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北極氣溫升高以及北極甲烷氣體釋放

陸龍驊

（中國氣象科學(xué)研究院）

 

北極在地球的最北端。北極地區(qū)是一片被大陸包圍的冰雪海洋，通常指北極圈（66 33′N）以北地區(qū)，包括北冰洋、邊緣陸地海岸帶及島嶼。它與南極地區(qū)一樣，大部分地區(qū)終年為冰雪所覆蓋,自然環(huán)境惡劣、氣候寒冷、暴風(fēng)雪頻繁，是地球上氣候敏感地區(qū)之一。我國位于北半球，人們對(duì)寒潮和冷空氣活動(dòng)都有親身體驗(yàn)；對(duì)我國造成災(zāi)害的旱、澇、風(fēng)、雹等天氣氣候事件也大多與冷、暖空氣及其活動(dòng)異常有關(guān)，來自北極的影響較南極更為直接。
北極和南極一樣，包含了大氣、海洋、陸地、冰雪和生物等多圈層相互作用的全部過程，是研究全球氣候變化的關(guān)鍵地區(qū)。在全球變化，尤其是全球及區(qū)域氣候變化中有重要作用。對(duì)北極的研究不僅有深遠(yuǎn)的政治意義、重大科學(xué)價(jià)值，而且具有潛在的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
一、 北極氣候增暖與全球變暖
近百年來，隨著全球溫度的升高，全球變暖成了世界各國科學(xué)家、政府和人民普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題。最新的科學(xué)研究成果表明，1906-2005年全球平均氣溫上升了0.74 ,預(yù)計(jì)到2100年仍將上升1.1-6.4 。
全球變暖并不是全球一致的，近30年來北極地區(qū)是全球增暖最顯著的區(qū)域。近100 年來，北極平均溫度幾乎以兩倍于全球平均速率的速度升高（圖1）。不過，北極溫度具有很高的變率，在不同時(shí)段，變化的情況也不同。如，在1925 至1945 年期間也觀測(cè)到一個(gè)較長的暖期（圖1、2），該時(shí)段內(nèi)北極變暖的幅度幾乎和現(xiàn)在一樣(IPCC,2007)。但是由于此次變暖范圍不是全球性的，主要出現(xiàn)在北半球，所以增溫區(qū)的地理分布和近年來的全球增暖不一樣。 圖1 近百年來觀測(cè)到的全球溫度變化

圖2 近百年來北極和全球的平均溫度變化
（縱坐標(biāo)為相對(duì)于1800-2000年平均值的距平）
20世紀(jì)中國氣候變化趨勢(shì)與全球變暖的總趨勢(shì)基本一致。近百年來觀測(cè)到的平均氣溫已經(jīng)上升了0.5 ～0.8 ，略高于全球平均，其中最暖的時(shí)期出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，最明顯的地區(qū)是西北、華北和東北，長江以南地區(qū)變暖趨勢(shì)不明顯。與北極地區(qū)相同，我國在1925 至1945 年期間也觀測(cè)到一個(gè)較長的暖期（圖3）。預(yù)計(jì)到2100年，全國平均氣溫將升高3.9 ～6.0 。 圖3 近百年來我國和全球的平均溫度變化

二、北極地區(qū)的急劇變化：尤娜謎
北極是全球氣候變化最激烈的地區(qū)之一，其對(duì)全球變化的響應(yīng)和影響主要體現(xiàn)在海洋、海冰和環(huán)流的變異。最近幾十年北極地區(qū)發(fā)生了被稱之為尤娜謎（Unaami）的近400年來最快速的變化（圖4），引起全球科學(xué)家的關(guān)注。
“尤娜謎”這一詞在北極因紐特（yup'ik）語中的意思為“明天”。將北極氣候環(huán)境的快速變化稱之為“明天”有“不可預(yù)知”、“不可控制”、和“謎一樣的明天”之意；正如當(dāng)初用西班牙語言“圣嬰”（El Nino）來命名南美西海岸東太平洋海水的異常增暖現(xiàn)象一樣，引起了人們的廣泛注意。
科學(xué)家將“尤娜謎”界定為:近期正在發(fā)生的十年尺度(30～50 年) 的，與北極及鄰近地區(qū)錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境變化有關(guān)的綜合現(xiàn)象。這些變化主要表現(xiàn)為： 圖4 北極氣候環(huán)境的快速變化
1、海冰范圍每10年減小2.9%，厚度減少3-5%；
 2、北極陸地許多地區(qū)升溫顯著，最高升溫達(dá)5 ；
 3、格陵蘭冰蓋在中心區(qū)邊緣區(qū)以每年50km3速度融化；
 4、海冰和低鹽度水輸出增加，高密度水輸出減少；
 5、凍土覆蓋面積減少了7-15%、凍土消融,凍土帶北移，春季歐亞雪蓋減小10%，
 6、徑流、雨量、融雪增加，海水鹽度降低，海冰以及低鹽度海水輸出量明顯增加；
 7、海水增溫，大西洋水入流范圍擴(kuò)大，部分海域中層水溫度增高1 ；
 8、北極氣壓下降，極渦加強(qiáng)，熱量、濕度經(jīng)向通量增加；
通常認(rèn)為，“尤娜謎”與北極大氣環(huán)流有關(guān)，是氣候變化的組成部分，它通過海洋、陸地、海冰和大氣的相互作用在氣候變化中扮演重要角色，它的物理變化對(duì)北極的生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

