如果我们现在削减所有排放，预计到2500年前全球变暖3摄氏度

几十年来，人们一直在讨论不返回点的风险，这种风险一旦被超越，就会把世界锁定在新的动态中。最近，有人警告说，其中一些临界点正在逼近，危险程度不容忽视。在这篇文章中，我们报告说，在ESCIMO气候模型中，全球变暖已经过了不归路。在ESCIMO，我们观察到了数百年来永久冻土的自我持续融化，即使全球社会立即停止了所有人为温室气体的排放。我们鼓励其他模型建造者在他们的(更大的)模型中探索我们的发现，并报告他们的发现。融化(在ESCIMO)是全球气温持续自我上升的结果。这种变暖是三个物理过程的综合结果：(1)地表反照率下降(由北极冰盖融化驱动)，(2)大气中水蒸气含量增加(由更高的温度驱动)，(3)大气中温室气体浓度的变化(由生物质和海洋中二氧化碳的吸收以及永久冻土融化产生的碳(CH4和CO2)排放驱动)。在没有进一步温室气体排放的意义上，这种自我维持的融化过程(在ESCIMO中)是一个因果决定的物理过程，随着时间的推移而演变。它始于20世纪50年代之前的人为变暖，导致大气中水蒸气的数量增加-进一步升高气温，导致融化的永久冻土释放越来越多的碳，同时随着冰雪覆盖的融化，地表反照率下降。为了阻止ESCIMO的自我持续变暖，必须从大气中提取大量的二氧化碳。

气候系统中出现不归点的可能性已经讨论了20年1、2、3年了。不归点可以被视为一个门槛，一旦超过这个门槛，就会从根本上改变气候系统的动态。例如，通过引发不可逆转的过程，如永久冻土融化、热带雨林干燥或地表水酸化。最近，Lenton et al.。4总结了全球形势，并警告说，门槛可能比人们普遍认为的更接近。

这篇文章的目的是要报告，我们已经在我们的气候模型ESCIMO中发现了一个不返回点--而且它已经过去了。ESCIMO是一个“降低复杂性的地球系统”气候模型5，我们从1850年运行到2500年。在ESCIMO，无论人类削减人为温室气体(GHG)排放的速度有多快，全球气温都将持续上升到2500甚至更高。原因是永久冻土自我持续融化的循环(由甲烷释放引起)，较低的地表反照率(由冰雪融化引起)和较高的大气湿度(由较高的温度引起)。这一周期似乎是由全球变暖引发的，全球变暖仅比工业化前的水平高出0.5摄氏度( + )。

在不同的人为温室气体排放假设下，我们利用ESCIMO模拟了1850-2500年间全球气候系统的发展。ESCIMO是一个系统动力学模型，包括表示世界大气、海洋、森林(和其他陆地类型)、生物量以及它们之间的相互作用。这里描述的是5.源代码和文档可以在网上找到6.。

在这里报道的第一个模拟“情景1”中，我们假设人类到2100年将人为温室气体排放量减少到零。在第二个模拟“情景2”中，我们假设减排速度要快得多--2020年降至零。在这两种情况下，人为排放此后都保持为零。

结果如图1所示。在这两种情况下，全球气温在本世纪随着人为排放量的下降而暂时下降后，数百年来一直在上升--到2500年达到 + 3摄氏度左右(图1c)。海平面在2500年单调上升到 + 3米左右(图1e)。

人为温室气体(GHG)排放量(A)、全球平均地表温度(C)、海平面上升(E)以及1900年至2500年间永久冻土中碳的累积释放(G)，由ESCIMO产生。还显示了大气中CO2(B)、CH4(D)、H2O(F)和地表反照率(H)的浓度。黑色实心曲线显示了情景1，其中人为温室气体排放在2100年之前被逐步淘汰。黑色虚线显示了情景2，在2020年，人为温室气体排放量将减少到零。在这两种情况下，在所有人为排放停止后，全球气温在数百年内持续上升。

