北极气温升高以及北极甲烷气体释放

陆龙骅

（中国气象科学研究院）

 

北极在地球的最北端。北极地区是一片被大陆包围的冰雪海洋，通常指北极圈（66 33′N）以北地区，包括北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿。它与南极地区一样，大部分地区终年为冰雪所覆盖,自然环境恶劣、气候寒冷、暴风雪频繁，是地球上气候敏感地区之一。我国位于北半球，人们对寒潮和冷空气活动都有亲身体验；对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关，来自北极的影响较南极更为直接。
北极和南极一样，包含了大气、海洋、陆地、冰雪和生物等多圈层相互作用的全部过程，是研究全球气候变化的关键地区。在全球变化，尤其是全球及区域气候变化中有重要作用。对北极的研究不仅有深远的政治意义、重大科学价值，而且具有潜在的经济和社会效益。
一、 北极气候增暖与全球变暖
近百年来，随着全球温度的升高，全球变暖成了世界各国科学家、政府和人民普遍关心的热点问题。最新的科学研究成果表明，1906-2005年全球平均气温上升了0.74 ,预计到2100年仍将上升1.1-6.4 。
全球变暖并不是全球一致的，近30年来北极地区是全球增暖最显著的区域。近100 年来，北极平均温度几乎以两倍于全球平均速率的速度升高（图1）。不过，北极温度具有很高的变率，在不同时段，变化的情况也不同。如，在1925 至1945 年期间也观测到一个较长的暖期（图1、2），该时段内北极变暖的幅度几乎和现在一样(IPCC,2007)。但是由于此次变暖范围不是全球性的，主要出现在北半球，所以增温区的地理分布和近年来的全球增暖不一样。 图1 近百年来观测到的全球温度变化

图2 近百年来北极和全球的平均温度变化
（纵坐标为相对于1800-2000年平均值的距平）
20世纪中国气候变化趋势与全球变暖的总趋势基本一致。近百年来观测到的平均气温已经上升了0.5 ～0.8 ，略高于全球平均，其中最暖的时期出现在20世纪90年代，最明显的地区是西北、华北和东北，长江以南地区变暖趋势不明显。与北极地区相同，我国在1925 至1945 年期间也观测到一个较长的暖期（图3）。预计到2100年，全国平均气温将升高3.9 ～6.0 。 图3 近百年来我国和全球的平均温度变化

二、北极地区的急剧变化：尤娜谜
北极是全球气候变化最激烈的地区之一，其对全球变化的响应和影响主要体现在海洋、海冰和环流的变异。最近几十年北极地区发生了被称之为尤娜谜（Unaami）的近400年来最快速的变化（图4），引起全球科学家的关注。
“尤娜谜”这一词在北极因纽特（yup'ik）语中的意思为“明天”。将北极气候环境的快速变化称之为“明天”有“不可预知”、“不可控制”、和“谜一样的明天”之意；正如当初用西班牙语言“圣婴”（El Nino）来命名南美西海岸东太平洋海水的异常增暖现象一样，引起了人们的广泛注意。
科学家将“尤娜谜”界定为:近期正在发生的十年尺度(30～50 年) 的，与北极及邻近地区错综复杂的环境变化有关的综合现象。这些变化主要表现为： 图4 北极气候环境的快速变化
1、海冰范围每10年减小2.9%，厚度减少3-5%；
 2、北极陆地许多地区升温显著，最高升温达5 ；
 3、格陵兰冰盖在中心区边缘区以每年50km3速度融化；
 4、海冰和低盐度水输出增加，高密度水输出减少；
 5、冻土覆盖面积减少了7-15%、冻土消融,冻土带北移，春季欧亚雪盖减小10%，
 6、径流、雨量、融雪增加，海水盐度降低，海冰以及低盐度海水输出量明显增加；
 7、海水增温，大西洋水入流范围扩大，部分海域中层水温度增高1 ；
 8、北极气压下降，极涡加强，热量、湿度经向通量增加；
通常认为，“尤娜谜”与北极大气环流有关，是气候变化的组成部分，它通过海洋、陆地、海冰和大气的相互作用在气候变化中扮演重要角色，它的物理变化对北极的生态系统与人类社会产生很大的影响。