三、北極變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)的影響
極地環(huán)境的變化跟地球其它區(qū)域的變化息息相關(guān)。北極地區(qū)是全球增暖最顯著的區(qū)域，北極對(duì)增暖反應(yīng)非常敏感，可能將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生巨大影響。數(shù)值模式結(jié)果表明：北半球增暖最強(qiáng)的將是北冰洋地區(qū)。假如到2070年，CO2濃度增加1倍，北極圈內(nèi)氣溫將平均上升2.2～3.9 。到2100年，多年厚度為2～3米的多年生北極海冰將會(huì)消失。近幾十年來發(fā)生在北極地區(qū)大氣、海洋、陸地領(lǐng)域中的各種重要的環(huán)境變化, 對(duì)北極環(huán)境的各個(gè)方面產(chǎn)生影響, 并正在影響生態(tài)系統(tǒng)、生物資源并反饋到人類社會(huì), 進(jìn)而影響區(qū)域的乃至北半球的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。
海冰、海洋變化影響海洋生態(tài)和基本營養(yǎng)鹽、溶解有機(jī)物的生物地球化學(xué)循環(huán)，對(duì)生物、生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重要影響。北極海冰的不斷消退，使海冰之間的水域逐漸擴(kuò)大，給北極熊、海豹、海象等北極動(dòng)物的棲息地帶來很大的威脅。
永凍土也是冰的一種形式，極地永久凍土發(fā)生的熱力狀況的改變和凍土的消融，不僅改變了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)和水文，也使得土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)生改變，在此過程中，也會(huì)釋放出一部分冷凍的碳，例如，甲烷等溫室氣體。多年凍土層熱力狀況的變化會(huì)影響江河徑流、供水、碳交換和景觀穩(wěn)定，并會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成損壞。在北極圈內(nèi)永凍土開始消融，導(dǎo)致一些建筑物、道路和管道的基礎(chǔ)開始松動(dòng)，對(duì)當(dāng)?shù)氐囊吧鷦?dòng)物和居民都有不同程度的影響。
極地的改變，發(fā)生在有著4百萬居民生活的北極地區(qū)。當(dāng)?shù)鼐用裾媾R著自然環(huán)境、資源和食物的急劇變化，變化的速度和幅度都是超過以往經(jīng)驗(yàn)和傳統(tǒng)知識(shí)的。除此之外，北極居民還要面對(duì)由于大氣和海洋的搬運(yùn)作用，從全球各地輸送和匯集到這里的污染物對(duì)他們健康產(chǎn)生的威脅；氣候快速變化，對(duì)健康產(chǎn)生的一些未知的風(fēng)險(xiǎn)；快速發(fā)展的工業(yè)、極地能源資源的開采以及交通商業(yè)活動(dòng)等等對(duì)他們生活的重重壓力。冰雪的變化也影響了局地和全球的水循環(huán)。雪和積雪的減少，導(dǎo)致那些依靠雪水在春夏季進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉的地區(qū)大受影響。
極地氣候和大氣環(huán)境變化對(duì)全球大氣環(huán)流，特別是我國天氣氣候也會(huì)發(fā)生影響。我國位于北半球，北極冷空氣對(duì)我國的影響早為人熟知，對(duì)我國造成災(zāi)害的旱、澇、風(fēng)、雹等天氣氣候事件也大多與冷、暖空氣及其活動(dòng)異常有關(guān)。北極區(qū)域是我國冷空氣的主要源地，來自北極地區(qū)的寒流，一般是經(jīng)西北部、北部和東部三條路徑進(jìn)入我國境內(nèi)；冷空氣路徑不同,對(duì)我國天氣的影響也不同。例如，2008年春季，中國南方低溫雨雪冰凍天氣災(zāi)害，就與冷空氣活動(dòng)頻繁、路徑偏西，及青藏高原南側(cè)和西太平洋的暖濕空氣活躍等有關(guān)。
北極地區(qū)戰(zhàn)略地位特殊、資源潛力大，北冰洋海底蘊(yùn)藏著巨大的油氣和礦產(chǎn)資源，那里還有巨大的魚群以及具有戰(zhàn)略意義的重要航運(yùn)通道。按目前北極海冰縮減速度，北冰洋的 “西北航道”和“東北航道”有望在2030年完全開通，北冰洋航道將成為北美洲、北歐地區(qū)和東北亞國家之間最快捷的黃金通道。在全球變暖環(huán)境下，北極氣候系統(tǒng)各圈層的急劇變化及2007年8月俄羅斯在北極海底的插旗行動(dòng)，近一步加速了美、俄等環(huán)北極國家對(duì)北極的爭奪。這場(chǎng)爭奪戰(zhàn)有巨大的政治、經(jīng)濟(jì)和軍事利益，得到了世界各國的共同關(guān)心。