情景1描述了当我们假设人为排放在本世纪30年代达到峰值，并在2100年下降到零的结果(见图1，实线)。这是这里描述的“最有可能”的场景7。

模拟的历史部分(1850-2015)以及随后的60年(2015-2075年)是直观和可理解的。人为温室气体排放量的增加导致大气中温室气体浓度的增加(图1b，d)。这反过来又会导致全球平均地表温度上升，因为温室气体分子阻挡了从地表传出的长波(热)辐射。由于H2O是一种强烈的温室气体，阻碍了其他频率，因此在较温暖的大气中积累的水蒸气的数量增加，加剧了气候变暖(图1f)。由于热膨胀和冰川径流，气候变暖导致海平面上升。2150年后，地表反照率开始缓慢而平稳地下降，因为冰雪覆盖融化，使地球变得更暗，并导致地表吸收更多短波辐射(图1h)，这一点很难探测到，但对2150年以后的年份意义重大。

在情景1中，温度在2075年左右通过一个临时峰值，温度比工业化前高出2.3C的 + 。然后气温下降75年(2075年至2150年)至 + 2°C，原因有两个：(A)大气中温室气体的浓度下降，(B)热量被用来融化陆地冰川和北极冰。

此外，二氧化碳浓度通过两个过程下降(从2050年的历史峰值450ppm)：(A)二氧化碳逐渐被海洋表面吸收(后来被输送到深海)，以及(B)二氧化碳逐渐被生物圈吸收。(B)二氧化碳浓度下降(从2050年的历史峰值450ppm)通过两个过程：(A)二氧化碳在海洋表面逐渐被吸收(后来被输送到深海)；(B)二氧化碳在生物圈逐渐被吸收。大气中的二氧化碳通过光合作用转化为生物物质和土壤中的生物量，转换速度由大气中的温度和二氧化碳含量决定。到2150年，在ESCIMO情景1中，所有陆地上的冰雪都消失了(格陵兰岛和南极洲除外，它们需要数千年才能融化)。

虽然2150的发展是可以理解的，但ESCIMO在2150以后的发展更令人惊讶(与直觉相反)。如图1所示，气温再次开始上升。令人惊讶的事实是，这种上升发生在人为排放停止50年后，也是在大气中的二氧化碳浓度通过海洋和生物量的吸收显著降低之后。

(在ESCIMO中)解释如下。虽然温室气体浓度--以及它们的作用力--从2070年下降到2150年，但地表反照率的影响在这段时间里一直在平稳上升。它的时间发展比温室气体要慢得多。这主要是北极冰川融化的结果--但它有足够的“动能”将气候系统推回到气温上升的轨道上，它的次要影响是增加湿度和永久冻土融化，进而帮助气候系统变得越来越温暖，即使人为的温室气体排放为零。建立了一个自我强化过程的循环。参见图2a。

(A)在情景1中，水蒸气、CO2、CH4、其他温室气体和地表反照率对全球变暖(“能量辐射捕获”)的贡献。在情景1之后，主要驱动力是水蒸气和CO2，反照率次之。甲烷的贡献要小得多，而蒙特利尔和京都的其他气体仍然是永久冻土自我持续变暖和融化的第四大驱动因素。(B)情景1中水蒸气在全球变暖中的相对重要性。2150年后，水蒸气的影响与所有其他温室气体的总和大致相同。从历史上看，从1850年到2000年，ESCIMO基础运行中的比率很好地落在CESS、Rind、Hansen和Ramanathan以及Inamdar早先引用的不确定范围内。

这个循环包括减少地表反照率，增加水汽反馈，增加永冻层的融化，释放碳(以CH4和CO2的形式)，导致温度进一步上升，等等。在像ESCIMO这样的高度耦合的反馈模型中，重要的是一系列事件，这些事件本身就在逼近。即使不再排放更多的人造温室气体，这种循环/链也会自行继续。这个过程是自给自足的，至少在所有的碳从永久冻土中释放出来，所有的冰都融化之前是这样。

情景2(见图1，虚线曲线)是为了检查人类是否可以通过比情景1更早地减少人为温室气体排放来避免海洋反照率下降、水蒸气反馈增加和永冻土融化这一自我维持的环境链带来的持续变暖。答案是否定的。图1(虚线)显示，即使所有人为温室气体排放在2020年(不切实际地)减至零，气温在2150年后又开始上升--这是反照率降低、永久冻土融化和水蒸气反馈增加的自我维持过程循环的结果。

