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国际气候变化科技态势概览2016

编号:NO.I00015871702    原文作者:曾静静 刘燕飞 裴惠娟 董利苹 廖琴    发布时间:2017-02-17 17:41:28

编者按:本文基于《科学研究动态监测快报—气候变化科学专辑》2016年度国际气候变化科技动态的系统监测信息,遴选并总结了过去一年国际气候变化领域的重要科技进展和政策行动等科技态势,供读者作全面了解参考。这些主要科技态势包括:里程碑式的全球气候变化新协议正式生效;2015年多项关键气候指标再创新高;全球增温停滞现象及其原因研究成新热点;人类活动推迟下个冰期的到来;年代际的ENSO爆发活动可由混合震荡模式来解释;首次证实气候变化对云分布变化的影响;首次量化气候变暖和陆地生物圈碳吸收能力之间的关系;发现将CO2转化为烃类燃料的高效催化剂;重建过去200万年的全球平均温度演变;新方法与新工具的研究取得若干进展。

1  里程碑式的全球气候变化新协议正式生效

2015年12月12日,《联合国气候变化框架公约》缔约方会议第21次会议(COP21)暨《京都议定书》缔约方会议第11次会议(CMP11)在法国巴黎圆满落幕。《联合国气候变化框架公约》195个缔约方国家一致通过2020年后的全球气候变化新协议——《巴黎协定》(Paris Agreement),这是自1992年达成《联合国气候变化框架公约》、1997年达成《京都议定书》以来,人类社会应对气候变化历史上第3个具有里程碑式的具有法律约束力的协议。2016年10月5日,联合国秘书长潘基文宣布,应对气候变化的《巴黎协定》于2016年11月4日正式生效[1]。从2015年12月制定开始,《巴黎协定》通过不到一年即将生效,是历史上批约生效最快的国际条约之一。

2  2015年多项关键气候指标再创新高

2015年12月30日,世界资源研究所(WRI)发表报告[2],对2015年在人类历史上最显著的气候里程碑事件进行了回顾,包括:①2015年成为创纪录的最热年份。②2015年全球地表平均温度比工业革命前高1 ℃以上。③全球范围内的大气中CO2浓度首次在2015年3月记录到超过400 ppm。据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)声明[3],南极观测站二氧化碳浓度于2016年5月23日首次达到400 ppm。2016年8月,美国气象学会(AMS)发布《2015年气候状态》[4]称,2015年全球温度、大气二氧化碳(CO2)浓度和海平面高度等关键气候指标再次刷新历史记录。8月2日,美国环境保护署(EPA)发布第四版《美国气候变化指标》[5],基于观察的趋势数据剖析了37个气候变化指标,指出气候变化的信号更加强烈和更具说服力。

3  全球增温停滞现象及其原因研究成新热点

多项研究表明近年来的增温停滞是气候自然波动的结果,但同时有研究认为全球增温停滞并未发生。德国马普气象学研究所指出[6]气候变暖已经暂停,加拿大维多利亚大学[7]利用修正的地表数据支持这一论点。英国气象局和埃克塞特大学的研究指出[8],气候变暖暂停期再持续5年的概率高达25%,爱丁堡大学预测停滞现象不会超过10年[9],南安普顿大学[10]预测到2100年全球变暖暂停的现象会消失。美国明尼苏达大学[11]、加州大学[12]、NASA[13]多项研究认为全球变暖减缓的是由于海洋的自然变化引起。中美多项研究指出其因素是气候年代际自然变率[14]-[15],加拿大麦吉尔大学的研究人员利用新的数学分形方法证明了这一结论[16]。而美国斯坦福大学利用新的统计方法检验后对全球增温停滞现象提出质疑[17]

4  人类活动推迟下个冰期的到来

德国波茨坦气候影响研究所(PIK)研究人员通过研究同位素和大气CO2浓度之间的关系[18]表明,太阳辐射和CO2浓度之间的关系是解释地球历史上8个冰川时期的关键标准。这是首次通过量化关键因素来研究历史上的8个冰川时期。研究人员利用地球系统模式模拟大气、海洋、冰川和全球碳循环,分析了人类继续排放二氧化碳对北半球冰川质量产生的影响,结果表明未来人为排放的1000~1500 Gt CO2将使下个冰期推迟至少10万年,人为因素已经成为一项抑制冰期到来的地质力量。