四、北極變化與甲烷氣體釋放
當(dāng)前，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球氣候變暖為主要特征的顯著變化，這種變化是由自然的氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)共同引起的。但近百年來全球平均溫度的升高，很可能是由于人為溫室氣體濃度增加所致；過去50年，各大陸（南極洲除外）可能出現(xiàn)了顯著的人為變暖。
大氣是人類和地球生物不可缺少的生存環(huán)境。在自然狀態(tài)下，大氣是由混合氣體、水汽和雜質(zhì)組成(水汽量變化很大,典型的體積比為1%)；除去水汽和雜質(zhì)的空氣稱為干潔空氣。 干潔空氣的主要成分為78.1%的氮，20.9%的氧，0.93%的氬。這三種氣體占總 量的99.96%，其它各項(xiàng)氣體含量計(jì)不到0.1%，這些微量氣體包括氖、氦、氪、氙等稀有氣體。至少在80 km以下的均質(zhì)層，大氣是充分混合的，上述氣體的含量幾乎可認(rèn)為是不變化的，稱為恒定組分。
在干潔空氣的易變成分中，有一些被稱為溫室氣體的氣體。這是一些大氣中自然或人為產(chǎn)生的氣體成分，雖它們?cè)诖髿庵械暮繕O少，大部分被稱為痕量氣體；溫室氣體能像溫室玻璃或塑料大棚的薄膜一樣，透過太陽短波輻射和吸收地面長波輻射，這就像給地球裹了一條被子，起到了保溫作用，從而使地球變暖（圖5）。
圖5 地球大氣的溫室效應(yīng)
在《京都議定書》中的規(guī)定的，與人類活動(dòng)有關(guān)的溫室氣體主要有六種，即二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化物（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF₆）等。在工業(yè)化時(shí)代，所有這些氣體在大氣中都有明顯增加。除干潔空氣中的溫室氣體外，大氣中的水汽和臭氧也是溫室氣體，但由于水汽和臭氧在不同時(shí)間和地點(diǎn)變化很大，且水汽在大氣中的變化并不直接受人類活動(dòng)影響，因此，人們?cè)谟懻摐厥倚?yīng)時(shí)一般不討論它們。
自工業(yè)化時(shí)代以來，人類活動(dòng)引起了全球溫室氣體排放增加，其中在1970-2004年期間就增加了70%。通常認(rèn)為，工業(yè)革命之來大氣中二氧化碳濃度的增加是導(dǎo)致近百年了全球變暖的元兇(表1）。二氧化碳是一種可以自然生成的氣體,主要由化石燃料(如:石油、天然氣和煤)和生物燃料燃燒、以及土地利用變化和其它工業(yè)流程所產(chǎn)生的，是影響地球系統(tǒng)的主要人為溫室氣體，對(duì)全球升溫的貢獻(xiàn)達(dá)63 %。目前大氣中二氧化碳濃度，已從工業(yè)革命前的280ppm增加到2005年的379ppm（10^-6，百萬分體積比），是地球歷史上65萬年以來的最高值，過去十年中大氣二氧化碳濃度以每年1.8ppm 的速度增長。大氣中二氧化碳濃度急劇增加的原因，主要是由于大量燃燒化石燃料和大量砍伐森林等導(dǎo)致土地利用變化所造成的。其中，化石燃料燃燒產(chǎn)生二氧化碳的年排放量，從20世紀(jì)90年代的平均每年64億噸碳（235億噸二氧化碳），增加到2000-2005年間的每年72億噸碳（264億噸二氧化碳）；與土地利用變化相關(guān)的二氧化碳的年排放量的估計(jì)值，在20世紀(jì)90年代為16億噸碳（59億噸二氧化碳）。

