最終的氣候邊界

現代探險家幾乎已經深入地球的每個角落，從極地南極洲到亞馬遜叢林深處。 然而，仍有待探索的土地，並且經常傳來意想不到的奇妙發現的消息——在馬達加斯加發現了一種類似貓鼬的食肉動物，在秘魯發現了一個巨大的瀑布。

這就是當今氣候科學的現況。 在某些方面，其領土已被徹底探測過。 儘管氣候變遷研究的前提和結論受到強烈質疑，但對證據的審查一致證實了聯合國政府間氣候變遷專門委員會的基本發現：地球溫度上升不能僅用自然過程來解釋。 人類活動（如燃燒化石燃料）產生的溫室氣體排放必須包括在內，以解釋觀察到的暖化現象。 政策制定者將在 11 月底和 12 月初在墨西哥坎昆舉行的會議上在此堅實的基礎上再接再厲，敲定下一個全球氣候控制協議。

但全球氣候中尚未探索的角落仍然存在。 IPCC 2007 年的最新報告承認了這一未知領域：“對於氣候系統的許多組成部分及其在氣候變遷中的作用，人們仍然沒有完全的物理理解。” 這些未知的事物對於科學家來說是肥沃的領域。

例如，他們現在正在推動觀測氣候科學中可能最不為人所知的方面：稱為氣溶膠的微小顆粒如何影響氣候。 某些類型的氣溶膠使地球變冷，而另一些則使地球變暖。 它們也影響雲的形成數量和地點，進一步重新繪製地球氣候圖景。 經過數十年的努力，研究人員終於開始解開這個特殊的未知因素，部分歸功於部署用於監測氣溶膠的飛機、衛星和其他儀器。

了解驅動當今氣候系統的物理過程是一回事，另一回事是另一回事。 弄清楚系統的變化將如何影響人們未來的生活完全是另一個問題。 在這裡，科學家專注於區域氣候預測——將電腦模型縮小到更小的規模，以了解氣候變遷可能如何改變當地環境。 這些工作是了解乾旱將如何影響鳳凰城或洪水如何影響巴基斯坦的唯一途徑。 雖然剛開始解決區域預測中最棘手的問題，例如如何準確地模擬大氣和海洋的短期環流模式，但研究人員正在使用一些有前途的方法來研究細節。

到 2013 年或 2014 年 IPCC 下一份報告發佈時，科學家應該已經縮短——或者至少精簡了——他們的未知數清單。 「有大量的氣候科學需要完成，」史丹佛大學的氣候研究員諾亞·迪芬鮑（Noah Diffenbaugh）說。 雖然新資訊可能無法安撫氣候變遷懷疑論者，但它將澄清氣候系統中不確定性的關鍵領域。 它還將有助於填補氣候地理的最後細節，為社會提供應對未來變化的指南。

微小冷卻劑

氣溶膠雖然很小，但對氣候的影響卻很大。 這些顆粒的直徑從幾分之一微米到幾微米不等，來自人造和天然來源，包括發電廠、生物質燃燒、海浪、火山爆發甚至野火。SN：2010 年 11 月 6 日，第 11 頁 28）。

大多數氣溶膠透過充當防曬霜將太陽的入射光線反射回太空來冷卻地球。 例如，1991 年菲律賓皮納圖博火山噴發，噴出的硫磺和其他顆粒足以環繞地球一周，導致全球氣溫下降約半攝氏度。

氣候科學家一致認為，如果沒有氣溶膠，地球的暖化程度將比近幾十年來更嚴重。 然而，冷卻效果的確切程度仍有爭議。 更不為人所知的是氣溶膠的間接影響：它們可以改變全球雲的大小和分佈。

氣溶膠就像微小的種子，水蒸氣可以在其上凝結。 因此，更多的氣溶膠意味著更多的“雲凝結核”，可以在周圍形成雲。 例如，被稱為船蹟的長而薄的雲，會像噴氣尾跡一樣追蹤船舶在空中的排放物。 更多的種子顆粒意味著雲變得更厚、更白、更反光，從而進一步冷卻。

許多科學家認為這種間接影響是理解氣溶膠與氣候之間相互作用的最大的單一不確定性。 在過去的十多年裡，研究人員在十多次實地活動中發射了一批觀測設備，以測量從亞洲到北美地區氣溶膠的分佈和影響。 通常，飛機會以網格狀飛行收集空氣樣本，而地面研究人員則使用車輛或船隻來測量氣溶膠排放模式。 （美國太空總署的榮耀任務計劃於二月發射，將繼續全力推進。）