5  年代际的ENSO爆发活动可由混合震荡模式来解释

美国康乃尔大学、夏威夷大学和北卡罗来纳大学的研究人员基于充电震荡理论(recharge oscillator theory),在混合震荡模式(MMO)中分离出两种小振幅震荡(SAO)——振幅单调递增的单调性SAO和振幅先减后增的非单调性SAO,并结合三维动力模式与几何奇异摄动理论(Geometric Singular Perturbation Theory),研究热带太平洋气候系统的概念模型[19]。研究结果表明,系统可以从小振幅震荡爆发成为大振幅事件,即厄尔尼诺小振幅事件缓慢增长,直到达到临界值爆发厄尔尼诺大振幅事件。如同放电过程结束一样,厄尔尼诺大振幅事件迅速结束。放电过程非常强烈,以至于系统回复达到反位相最大值,即发生拉尼娜事件。随后小振幅事件重新发展,直到重新达到临界值循环整个周期。该研究首次深入联系混合震荡模式动力学和厄尔尼诺爆发事件,并成功捕捉ENSO系统信息,指出年代际的厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)爆发活动能够由混合震荡模式(MMO)所解释,并预测ENSO震荡振幅增长的临界点。

6  首次证实气候变化对云分布变化的影响

美国加利福尼亚大学(University of California)斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)、劳伦斯利物莫国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)、科罗拉多州立大学(Colorado State University)的研究人员首次证实了气候变化对地球上云的分布变化的影响[20]。过去30年来,气候变化对云的影响包括中纬度风暴路径向两极移动、副热带干旱地区(南北半球20°~30°之间的地区)扩大、以及云顶高度抬升。云发生变化的主要驱动因素为温室气体浓度的增加以及火山气溶胶引起的辐射冷却。云移动至高纬度地区后,比其在低纬度地区时反射出更少的太阳辐射,从而使地球接收到更多的太阳辐射。同时,较高的云顶高度意味着云体在垂直方向上发展旺盛,将吸收更多的红外辐射或热辐射,防止热量散发至空间。因此,风暴路径向两极移动以及云顶高度抬升都是对气候变化的正反馈,使全球变暖加剧。

7  首次量化气候变暖和陆地生物圈碳吸收能力之间的关系

以澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)科研人员为首的国际科学家小组,利用英国南极调查局(British Antarctic Survey)在20年前采集自南极劳冰穹(Law Dome)冰芯样本中的空气泡,定量研究地球陆地生物圈对温度变化的敏感性[21]。通过研究小冰河期(公元1300—1870年)大气CO2浓度降低的原因,首次量化了气候变暖和陆地生物圈碳吸收能力之间的关系。研究结果表明,在气候变暖的情况下,地球陆地生物圈吸收的碳减少。地球温度每升高1 ℃,陆地生物圈吸收的CO2浓度降低20 ppm.。文章首次验证和量化了陆地、海洋和大气碳循环之间的关系,并指出陆地生物圈储存能力降低导致大气CO2浓度增加,引起地球表面温度升高,导致陆地储存的碳更少,最终形成一种正反馈。

8  发现将CO2转化为烃类燃料的高效催化剂

以二氧化碳和水为原料,可以制造烃类燃料,这一过程可以同时解决能源危机和气候变暖两大全球性问题。但长期以来,囿于二氧化碳的化学惰性,即便使用包括银或其他贵金属在内的多种催化剂触发反应,这一过程的效率也非常低。来自美国伊利诺伊大学(University of Illinois)、韩国忠北国立大学(Chungbuk National University)、美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、新墨西哥大学(University of New Mexico)和路易斯维尔大学(University of Louisville)的研究团队发现了一种纳米结构的过渡金属硫化物(Transition Metal Dichalcogenide)从本质上解决了CO2转化为烃类燃料的催化剂问题[22]。该团队开发出了一款人工仿生叶太阳能装置,以CO2和水为原料,在阳光和微生物的作用下,可进行光化学反应,将CO2转化为烃类燃料。这种新的催化剂实现了经济有效(快1000倍,便宜20倍)地将空气中的二氧化碳直接转变为烃类燃料,或将改变目前太阳能设备效率低、无法大规模应用的局面。

