海洋与人类的commitment

来源：中科院大气物理研究所

当你和你的爱人伴着婚礼进行曲交换戒指，许下陪伴一生的诺言，在这个时候如果我们预测未来，那么有很大的概率在未来半个世纪，你和你的爱人将携手共同度过，这就是commitment（承诺、保证等意思）。当然，人的社会属性给予了你们反悔的机会，你可以离婚。

今天，小编想和大家聊一聊人类和自然界的commitment：人类过去百年不断排放温室气体，不可逆的改变了大气成分，2018年大气中的二氧化碳（CO2）浓度已经跨过410ppm门槛，远超1850-1990年间280ppm的量。那么，这些已经在大气中的过量的温室气体是否可以对未来有何意义？是否可预测未来的气候变化？这就是全球变化commitment相关研究的核心问题。

地表温度

我们先从地表温度开始说起。

人类和大量各种动植物生活在地表，地表温度变化对人类和社会发展有重要意义，也是目前各种气候变化政策设置的目标变量：比如《巴黎协定》设置的目标是努力把全球平均气温上升幅度控制在2℃以内，并努力实现1.5℃控温目标。那么，我们就想知道地表温度对温室气体的响应如何：给定的温室气体升高何时会造成温度变化、对应多少温度上升？

科学家很久以前就发现，地表温度对温室气体变化响应很快（很快的意思是10年内的尺度），基本是实时的响应。这个实时的响应也很好理解：中午太阳大的时候气温就高、太阳一落山晚上气温就降下来了。原因是大气和陆地比热容比较低，存储不了热量，所以给定外源刺激的情况下气温变化很快。

图1. 地表温度（红色）和海平面变化（绿色）对CO2排放（黑色）的不同响应概念图。CO2不断排放使得大气中累积CO2（蓝色线）。图自IPCC-TAR,2001。

图1为地表温度（红色）和海平面变化（绿色）对CO2排放（黑色）的不同响应概念图。可以看到随着CO2排放高时，温度上升快；排放降低时升温较慢。这导致大气中累积的CO2浓度和地表温度变化有很好的对应关系（蓝色和红色）:当温室气体含量稳定时，温度也维持稳定。

一个更直观的图是图2：地表温度（纵轴）和累积温室气体排放（横轴）的实时对应关系。不要管图里的各种细节，你会发现，二者基本是呈线性关系：大概500Gt的碳排放会对应1℃的平均温度上升。因为这个图是统计二者实时的关系，表示排放500Gt碳，就立刻会使得温度上升1℃。

图2. 地表温度（纵轴）和累积温室气体（CO2）排放（横轴）的关系。黑色为过去百年观测数据，不同颜色的线和圈表示基于气候模型在不同未来温室气体排放情景（不同RCP）下二者的关系。温度单位是摄氏度（oC），温度气体累积排放单位为（GtC：109吨碳，横轴）图自IPCC-AR5决策者摘要。

上述“实时响应”导致的一个基本的事实是：过去的排放决定了过去的温度上升：自工业革命以来的大气温室气体排放使得过去气温不断攀升，累积到现在就使得现在的气温达到了1℃的升温（IPCC1.5℃特别报告）。所以，现在达1℃的升温“罪魁祸首”主要是发达国家，因为他们过去的排放最多。

而“实时响应”的另一个基本的事实是：未来的温度变化就主要取决于未来的排放，所以未来要达到《巴黎协定》设置的目标：最多只能再升温1℃，就必须要求最多只能再有大概1000GtC的碳排放。所以，《巴黎协定》已经限定了未来人类能够用掉多少化石燃料，排放多少碳！换句话说，《巴黎协定》已经限定了未来人类基于化石燃料的经济发展量，这也是为什么人们一般都说气候变化问题到最后都会变成社会经济问题。

虽然控制了未来总的温室气体排放量,但人类可以控制什么时候完成给定额度的碳排放：我们可以尽快开始减排，然后缓慢减排（图3蓝色线），只要本世纪累积排放不超过约1000GtC的碳就好。我们也可以维持现在的发展和高温室气体排放，到某一个时间迅速减排（图3红色线），也可保障本世纪总的碳排放不超过1000GtC。

这就是科学家们提出的不同的未来社会经济发展路径，但如何实现、哪些方式最佳依然需要社会经济学家研究。但迅速的减排对应的是社会经济的非常快速的转型，这几乎是不可以实现的。

科学上有一个概念叫做社会惯性（social inertia），社会变化一定是要缓慢和渐进的:你能想象明年让所有的工厂全部关掉吗? 想象明年让所有的燃油车全部变成电车吗？这是不现实的。

图3. 为了达到2℃控温目标，人类未来可行的的二氧化碳排放路径（不同颜色的线）。图自Robbie Andrew，调整自政府间气候变化专门委员会 1.5度特别报告。