三、北极变化对生态系统和人类社会的影响
极地环境的变化跟地球其它区域的变化息息相关。北极地区是全球增暖最显著的区域，北极对增暖反应非常敏感，可能将对人类社会产生巨大影响。数值模式结果表明：北半球增暖最强的将是北冰洋地区。假如到2070年，CO2浓度增加1倍，北极圈内气温将平均上升2.2～3.9 。到2100年，多年厚度为2～3米的多年生北极海冰将会消失。近几十年来发生在北极地区大气、海洋、陆地领域中的各种重要的环境变化, 对北极环境的各个方面产生影响, 并正在影响生态系统、生物资源并反馈到人类社会, 进而影响区域的乃至北半球的经济活动。
海冰、海洋变化影响海洋生态和基本营养盐、溶解有机物的生物地球化学循环，对生物、生态系统和社会经济产生重要影响。北极海冰的不断消退，使海冰之间的水域逐渐扩大，给北极熊、海豹、海象等北极动物的栖息地带来很大的威胁。
永冻土也是冰的一种形式，极地永久冻土发生的热力状况的改变和冻土的消融，不仅改变了当地的生态和水文，也使得土壤的结构稳定性发生改变，在此过程中，也会释放出一部分冷冻的碳，例如，甲烷等温室气体。多年冻土层热力状况的变化会影响江河径流、供水、碳交换和景观稳定，并会对基础设施造成损坏。在北极圈内永冻土开始消融，导致一些建筑物、道路和管道的基础开始松动，对当地的野生动物和居民都有不同程度的影响。
极地的改变，发生在有着4百万居民生活的北极地区。当地居民正面临着自然环境、资源和食物的急剧变化，变化的速度和幅度都是超过以往经验和传统知识的。除此之外，北极居民还要面对由于大气和海洋的搬运作用，从全球各地输送和汇集到这里的污染物对他们健康产生的威胁；气候快速变化，对健康产生的一些未知的风险；快速发展的工业、极地能源资源的开采以及交通商业活动等等对他们生活的重重压力。冰雪的变化也影响了局地和全球的水循环。雪和积雪的减少，导致那些依靠雪水在春夏季进行农业灌溉的地区大受影响。
极地气候和大气环境变化对全球大气环流，特别是我国天气气候也会发生影响。我国位于北半球，北极冷空气对我国的影响早为人熟知，对我国造成灾害的旱、涝、风、雹等天气气候事件也大多与冷、暖空气及其活动异常有关。北极区域是我国冷空气的主要源地，来自北极地区的寒流，一般是经西北部、北部和东部三条路径进入我国境内；冷空气路径不同,对我国天气的影响也不同。例如，2008年春季，中国南方低温雨雪冰冻天气灾害，就与冷空气活动频繁、路径偏西，及青藏高原南侧和西太平洋的暖湿空气活跃等有关。
北极地区战略地位特殊、资源潜力大，北冰洋海底蕴藏着巨大的油气和矿产资源，那里还有巨大的鱼群以及具有战略意义的重要航运通道。按目前北极海冰缩减速度，北冰洋的 “西北航道”和“东北航道”有望在2030年完全开通，北冰洋航道将成为北美洲、北欧地区和东北亚国家之间最快捷的黄金通道。在全球变暖环境下，北极气候系统各圈层的急剧变化及2007年8月俄罗斯在北极海底的插旗行动，近一步加速了美、俄等环北极国家对北极的争夺。这场争夺战有巨大的政治、经济和军事利益，得到了世界各国的共同关心。

