地球气候系统中的临界元素
Timothy M. Lenton, Hermann Held, Elmar Kriegler, Jim W. Hall, Wolfgang Lucht, Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber
文章发表于 Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008 年第 105 卷第 6 期。
摘要
“临界点”这一术语通常指一个关键阈值，当系统受到微小扰动时，其状态或发展轨迹会发生质的变化。本文提出“临界元素”这一概念，专指地球系统中可能越过临界点的大规模组成部分。我们通过相关文献及近期国际研讨会的讨论，对气候系统中在人为强迫下具有政策相关性的潜在临界元素进行了评估，编制了一个简短的清单，并探讨了它们的临界点所在。我们利用专家意见征询方法对这些临界元素的全球变暖敏感性及其物理机制的不确定性进行了排名，并阐释了如何原则性地建立预警系统以探测某些临界点的临近。
引言
人类活动可能将地球系统的某些组成部分推过关键状态，使其进入一种质上不同的运行模式，从而对人类和生态系统造成大规模影响。例如，大西洋热盐环流的潜在崩塌 (THC)、亚马逊雨林的退化以及格陵兰冰盖的消融，都已受到广泛关注。这类现象常被称为“临界点”，因为它们在某一特定时刻的小变化可能对系统产生重大、长期的影响，即“细微之处，影响深远”。
在全球变化的讨论中，“临界点”一词被用于描述各种现象，包括正反馈的出现、可逆相变、伴随滞后效应的相变以及在临界点处未来系统路径受噪声影响的分叉现象。我们提出正式定义，将“临界元素”用来描述地球系统中至少具有次大陆规模的子系统，这些子系统在特定情况下可能因微小扰动而切换到一种质上不同的状态。“临界点”则是相应的关键点，即系统状态因外界强迫发生质变的临界特征。
尽管我们研究的许多系统尚未明确证实存在临界点，但越来越多的政治诉求希望定义并为强制性温度目标提供依据，而社会对非线性气候变化的关注也促使我们审视人为强迫下气候系统中潜在的临界元素。为此，我们在英国驻柏林大使馆组织了名为“地球系统临界点”的研讨会，汇集了36位顶尖专家，并通过专家意见征询收集了52位国际科学界成员的意见。在本文中，我们结合文献综述和研讨会结果，编制了一份具有政策相关性的未来气候系统临界元素清单，并通过专家意见对这些临界元素的全球变暖敏感性及其相关不确定性进行了排名，最后探讨了临界点临近的早期预警前景。
图 1. 气候系统中潜在的政策相关临界元素
本图展示了气候系统中具有政策相关性的潜在临界元素，这些子系统可能在人为气候强迫下表现出阈值型行为，即在临界点处的微小扰动能够质变系统的未来命运。这些系统可能在本世纪内被触发，并在本千年内发生质的变化。地图中排除了在本世纪内难以触及临界点（例如东南极冰盖）或质变可能超过本千年发生（例如海洋甲烷水合物）的系统。问号标记表示这些系统作为临界元素的地位尚不确定。
定义临界元素及其临界点
之前的综述（6–10）将“突发气候变化”定义为“当气候系统被迫越过某个阈值，触发了由气候系统自身决定的、比诱因更快的速度转变到新状态时发生的”（8），这是一个分叉的情况（即，关注于平衡特性，暗示某种程度的不可逆性）。我们提出了一个更广泛的临界元素定义，因为：（i）我们希望包含非气候变量；（ii）在某些情况下，转变可能比人为强迫导致的变化更慢；（iii）可能不存在突变性，但控制的轻微变化可能在未来产生质的影响；以及（iv）对于一些重要的相变，最先进的模型在转变是否可逆（原则上）方面存在差异。
我们考虑与地球上特定区域（或区域集合）相关联的“组成部分”（Σ），其规模至少为次大陆级别（长度尺度约为≈1,000公里）。关于临界元素的完整正式定义见支持信息（SI）附录1。对于本文考虑的情况，如果满足以下条件，则系统Σ是一个临界元素：
控制系统的参数可以透明地组合成一个单一的控制参数 \(\rho\)，并且存在一个临界控制值 \(\rho_{\text{crit}}\)，从该值开始，任何显著的变动 \(\delta \rho > 0\) 都会在经过一定的观察时间 \(T > 0\) 后，引起系统关键特征 \(F\) 的质变 \(\hat{F}\)，相对于在临界值处的参考特征，即：
\[ \forall \delta \rho > 0: \quad F(\rho_{\text{crit}} + \delta \rho) \neq F(\rho_{\text{crit}}) \]
这个不等式适用于那些在临界值之上略微偏离并持续一段时间的强迫轨迹，这种偏离不可避免地引发质的变化。这种变化可能在诱因之后立即发生，或在更晚的时候发生。该定义包含了具有阈值行为的平衡特性以及临界强迫速率。在其平衡应用中，它包括了所有阶的相变以及自然界中最常见的分叉：鞍结分叉和Hopf分叉。原则上，该定义可以在任何时间适用，例如在地球历史中。系统的特征及影响它的参数不必是气候变量。临界条件可能自主地（无需人为干预）达到，自然变异性可能触发质的变化。
在此，我们将自己限定在可能受人类活动影响并具有潜在政策相关性的临界元素上。我们通过在条件1的基础上添加以下条件来定义政策相关的临界元素：