在情景1和情景2中，意想不到的结果是，在人为温室气体排放量降至零之后，全球气温在几个世纪内持续上升。乍一看，更令人惊讶的是，在大气中的二氧化碳浓度通过深海、生物质和土壤的吸收回落到工业化前的水平后，气温一直在上升。

在这两种情况下，(在ESCIMO中)的解释都在于反照率、融化的永久冻土中的碳(以CH4和CO2的形式)以及暖空气中的水蒸气的共同作用--它们共同确保了即使二氧化碳浓度下降，温度也保持在较高水平。一些附加评论有助于解释：

随着气温升高，冰雪融化，地球变得更加黑暗。例如，在2070年至230年期间，平均海洋反照率(按ESCIMO计算)从0.080下降到0.067，表面反照率从0.127下降到0.117，见补编图15。因此，吸收了更多的短波辐射。在ESCIMO约1.7Wm的−2-这足以触发和推动微妙平衡的全球气候系统的重大变化。

大气中存在水蒸气是因为蒸发量和大气降水之间的平衡，蒸发量随着温度的升高而增加，大气的降水量也随着温度的升高而增加。由于二氧化碳或其他温室气体，大气中不存在H2O。这意味着，只要温度保持足够高，当二氧化碳浓度回落到工业化前的水平时，水蒸气及其变暖效应就不会消失。

温室气体、反照率和水汽对地球能量平衡影响的比较。

反照率、水蒸气和永久冻土中碳的释放随着时间的推移的相对重要性可以用每个因素的“辐射强迫”来说明。估算辐射强迫的方法有两种，一种是使用针对温室气体的IPCC 8公式，另一种是从返回空间的长波辐射(LW-TOA)的变化中推导出辐射强迫。至少从历史上看，第一种方法对CO2、CH4、N2O和其他温室气体很有效(我们给出了使用附录图16中的IPCC公式计算ESCIMO温室气体辐射强迫的结果)，但不适用于水蒸气和反照率等气候反馈。对于水蒸气，通常不使用“辐射强迫”(IPCC 8，PG.。666)，因为它修改了其他强迫因素(Ramanathan和Inamdar 9，PG.。121)。相反，使用包括H2O和反照率在内的温室气体吸收热辐射的有效性来评估它们的“辐射强迫”是一个可以接受的替代方法。汉森等人使用了这种方法。10、Rind 11和Ramanathan以及Inamdar 9，他们建立在CESS 12概念工作的基础上。

图2a比较了定义为Ga的“辐射强迫”，即归一化为1850的LWToA晴空辐射和LW多云Toa辐射之间的差异(详情见Rind 11，PG)。二氧化碳、甲烷、其他温室气体、水汽和地表反照率。“Ga = 146Wm−2和K−1的观测值；云层使该值增加了约33 Wm−2和K−1(拉瓦尔和拉马纳坦13)。”1995年ESCIMO的数值是G a = 148wm−2至K−1；云层将数值增加约30wm−2至K−1。

地表反照率影响地表的西南辐射平衡。因此，为了估计地表反照率的“辐射强迫”，我们遵循与水蒸气类似的逻辑：我们将时间t的地表的西南反射与时间1850的地表的西南反射进行比较。地面反照率如补充图15所示。ESCIMO的陆地反照率在历史时期略有上升，重现了IPCC报告的负LUC“强迫”。由于北极冰的融化，ESCIMO的海洋反照率下降。

反照率下降导致地表吸收的短波辐射量增加。ESCIMO基础运行中的“三角洲反照率辐射强迫”如图2a虚线所示。在数字上，它从2070年的0.8Wm−2上升到2300年的2.6Wm−2，增加了1.7Wm−2。

因此，反照率的下降是2150年后永久冻土恢复自我持续融化的触发因素，这在现实世界中是有帮助的，而在ESCIMO中，则是水蒸气以及随后融化的永久冻土中碳的持续释放。

