BC沉降通量的12%~15%34。野火频发可能会导致北极积雪和海冰上有更多的BC沉积,并伴随雪冰消融而进一步富集35-37。虽然,火灾是北极生态系统的重要组成部分,但气候变化将进一步延长火灾季节,可能会导致更加干燥的气候条件。同时,闪电事件呈潜在增加趋势,使得闪电引发火灾的风险增加。人类活动的增加以及早期灭火和虫害造成的可燃燃料也会增加火灾风险。全球火灾排放数据显示,从2005年到2018年,北纬60°以北的火灾呈明显的上升趋势,其增加程度超过北纬50°~60°之间的火灾活动。AMAP 2021年开发的当前火灾活动的排放模型表明,大多数火灾活动及其排放发生在北纬50°和60°之间;同一时期,在北纬70°和80°之间很少观察到露天生物燃烧排放;北纬80°以上,由于卫星覆盖范围的限制,未能观测到火灾。

图9所示,在北极苔原带-北方森林的过渡期中,随着生态系统的变化,火灾风险可能存在先增加、然后下降的趋势,其中土壤湿度变化是北极生态系统中泥炭火灾的主要驱动因素。除了可能有更多的闪电点火和更长的火灾季节外,多年冻土退化会增加干燥植被和泥炭燃料的数量。北极地区的泥炭是一个巨大的天然碳汇,泥炭地火灾每单位燃烧面积释放的CO2远远超过SLCFs的释放总量。泥炭火燃烧时间长并能在地表下燃烧,导致排放大量烟雾,而且排放规模难以估计和预测。此外,不连续多年冻土的融化可增加用于供火的泥炭燃料,但也可能使得土壤变湿,限制火的点燃和传播。人类活动的变化是另一个重要影响因素,特别是农业活动北移及其相关的垦荒燃烧行为会导致北极地区SLCFs排放增加。

图9

图9   气候变化导致的生态系统和天气系统变化引起的21世纪中后期北极地区火灾风险变化15(向上的箭头表示火灾风险的增加,向下的箭头表示火灾风险的减少)

Fig. 9   Changes in fire risk due to expected changes in ecosystems and weather patterns by mid- and late 21st century due to climate change15 (Note: up arrows indicate increase in fire risk and down arrows indicate a decrease in fire risk)


气候变化也将影响林业,特别是直接影响森林生长以及昆虫和灾害天气的变化。即使是管理程度较高的北方地区的森林,未来的气候条件变化也有利于森林火灾发生。气候变化在偏远的北方森林大规模且不可控制的火灾中发挥了作用,促使北极苔原火灾季节提前开始,并在人口较多的地区出现极端野火38-41。未来北极地区的变暖可能会导致野火罕见的地区发生更多、更大的火灾。例如,2017年夏末和2019年,格陵兰岛西部在经历了温暖、干燥和阳光充足的天气之后发生的火灾就是一个新现象。北极地区未来的火灾将成为北极和泛北极地区的BC、CH4和CO2的不可忽视的来源,并且预计还会持续增加。

4 SLCFs评估的不确定性与政策建议

与现在观测值相比,不同模型表征的SLCFs对气候变化的影响程度存在差异,但多模型平均值接近或在大气BC、O3和CH4观测水平的不确定性范围内。北极地区SLCFs对气候变化趋势的影响具有高信度,而变化幅度处于中信度。由于社会经济发展路径的不确定性,SLCFs的未来排放趋势仍是一个重要的不确定因子,其对气候变化的影响也与云层/云量变化以及相关的间接辐射强迫有关。北极地区SLCFs气候效应评估结果的不确定性主要来自以下方面:

(1)大气CH4导致增暖的可信度在全球和北极地区都很高,但北极地区自然源特别是湿地的CH4排放观测不足,对气候变化影响的预估存在较大不确定性。

(2)北极地区BC引起的变暖可能被低估,并且由于各模型模拟结果之间的较大差异而具有不确定性,尤其是北极航运增加后的BC排放监测与评估亟待加强。

(3)由于缺乏对整个大气柱的观测以及模型自身的不确定性,北极地区SO42-气溶胶造成的冷却效应可能被低估。

(4)O3引起变暖的可信度在全球和北极地区都相当高,但O3及其前体物的模拟评估仍存在较大不确定性。

(5)由于模拟和测量的云层/云量范围差异较大,云层特性的变化引起的气候变化影响具有高度不确定性。

未来减少SLCFs对北极气候变暖和生态及人体健康的影响,AMAP工作组建议如下:

(1)为评估SLCFs减排及其影响,北极理事会成员国和观察员国应保持排放报告公开和强化监测并行。SLCFs减排方案的研制来源于其可靠的排放清单的支撑,强调必须确保及时、透明和全面地在分享关于SLCFs排放的信息。

(2)为进一步减少北极地区污染物的排放,应有效执行现行立法,并在强烈支持现行立法基础上及时有效地实施最佳减排技术。北极理事会成员国的BC减排,重点关注柴油发动机、燃气燃烧和住宅燃烧的排放。需全面实施BC和CH4减排的最佳技术,以补偿在最大可行减排情景下减少SO2排放造成的额外变暖。为限制北极长期变暖,CO2的大幅减排仍至关重要。同时需加强CH4减排的决策制定与实施,特别是提前预防北极地区石油和天然气生产过程中的CH4泄漏发生。

(3)为实施有效措施减少北极当地的空气污染,应更好地识别和量化北极当地的BC排放源。使用现有的最佳技术和操作方法可以减少当地居民取暖、燃烧废弃物,以及使用柴油发电机所产生的SLCFs排放,从而减少空气污染对健康的损伤。

(4)为了减少火灾排放及相关的空气污染和气候变暖,应实施限制农业燃烧和野火的有效策略。北极地区的野火以及人为垦荒燃烧等是北极地区大气BC排放日益增长的重要来源,对人体健康和气候变化均有不利影响。为加强火灾管理策略的发展,得到北极原住民和当地社区的广泛认同,亟待厘清火灾管理技术是否或在多大程度上可以减少BC的排放。

5 结论与展望

AMAP 2021年“短寿命气候因子对北极气候、空气质量和人类健康的影响”科学评估报告,系统评估了BC、CH4、O3与SO42-气溶胶等SLCFs的主要特征对北极气候变化的影响。主要发现点如下:

(1)北极气候快速增暖,在未来的二三十年内,减少SLCFs的排放将会切实减缓北极气候变化。大气BC、O3、和CH4等共同作用促成了北极变暖,为缓解北极地区长期变暖,需在全球范围内特别是北极理事会成员国和观察员国大幅度减少CO2的排放。而SO2产生的SO42-气溶胶对气候有冷却影响,因此抵消了部分由CO2和SLCFs导致的变暖效应。1990—2015年,SO2排放量下降带来的冷却效应减弱而导致的变暖与CO2排放所引起的北极变暖的程度相似。

(2)全球人为源CH4排放和北极大气中的CH4含量继续增加。北极地区湿地等自然来源中的CH4排放量,将可能受到进一步气候变暖的影响,但是这些来源未来排放量的估计受到较大不确定性的影响。

(3)苔原、泥炭地和森林火灾是北极地区日益重要的BC和OC排放来源,气候变暖可能导致更大的、更频繁的火灾。用适合当地的措施(如燃料管理、燃烧减少、荒地火灾防范)来管理火灾风险,对于限制当地和区域排放对人体健康有害并导致进一步变暖的可能至关重要。相比于北极地区,北方的森林火灾需要不同的管理,需要考虑本地的消防管理措施。

在未来研究方向上,AMAP评估报告提出要加强和重点关注以下方面:

(1)建立和维持长期连续且高质量的观测网络,为SLCFs排放以及影响评估的模式模拟提供有效的数据支持,高分辨率的卫星监测和火灾制图也是SLCFs监测的重要手段。

(2)准确量化自然源SLCFs的排放对北极气候变化的影响,如湿地和多年冻土退化导致的CH4排放,以及海雾中的SO42-气溶胶,仍是亟需解决的关键问题;其中,SO42-气溶胶中硫和三氧同位素,以及甲烷的团簇同位素研究则可能为SLCFs的源解析提供新视角。

(3)为全面评估SLCFs对北极气候变化和空气质量的影响,需更好地融合适用于北极地区的全球气候模型和大气扩散模型。

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