如此細緻的工作現已初見成效。 夏威夷大學馬諾阿分校的安東尼·克拉克(Antony Clarke) 和弗拉基米爾·卡普斯汀(Vladimir Kapustin) 分析了1,000 多個大氣垂直切片，這些切片主要在1995 年以來的各種活動中在太平洋周圍拍攝。科學與更原始的地區相比，人類活動頻繁的地區上方有更多的雲凝結核以及其他氣溶膠測量。 克拉克說，這項工作「提供了一幅更能揭示全球範圍內燃燒影響的圖景」。

同一期的另一篇論文科學仔細研究了亞馬遜上空的大氣化學如何自然地產生氣溶膠和雲。 德國美因茨馬克斯普朗克化學研究所的 Ulrich Pöschl 領導的研究小組發現，雨林上方的雲層數量受到氣溶膠自然供應的限制。 在污染較嚴重的地區，雲形成的限制因素是風將氣溶膠提升到大氣中的速度。 該研究強調了氣溶膠和雲之間的複雜關係在原始地區和污染地區之間的差異。

天空中的熱板

如今，一種氣溶膠特別引起了研究人員的注意——黑碳，俗稱煙灰。 這些顆粒來自燃燒化石燃料的發電廠、為農業清理土地而開始的火災，以及在較小程度上來自發展中國家燃煤和燃木的爐灶。

黑碳曾經被認為是全球暖化的一個小因素，但現在卻成為人們關注的焦點。 與其他具有淨冷卻效果的氣溶膠不同，黑碳顆粒吸收太陽輻射並溫暖大氣，就像在陽光明媚的日子穿著黑色 T 卹使身體變暖一樣。 研究表明，天空中的這些微小熱板是近幾十年來北極變暖的主要原因（SN：2009 年 11 月 21 日，第 11 頁 5），一些研究人員認為煙塵可能是喜馬拉雅山冰川融化的重要因素。

儘管如此，科學家們仍不完全了解黑碳的含量、其來源以及隨著時間的推移它如何從大氣中消失。 在一個正在進行的計畫中，研究人員反覆從北極飛往南極，飛到高空，然後下降到幾乎接觸海洋。 美國國家科學基金會計畫名為“HIAPER 極地觀測”或簡稱為“HIPPO”，收集空氣樣本來測試許多大氣氣體，特別是二氧化碳，但它也收集黑碳。

在 2009 年 1 月的首次飛行中，HIPPO 飛機測量到沿途的黑碳濃度超出預期。 科羅拉多州博爾德市NOAA 地球系統研究實驗室的大氣科學家約書亞·施瓦茨(Joshua Schwarz) 表示，這可能是因為電腦模型無法準確估計雨水去除空氣中顆粒物的效果。大小驚人相似的顆粒物。 「我們對此還沒有合理的解釋，」施瓦茨說。

在科學家的推動下，政策制定者越來越多地尋找減少黑碳排放的方法。 這個概念在政治上是可接受的，因為它涉及以有利於人們健康的方式清除污染。 黑碳也是一個簡單的目標，因為煙塵在幾週內就會從大氣中消失，並在短時間內產生可測量的結果。 例如，北京在 2008 年奧運會之前採取了嚴格的污染措施，使該市的黑碳排放量暫時減少了約 25%。

然而，新的研究表明，減少黑碳的氣候效益可能會帶來負面影響。 五月在地球物理研究通訊加州帕薩迪納噴射推進實驗室的 Wei-Ting Chen 領導的團隊模擬了將黑碳排放量減少一半的氣候結果。 她的團隊發現，減少排放所帶來的冷卻效益部分被以下事實所抵消：煙灰減少意味著雲凝核減少，從而冷卻物體的雲也減少。 儘管如此，加州理工學院的團隊成員約翰·宋飛 (John Seinfeld) 表示，“總體而言，減少黑碳仍然有利於氣候，也有利於人類健康。”

針對特定的黑碳來源對於有效減少黑碳可能很重要。 拉霍亞斯克里普斯海洋研究所的黑碳專家Veerabhadran Ramanathan 表示，中國化石燃料燃燒產生的以黑碳為主的氣溶膠羽流在吸收太陽輻射和加熱物體方面的效率大約是生物質燃燒產生的黑碳羽流的兩倍。自然地球科學。

拉馬納坦與其他科學家一起發起了“蘇裡亞計畫”，旨在用低成本、更清潔的替代品取代印度各地污染嚴重的爐灶。 收到新爐子的女性必須取下去除黑碳顆粒的過濾器並拍照。 「只要看到黑色濾光片，他們就會說，『這就是我們呼吸的東西嗎？』」拉馬納坦說。