四、北极变化与甲烷气体释放
当前，地球气候正经历一次以全球气候变暖为主要特征的显著变化，这种变化是由自然的气候波动和人类活动共同引起的。但近百年来全球平均温度的升高，很可能是由于人为温室气体浓度增加所致；过去50年，各大陆（南极洲除外）可能出现了显著的人为变暖。
大气是人类和地球生物不可缺少的生存环境。在自然状态下，大气是由混合气体、水汽和杂质组成(水汽量变化很大,典型的体积比为1%)；除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。 干洁空气的主要成分为78.1%的氮，20.9%的氧，0.93%的氩。这三种气体占总 量的99.96%，其它各项气体含量计不到0.1%，这些微量气体包括氖、氦、氪、氙等稀有气体。至少在80 km以下的均质层，大气是充分混合的，上述气体的含量几乎可认为是不变化的，称为恒定组分。
在干洁空气的易变成分中，有一些被称为温室气体的气体。这是一些大气中自然或人为产生的气体成分，虽它们在大气中的含量极少，大部分被称为痕量气体；温室气体能像温室玻璃或塑料大棚的薄膜一样，透过太阳短波辐射和吸收地面长波辐射，这就像给地球裹了一条被子，起到了保温作用，从而使地球变暖（图5）。
图5 地球大气的温室效应
在《京都议定书》中的规定的，与人类活动有关的温室气体主要有六种，即二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、氢氟碳化物（CFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF₆）等。在工业化时代，所有这些气体在大气中都有明显增加。除干洁空气中的温室气体外，大气中的水汽和臭氧也是温室气体，但由于水汽和臭氧在不同时间和地点变化很大，且水汽在大气中的变化并不直接受人类活动影响，因此，人们在讨论温室效应时一般不讨论它们。
自工业化时代以来，人类活动引起了全球温室气体排放增加，其中在1970-2004年期间就增加了70%。通常认为，工业革命之来大气中二氧化碳浓度的增加是导致近百年了全球变暖的元凶(表1）。二氧化碳是一种可以自然生成的气体,主要由化石燃料(如:石油、天然气和煤)和生物燃料燃烧、以及土地利用变化和其它工业流程所产生的，是影响地球系统的主要人为温室气体，对全球升温的贡献达63 %。目前大气中二氧化碳浓度，已从工业革命前的280ppm增加到2005年的379ppm（10^-6，百万分体积比），是地球历史上65万年以来的最高值，过去十年中大气二氧化碳浓度以每年1.8ppm 的速度增长。大气中二氧化碳浓度急剧增加的原因，主要是由于大量燃烧化石燃料和大量砍伐森林等导致土地利用变化所造成的。其中，化石燃料燃烧产生二氧化碳的年排放量，从20世纪90年代的平均每年64亿吨碳（235亿吨二氧化碳），增加到2000-2005年间的每年72亿吨碳（264亿吨二氧化碳）；与土地利用变化相关的二氧化碳的年排放量的估计值，在20世纪90年代为16亿吨碳（59亿吨二氧化碳）。

温室气体		当前浓度 （ppm 10-6）	生命期(年)	增温效应（以二氧化碳为基准）	在温室气体中对升温的贡献
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 主要温室气体的当前浓度、生命期、增温效应和对升温的贡献
（据政府间气候变化专门委员会评估报告，气候变化-2007）

甲烷在温室气体中名列第二，目前已从工业化前的0.715ppm增加到2005年的1.774ppm, 一个甲烷分子的温室效应是一个二氧化碳分子的25倍。
甲烷是大气中含量丰富的有机化合物，它是天然气、沼气和煤气的主要成分；甲烷不可能在大气中通过化学反应自行合成，而是来源于地面。据估计每年进入大气中的甲烷总量为4-6亿吨，其中大多与人类的活动有关。与甲烷释放有关的人为源包括：天然气泄漏，石油、煤矿开采及其它生产活动，热带生物质燃烧，反刍动物排放，城市垃圾处理场，稻田排放等；自然源包括：天然沼泽、湿地，河流湖泊、海洋，热带森林，北极苔原等。甲烷的生物排放是大气甲烷的主要来源。在生态系统中产生甲烷必须具备三个条件：一是存在厌氧环境，如人工沼气池必须密封性好，通风、漏气的沼气池产生不了沼气；二是存在有机物和水分；三是适合发酵菌和产甲烷微生物生存和繁殖的恰当的温度。
在20世纪90年代，大气中的甲烷总排放量（人为与自然排放源的总和）已趋于稳定，大气中的甲烷浓度不处于增长状态。而目前，北极上空的甲烷浓度在经过长达10年的稳定状态之后，现在开始呈现上升态势。在北极斯瓦尔巴群岛新奥尔松地区，也就是我国北极黄河站所在地，齐柏林大气监测站（图6）的数据表明：大气中的甲烷含量，继2007年增加了0.6%之后，2008年再度增长0.6%。这引起了社会各界对大量甲烷可能从永久冻土带中逃逸的担忧。
在北极冰冻圈中，封存了大量的碳，其中既有元素碳、有机碳，也有固态的天然气水合物（甲烷冰，可燃冰）和气态的天然气（石油天然气、煤层和泥碳层等）。北极气温升高，更有利于发酵菌和产甲烷微生物生存和繁殖；加之北极冻土消融、海冰融化带来的北极地区天然沼泽、湿地面积增加；北极苔原冰冻时间缩短；河流湖泊、海洋无冰面积增加等也都导致了北极地区甲烷气体释放的增加。此外，北极变暖加速了石油、煤矿开采，北极航道开通及其它生产活动，也会增加了甲烷气体的释放。
甲烷是除二氧化碳之外的第二大温室气体，人类活动造成的温室效应大约有18%要归结于甲烷。西伯利亚或者加拿大等地的永久冻结带一旦解冻，可能导致存储其中的温室气体大量释放，进而加速全球变暖。 图6 挪威齐柏林（Zeppeling）大气监测站
二氧化碳和甲烷是温室气体的主要成员，它们在温室气体中对升温的贡献达81%。此外，在《京都议定书》中的规定