溫室氣體		當(dāng)前濃度 （ppm 10-6）	生命期(年)	增溫效應(yīng)（以二氧化碳為基準(zhǔn)）	在溫室氣體中對(duì)升溫的貢獻(xiàn)
二氧化碳（CO2）		379.0	5-200年	1	63 %
甲烷（CH4）		1.774	12 年	25	18 %
氮氧化合物（N2O）		0.319	114年	298	？6 %
含氟化合物	氟氯碳化物（CFCs）	0.000400（CFC-12）	100年	10900	12 %
	全氟碳化物（PFCs）	0.000080（CF4）	50000年	7390	1 %
	六氟化硫（SF6）	0.000005	3200年	22800

表1 主要溫室氣體的當(dāng)前濃度、生命期、增溫效應(yīng)和對(duì)升溫的貢獻(xiàn)
（據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)評(píng)估報(bào)告，氣候變化-2007）

甲烷在溫室氣體中名列第二，目前已從工業(yè)化前的0.715ppm增加到2005年的1.774ppm, 一個(gè)甲烷分子的溫室效應(yīng)是一個(gè)二氧化碳分子的25倍。
甲烷是大氣中含量豐富的有機(jī)化合物，它是天然氣、沼氣和煤氣的主要成分；甲烷不可能在大氣中通過化學(xué)反應(yīng)自行合成，而是來源于地面。據(jù)估計(jì)每年進(jìn)入大氣中的甲烷總量為4-6億噸，其中大多與人類的活動(dòng)有關(guān)。與甲烷釋放有關(guān)的人為源包括：天然氣泄漏，石油、煤礦開采及其它生產(chǎn)活動(dòng)，熱帶生物質(zhì)燃燒，反芻動(dòng)物排放，城市垃圾處理場(chǎng)，稻田排放等；自然源包括：天然沼澤、濕地，河流湖泊、海洋，熱帶森林，北極苔原等。甲烷的生物排放是大氣甲烷的主要來源。在生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生甲烷必須具備三個(gè)條件：一是存在厭氧環(huán)境，如人工沼氣池必須密封性好，通風(fēng)、漏氣的沼氣池產(chǎn)生不了沼氣；二是存在有機(jī)物和水分；三是適合發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷微生物生存和繁殖的恰當(dāng)?shù)臏囟取?
在20世紀(jì)90年代，大氣中的甲烷總排放量（人為與自然排放源的總和）已趨于穩(wěn)定，大氣中的甲烷濃度不處于增長狀態(tài)。而目前，北極上空的甲烷濃度在經(jīng)過長達(dá)10年的穩(wěn)定狀態(tài)之后，現(xiàn)在開始呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。在北極斯瓦爾巴群島新奧爾松地區(qū)，也就是我國北極黃河站所在地，齊柏林大氣監(jiān)測(cè)站（圖6）的數(shù)據(jù)表明：大氣中的甲烷含量，繼2007年增加了0.6%之后，2008年再度增長0.6%。這引起了社會(huì)各界對(duì)大量甲烷可能從永久凍土帶中逃逸的擔(dān)憂。
在北極冰凍圈中，封存了大量的碳，其中既有元素碳、有機(jī)碳，也有固態(tài)的天然氣水合物（甲烷冰，可燃冰）和氣態(tài)的天然氣（石油天然氣、煤層和泥碳層等）。北極氣溫升高，更有利于發(fā)酵菌和產(chǎn)甲烷微生物生存和繁殖；加之北極凍土消融、海冰融化帶來的北極地區(qū)天然沼澤、濕地面積增加；北極苔原冰凍時(shí)間縮短；河流湖泊、海洋無冰面積增加等也都導(dǎo)致了北極地區(qū)甲烷氣體釋放的增加。此外，北極變暖加速了石油、煤礦開采，北極航道開通及其它生產(chǎn)活動(dòng)，也會(huì)增加了甲烷氣體的釋放。
甲烷是除二氧化碳之外的第二大溫室氣體，人類活動(dòng)造成的溫室效應(yīng)大約有18%要?dú)w結(jié)于甲烷。西伯利亞或者加拿大等地的永久凍結(jié)帶一旦解凍，可能導(dǎo)致存儲(chǔ)其中的溫室氣體大量釋放，進(jìn)而加速全球變暖。 圖6 挪威齊柏林（Zeppeling）大氣監(jiān)測(cè)站
二氧化碳和甲烷是溫室氣體的主要成員，它們?cè)跍厥覛怏w中對(duì)升溫的貢獻(xiàn)達(dá)81%。此外，在《京都議定書》中的規(guī)定