在地化

儘管研究人員正在進入氣溶膠領域的未知領域，但其他人仍在尋找離家更近的領域——了解氣候變遷將如何影響人們的生活。 在這種情況下，科學家的目標是改善對氣候變遷區域影響的預測。 許多局部效應已經顯現。 例如，去年美國政府的一份重要報告詳細介紹了氣候變遷如何導致東北部冬季降雨增加、東南部颶風加劇以及落基山脈積雪減少。

預計到本世紀末，全球氣溫將上升 2 至 4 攝氏度，但局部影響可能會更大。 例如，考慮到全球氣溫上升 2 攝氏度的電腦模型發現，歐洲、北美和亞洲的大部分地區可能會經歷溫度比正常情況高出 6 攝氏度的熱浪。 羅賓克拉克(Robin Clark) 及其英國埃克塞特氣象局哈德利中心的同事在9 月的報告中寫道，植物根係深度和森林覆蓋等當地因素可能在一定程度上解釋了這種差異。地球物理研究通訊。

史丹佛大學的迪芬鮑和田納西州橡樹嶺國家實驗室的莫塔西姆·阿什法克的新研究表明，未來三十年，熱浪也可能在美國變得更加普遍。 在他們的模型中，八月發表地球物理研究通訊研究人員發現，將全球平均氣溫升幅限制在 2 度以下仍會導緻美國西部大部分地區出現熱浪，尤其是在 2030 年至 2039 年期間。

毀滅性的熱浪，例如 2003 年在歐洲造成約 35,000 人死亡的熱浪，並不是即將發生的唯一變化。 「氣候變遷存在一系列潛在的影響，」迪芬鮑說。 知道到底會發生什麼事的問題是區域氣候預測不如全球氣候模型複雜。 研究人員想告訴官員，三十年後他們所在城市或州的天氣到底有多熱、冷、多濕或乾。 但他們不能。

為了更好地了解當地氣候，建模者「縮小」了全球模型的結果，使用粗略數據作為起點進行更精細的當地計算。 典型的全球模型的分辨率為 300 公里，這意味著模型的計算中不會檢測和分析任何較小的特徵。 相比之下，區域氣候模式的分辨率可能為 50 公里甚至更小。 氣候科學家採用全球模型，並將一個區域模型縫合到其中，就像對人群中一張臉的更詳細的圖像進行修圖一樣。

在某些情況下，這種方法開始產生一致的結果。 六月報告於自然地理科學蘇黎世聯邦理工學院的埃里希·費雪和克里斯托夫·沙爾展示了不同的區域氣候模型如何得出歐洲未來熱浪的類似模式。 研究人員寫道，在下個世紀，極端高溫事件將在南歐持續時間最長、最常見，而在北歐最為嚴重。

但區域氣候模型的其他方面卻遠遠落後。 博爾德國家大氣研究中心的氣候建模師 Jim Hurrell 表示，許多區域模型尚未納入基本的土地利用訊息，例如城市化、森林砍伐或灌溉的詳細資訊。 當地降水可能如何變化的長期預測特別差，這使得人們很難預測乾旱。

區域模型的好壞也取決於它們是否適合全球方法。 如果全球模型包含錯誤，「這就會為區域模擬的保真度帶來重大問號，」赫雷爾說。 特別是，全球建模者尚未很好地處理“十年變異”，即氣候系統中在 10 年、20 年或 30 年以上的時間範圍內變化的內部因素。

這些因素包括厄爾尼諾南方濤動（一種每隔幾年在熱帶太平洋發生的暖化模式）和太平洋十年濤動（一種與北太平洋中部變冷相關的類似但長期的模式）。 全球氣候模型沒有詳細包括這些現象，但如果研究人員想要準確預測幾十年後特定地區的氣候，就需要這樣做。

直到最近幾年，科學家才收集到足夠的相關數據，例如來自名為 ARGO 的全球浮標陣列的海洋溫度，以便能夠考慮如何將年代際變化添加到全球模型中。 「這是一個極具挑戰性的問題，」赫雷爾說。

迪芬博表示，全球建模者可能無法在下一次 IPCC 報告中及時解決該問題，但正在進行的工作應該有助於改善未來幾年的區域工作。 「我們即將了解更多，」他說。

對於當地官員和其他社區利害關係人來說，這些資訊還不夠快。 美國政府正在推動建立一個類似於國家氣象局的國家氣候服務機構，以提供當地的氣候訊息（SN：2010 年 3 月 13 日，第 14 頁 32）。 許多州和城市，包括加州、鳳凰城和紐約市，也開始了自己的區域研究工作。

這些努力的效果如何——或者效果如何——將在下一份政府間氣候變遷專門委員會報告形成時變得清晰。 到最終出版物發佈時，區域氣候預測以及氣溶膠的不確定性將比現在小。 氣候的未知領域將會縮小。