我们已经将ESCIMO与其他模型进行了比较，特别关注驱动永久冻土自我维持融化的假设。在ESCIMO中，我们假设永久冻土融化是热量从大气转移到冻土的结果。我们假定热传递速率与空气和冻土之间的温差成正比。此外，我们假设，一旦植物开始在以前的冻土上定居，经过一段时间的延迟，最终形成的冻土带将开始通过光合作用吸收二氧化碳。吸收速率取决于温度和大气中二氧化碳的浓度(二氧化碳促进植物生长)。不用说，ESCIMO中包含的原因机制是非常综合的，远远不能详细描述真正的永久冻土中复杂的融化过程。

为了检验我们的假设是否导致合理的结果，我们将ESCIMO的输出与其他模型的输出进行了比较，正如McGuire等人所报道的那样。14.比较暂停，因为场景1中的温度路径与其他模型使用的RCP4.5场景中的路径不同。我们发现，到2300年，ESCIMO情景1会产生200万平方公里的永久冻土融化，而其他模型的融化面积为3-5平方公里。到2300年，ESCIMO情景1累计释放1750亿吨碳(GTC)，全部来自融化的永久冻土，而在其他模型中，这一数字为正66-70。可悲的是，ESCIMO没有足够的地区性来生成在以前冻结的地面上形成的植被中吸收的碳的数量(在其他模型中是8-244GTC)。ESCIMO只给出了所有冻土带吸收的额外碳的数字，在ESCIMO中，这些数字与之前冻结的新旧冻土没有一对一的重叠，以前的冻土是200GTC。这种吸收是由于苔原生物体在高CO2浓度期间碳吸收增加而加速了腐殖质的形成。与其他模型的比较似乎表明，情景1中的ESCIMO比其他模型释放更多的碳，但这是否因为2100年以后几个世纪的RCP4.5情景与情景1不同，还需要进一步的研究才能确定。

我们进行了常规的敏感性分析，以验证永久冻土的自我持续融化在ESCIMO中是一个稳健的现象-换句话说，我们检查了全球平均气温的持续上升并不取决于对决定模式系统中各种过程强度的参数值的非常具体的选择。在ESCIMO中有许多(约100)这样的参数。它们都有独立的物理意义，每个都根据文献中的信息得到一个数值。为了进行敏感性分析，我们首先从模型中随机选取了14个不确定参数。接下来，我们独立地对随机均匀分布中的所有14个参数进行了抽样，这些参数的范围是正负10%，在200次灵敏度测试中的标准值附近。

图3显示了情景1(A)和情景2(B)的结果。灰色带包括200次运行中的75%，这是ESCIMO的中心变量，即相对于1850的气温升高。

在情景1和情景2中，全球平均气温对ESCIMO参数值变化的敏感性。从模式中随机选择的14个不确定参数的敏感性分析。使用拉丁超立方体抽样从随机均匀分布中独立抽样，范围在其标准值周围正负10%左右，进行200次灵敏度测试。有关参数，请参阅补充表1。左边的图表显示了情景1，其中人为温室气体排放在2100年之前被逐步淘汰。右边的图表显示了情景2，到2020年，人为温室气体排放量将减少到零。参数的变化确实改变了绝对值，但并不能消除永久冻土自我维持融化的广泛模式。阴影区域中心的粗曲线是200个跑道的平均值。阴影区域覆盖了所有跑道的75%。

我们的结论是，参数的变化对ESCIMO未来气温的绝对水平有很大的影响。但更重要的是，图3显示，参数值的适度变化并不能消除永久冻土的自我维持融化。敏感性试验对五种添加剂的影响

当然，改变参数以消除永久冻土的自持融化是很简单的，特别是如果这些改变发生在我们已经知道的ESCIMO最敏感的部分，即描述水蒸气、反照率和云层的方程。但更重要的是，要找到这样做的参数组合，同时仍能像ESCIMO中设定的标准参数那样，重建从1850年到2015年的观测历史，并不是一件简单的事情。

我们还做了进一步的敏感性分析，参数对多年冻土融化的研究具有特殊的相关性，如下所述。

为了研究冻土自持融化的稳健性，我们做了进一步的参数变化实验。我们选择改变对ESCIMO中的自我维持熔化过程有重大影响的三个参数。在图4中，我们展示了改变这三个参数的效果。我们的结论是，这对多年冻土融化的绝对速率有显著影响，但持续升温的模式依然存在。

全球经济的敏感度。

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