- 人类活动正在干扰系统 \(\Sigma\)，因此在“政治时间范围” \(T_P > 0\) 内做出的决策可以决定是否达到控制参数的临界值 \(\rho_{\text{crit}}\)。这发生在一个临界时间 \(t_{\text{crit}}\)，通常在 \(T_P\) 内，但也可能更晚，因为在 \(T_P\) 期间所做的决定承诺了进一步的变化。
- 观察到质变所需的时间加上触发质变所需的时间在“伦理时间范围” \(T_E\) 内；即 \(t_{\text{crit}} + T \leq T_E\)。 \(T_E\) 认识到过于遥远的未来事件可能无法影响当今的决策。
- 大量的人关心组件 \(\Sigma\) 的命运，因为它对地球系统的整体运行模式有重大贡献（因此其临界变化会改变整个系统的质态），它对人类福祉有重大贡献（因此其临界变化会影响许多人），或者它本身作为生物圈的独特特征具有巨大价值。相应地，质变应根据其影响来定义。
条件2–4赋予了我们对政策相关临界元素的定义以伦理维度，这是不可避免的，因为关注政策需要纳入规范性判断。这些判断体现在政治时间范围（\(T_P\)）、伦理时间范围（\(T_E\)）和满足条件4的质变定义的选择中。
我们建议将最大 \(T_P \sim 100\) 年基于人类的寿命以及我们（有限的）考虑留给子孙后代世界的能力，同时也注意到IPCC对这一时间尺度的关注。我们建议 \(T_E \sim 1,000\) 年基于文明的寿命，注意到这比民族国家和当前政治实体的时间尺度更长。因此，我们关注在本世纪内做出的决策所引发的在本千年内发生的质变，并排除那些命运在2100年后决定的临界元素。
气候系统中与政策相关的临界要素
地球的历史为气候系统中组成部分的非线性状态或变率模式的切换提供了证据（6–10）。这些过去的气候转变可能突出显示在人为强迫下的潜在临界要素，但它们发生时的边界条件与今天不同，而人为强迫通常更为迅速且模式各异（11）。因此，定位潜在的未来临界点需要结合预测模型、古气候数据和/或历史数据。
本文聚焦于气候系统中与政策相关的潜在未来临界要素。我们考虑了一长串候选要素（图1，表1），通过文献综述和前述研讨会，从中识别出符合条件1–4的候选清单（表1中的前九行）。为了满足条件1，需要有理论依据（>1模型研究）证明系统可能在亚大陆尺度上表现出临界阈值（ρcrit），和/或过去的阈值行为的证据。若提出的ρcrit可以与温度有意义地关联，条件2基于IPCC（12）评估的1.1–6.4°C高于1980–1999年的全球温度范围进行了评估。这是下一百年内可能承诺的升温范围，同时也考虑到瞬态升温在极地地区及陆地上的幅度通常大于海洋上。条件3基于模型预测、模型已知的不足以及古气候数据进行评估。我们集体判断用于评估条件4。
政策相关的气候系统临界元素
| 临界元素 | 系统特征 F（变化方向） | 控制参数 ρ | 临界值 ρcrit | 全球变暖范围 | 转变时间尺度 T | 主要影响 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 北极夏季海冰 | 面积范围（减少） | 局地 ΔT空气，海洋热传输 | 未明确 | +0.5–2°C | ≈10年（快速） | 加速变暖，生态系统变化 |
| 格陵兰冰盖 (GIS) | 冰体积（减少） | 局地 ΔT空气 | ≈+3°C | +1–2°C | >300年（缓慢） | 海平面上升 +2–7 米 |
| 西南极冰盖 (WAIS) | 冰体积（减少） | 局地 ΔT空气，或较小 ΔT海洋 | ≈+5–8°C | +3–5°C | >300年（缓慢） | 海平面上升 +5 米 |
| 大西洋热盐环流 (THC) | 翻转流（减少） | 北大西洋淡水输入 | +0.1–0.5 Sv | +3–5°C | ≈100年（渐进） | 区域变冷，海平面，热带辐合带位移 |
| 厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO) | 振幅（增加） | 热跃层深度，东赤道太平洋锋面陡峭程度 | 未明确 | +3–6°C | ≈100年（渐进） | 东南亚及其他地区干旱 |
| 印度夏季季风 (ISM) | 降雨量（减少） | 印度地区行星反照率 | 0.5 | 不可用 | ≈1年（快速） | 干旱，承载能力下降 |
| 撒哈拉/萨赫勒与西非季风 (WAM) | 植被覆盖率（增加） | 降水量 | 100 mm/年 | +3–5°C | ≈10年（快速） | 承载能力增加 |
| 亚马逊雨林 | 树木覆盖率（减少） | 降水量，干旱季节长度 | 1,100 mm/年 | +3–4°C | ≈50年（渐进） | 生物多样性丧失，降水减少 |
| 北方针叶林 | 树木覆盖率（减少） | 局地 ΔT空气 | ≈+7°C | +3–5°C | ≈50年（渐进） | 生态群落转换 |
我们的候选清单与IPCC的清单有所不同（参考文献12，第10章，尤其是第775页及后续内容，第818页及后续内容），因为我们的定义和标准与IPCC对突变气候变化的概念有所不同且更加明确。我们使用的证据基础也略有不同，因为它包括了一些较新的研究。本文作者及参与研讨会的专家团体较IPCC成员更小，且二者仅部分重叠。此外，我们的分析大多是平行进行的。我们希望通过引入更精确的定义并进行补充性的深入评估，为IPCC的概述增值。