综上，由于地表温度的实时的响应，使得其几乎不存在commitment：未来的变化只取决于未来的排放。但是，过去的变化已经导致了现在1度的升温，这是另一个概念，叫做“不可逆性”，人类已经通过改变大气成分，不可逆改变了地球的物理属性。

海洋

海洋又是另外一个故事：海洋因为其比热容比较大、且体积很大，其对外源强迫的响应是“滞后和缓慢的”。一个简单的例子是：夏天海边的城市气候比内陆城市舒爽的多，如果你想去海边游泳，最好的时间是在夏天结束和秋天开始的时候，海温的最高峰要比气温要滞后一些。这就是因为海洋对外部强迫的“滞后响应”的缘故。

再回过头看图1的概念图，随着CO2排放停止，地表温度维持稳定，然而海平面依然在不断上升。这一方面是由于海洋温度的滞后响应，使得未来海洋温度的变化依然受到过去温室气体排放的影响；另一方面是两极冰盖等对温室气体的响应也是存在滞后，使得未来冰盖的融化也受到过去温室气体排放的影响。

因为“滞后响应”，一个悲伤的事实是：就算现在人类社会现在实现零碳排放，未来海洋依然会持续变暖、海平面会持续上升。

这是真正的commitment：人类排放温室气体，海洋反馈给我们一个世纪的“诺言”，海洋将至少在本世纪不断变暖、海平面不断上升。这种持续变化的时间尺度在几个到十几个世纪之间，也即是说“短期内不允许离婚”。

图4.过去（1955年至今）和未来预估（2018-2100年）海洋热含量变化（海洋上层2000米海水温度的累积变化）。给出了2个温室气体排放情景下的未来海洋变暖预估：RCP2.6为可能达到《巴黎协定》的2度控温目标（紫色，66%几率达到2度控温目标）；RCP8.6为维持高温室气体排放（红色）。图自Chenget al. 2019。

图4为未来预估的海洋温度变化，紫色是人类如果达到《巴黎协定》的2℃控温目标下海洋温度的变化（即RCP2.6情景，Cheng et al. 2019）。可以看到，就算地表温度控制在2℃内，海洋温度依然不断攀升，21世纪海洋变暖的总量将是过去60年的3倍。

而如果人类不加控制，维持高温室气体排放（即RCP8.5），过去和未来的温室气体共同作用在海洋，21世纪海洋变暖总量将是过去60年的6倍！悲伤的是：最近几年的温室气体排放基本是是沿着RCP8.5的路径走的。

预估的未来的海平面变化在图5：海平面在未来也将持续上升，相对于现在的水平，RCP2.6情景下2100年平均海平面将上升0.45米，RCP8.5情景下2100年平均海平面将上升0.75米。海平面上升一个原因是海水变暖膨胀，另一个原因是冰川融化使得海洋水量增多。

未来冰川融化预估不确定性更强，因为其变化不是线性的，可能存在突变：一个简答的例子是如果冰雪附近温度低于0℃，其处于冰冻状态；一旦跨过0℃，将会融化。因此，0℃就是冰雪融化一个非线性的“突变点”（tippingpoint）。

人类对海洋和冰雪圈的“突变点”目前还知之甚少，不知道未来是否、或何时会达到这么一些点，使得全球气候系统发生质的突变。

图5.未来预估（2010-2100）海平面变化。给出了2个温室气体排放情景下的预估（RCP2.6：蓝色；RCP8.5：红色）。图自IPCC-AR5决策者摘要。

海洋的“commitment”导致很难把海洋的变化当做制定政策的指标，因为不管何种政策，海洋会在21世纪持续变化、海平面持续上升，这就显得过于悲观:不管人类做什么都于事无补。这就是为什么《巴黎协定》等将控制气温作为政策指标的原因。还记得在2000-2010年的时候，包括Nature在内的很多平台都在讨论到底用什么当政策指标比较好，有人提出了用海洋热含量，但主要反对意见就是海洋对过去排放的“commitment”，因此是一个不甚清晰的指标。著名的气候变化博客Real Climate当时专门写了一个小文（虽然一些讨论我现在不赞同）。

综上,由于过去的温室气体排放,海洋和人类已经许下”承诺”,且不可能”离婚”! 谁的责任? 所有人的责任！！给人类的警示是：《巴黎协定》目标只是气候变化的一个侧面（就已经那么难实现了~），就算达到《巴黎协定》控温目标，全球变暖的影响和风险依然在持续，人类已经处于需要不断适应气候变化的“人类世”！大幕已经拉开！你准备好了吗？你为你的下一代准备好了吗？

注：commitment在全球变化中有不同的含义，不同的温室气体均有不同的commitment（参考IPCC-1.5℃报告第一章1.2.4）；各个国家对未来减排的计划等也称作commitment。本文只讲commitment的其中一个含义。