9  重建过去200万年的全球平均温度演变

重建地球过去的气候影响着对气候系统动力和敏感性的理解能力,然而目前只有几个孤立的时间窗口上的全球温度重建,难以确定获得跨冰期的持续性资料。美国斯坦福大学(Stanford University)的科研人员使用源自59个海洋沉积岩心的逾两万个海洋表面温度重建记录,以1000年为间隔,重建了过去200万年的全球平均表面温度[23]。结果表明,全球温度自大约120万年前开始逐渐降低,降温趋势于中更新世气候过渡期开始时停止,时间先于90万年前冰盖范围达到最大。因此,全球变冷可能是气候向中更新世气候过渡期近10万年的冰期转变的一个先决条件。过去80万年以来,极地放大作用(Polar Amplification)随着时间推移一直较为稳定,即极地温度变化幅度比全球温度变化更大,全球温度和大气温室气体浓度与冰川周期紧密耦合。该研究通过温度重建与温室气体辐射强迫的比较,对地球系统的敏感性进行估计后指出,在百万年时间尺度上,大气二氧化碳浓度每增加一倍,全球平均地表温度增加7~13 ℃。结果表明,随着冰川、植被和大气颗粒物继续对全球变暖做出响应,如果稳定在当今的温室气体水平,在未来几千年地球温度将上升3~7 ℃。

10  新方法与新工具的研究取得若干进展

挪威卑尔根大学和英国牛津大学的科学家通过采用中分辨率成像光谱仪(MODIS)获取的时间序列数据,以及气温、水分、云量等3个与植被生产力有关的气候变量数据,建立了一种新型指标——植被敏感度指数(vegetation sensitivity index)来分析过去14年间不同区域对气候变率的敏感性大小,并绘制了全球植被敏感度指数地图[24]。美国哥伦比亚大学、冰岛大学、冰岛雷克雅未克能源公司和英国南安普敦大学等机构的研究人员发现CO2在被注入地下玄武岩层后,可通过自然化学反应转化为固态碳酸盐而被封存[25],这一对环境无害且可以永久封存CO2的新方法避免了泄漏的风险。2016年8月23日,联合国粮食及农业组织(FAO)面向农民、决策者和科学家发布了一个名为“全球畜牧环境评价模型”(Global Livestock Environmental Assessment ModelGLEAM)的创新型互动工具[26],可反映生命周期评估模式下畜牧业生产链上的生物物理过程及活动,帮助计算家畜的温室气体排放量以及肉、奶、蛋的产量。



[1] Landmark Climate Change Agreement to Enter into Force. http://newsroom.unfccc.int/unfccc-newsroom/landmark-climate-change-agreement-to-enter-into-force/

[2] Climate Milestones of 2015: The Good, the Bad and the Signs to Watch. http://www.wri.org/blog/2015/12/climate-milestones-2015-good-bad-and-signs-watch

[3] NOAA. 2016-06-15. South Pole is the last place on Earth to pass a global warming milestone. http://research.noaa.gov/News/NewsArchive/LatestNews/TabId/684/ArtMID/1768/ArticleID/11760/South-Pole-is-the-last-place-on-Earth-to-pass-a-global-warming-milestone.aspx

[4] State of the Climate in 2015. https://www.ametsoc.org/ams/index.cfm/publications/bulletin-of-the-

american-meteorological-society-bams/state-of-the-climate/

[5] Climate Change Indicators in the United States. https://www.epa.gov/newsreleases/epa-report-tracks-our-changing-climate

[6] Marotzke J, Forster P M. Forcing, feedback and internal variability in global temperature trends. Nature,2015,517: 565–570.

[7] John C. Fyfe, Gerald A. Meehl, Matthew H. England et. al.. Making Sense of the Early-2000s Warming Slowdown. Nature Climate Change, 2016, doi:10.1038/nclimate2938

[8] Roberts C D, Palmer M D, McNeall D, et al. Quantifying the Likelihood of a Continued Hiatus in Global Warming. Nature Climate Change, 2015,5: 337-342 .

[9] Schurer A P, Hegerl G C, Obrochta S P. Determining the likelihood of pauses and surges in global warming. Geophysical Research Letters, 2015, 42(14):5974–5982.

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[13] Pacific Sea Level Rise Patterns and Global Surface Temperature Variability. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL069401/abstract

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[15] Trenberth K E. Has there been a hiatus? Science, 2015,349( 6249): 691-692 .

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[23] Snyder Carolyn W. Evolution of Global Temperature Over the Past Two Million Years. Nature, 2016, (538): 226-228.

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[25] Matter Juerg M., Stute Martin, Snæbjörnsdottir Sandra Ó., et al. Rapid Carbon Mineralization for Permanent Disposal of Anthropogenic Carbon Dioxide Emissions. Science, 2016, 352(6291): 1312-1314.

[26] FAO. Sizing Up Livestock Farming’s Carbon Footprint. http://www.fao.org/news/story/en/item/429417/icode/. 2016-08-23


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