寒流襲港與全球暖化

這文章是兩年前我還在唸研究院時寫的（2016年1月31日），正值寒流侵襲香港的一點反思。

本文初稿原命名為《正值香港寒流侵襲有感》，在 Facebook 分享過後收到不少朋友寶貴意見，經過仔細修改後，重新命名為《寒流襲港與全球暖化》，為了使討論更集中，把原文的反思部分放到後記部份。

元旦時，香港的朋友跟我說起，今年冬季像春天般大霧毛毛雨，感覺怪怪的。我就笑說：提起天氣異常，大概人人都會怪罪今年特別厲害的 El Niño。朋友反問：不是大家都會歸咎於全球暖化嗎？

香港在一月受寒流侵襲時，不少科普文章提到當時正值 Arctic Oscillation 負位相 (AO–)，亦有朋友問到這跟全球暖化有沒有關係。

我們已可確認早在 1980 年開始（甚至更早，見下圖），過量的溫室氣體排放，是地球的平均溫度一直上升的主要原因。那麼，我們能否把氣候異常都歸咎於全球暖化呢？

全球平均溫度變化（零點為 1880–2015 溫度平均值）。

資料來源：http://www.ncdc.noaa.gov/cag/time-series/global/globe/land_ocean/ytd/12/1880-2015

異常氣候，或極端氣候，泛指氣候偏離常態的狀況。這可以是地球自然氣候變化 (natural climate variability) 的一部份，也可以是人為所致的氣候變化 (anthropogenic climate change)。不少地球系統之內的自然極端氣候變化，大自然有相應的機制把它調節回常態。氣象學家會以 oscillation （振盪）一詞來形容這些會有兩極狀態，夾雜常態，反覆出現的自然氣候變化。

前段提到會直接影響香港氣候的 El Niño，以及他的另一極 La Niña，就是其中一例。兩者分別指「赤道太平洋中部、東部表面海水異常溫暖及寒冷，繼而影響世界各地的大氣環流及全球多個地區的氣候」[1] 的現象，合稱 El Niño/Southern Oscillation (ENSO)。科學家早在百多年前已經發現這兩種溫度／氣壓分佈異常循環交替的模式，但我們對它的成因、決定它週期長短和強弱的因素為何，至今依然未有定案。

最近因為香港溫度低至零下，引起大家注意的 Arctic Oscillation（AO，中譯：北極濤動 [2]／震盪）是另一個例子。形象化點說（見下圖），環繞著北極的極地渦旋 (Polar Vortex) 是抑制北極冷空氣流向低緯度地區的阻礙。AO 的正位相 AO+ 指北極和中緯度氣壓差大，極地渦旋強勁呈環狀，把冷空氣困在北極的情況；而負位相 AO– 則指氣壓差小，極地渦旋變弱、扭曲，使冷空氣能夠南下侵襲較低緯度地區的情況。和 ENSO 一樣，AO 的週期和強弱同樣是不規則的，至今我們也還未清楚它形成的原理。

AO+（右）和AO–（左）概要圖。

圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Arctic_oscillation

既然 ENSO 和 AO 都是本身就存在自然現象，是否有沒有全球暖化，我們都會承受這些極端氣候的壞影響，只能怪自己「唔好彩」呢？在此我們要問的問題是：全球暖化有沒有使這些現象傾向哪個極端，或使它們更頻繁地發生？

這至今仍是非常難答的問題──因為自然氣候變化和過量溫室氣體所帶來的氣候變化，兩者幅度在地球不同區域不盡相同 [3]。在某些地區，兩者幅度相若時，光看數據是難以把它們分開的。我們得借助電算模擬實驗去回答一些假設性問題，例如：「若溫室氣體沒有增加，氣候會是什麼樣子？」然而，地球不同部分（海／陸／空相互的影響，還有火山爆發等因素）對氣候的影響緊緊相扣，相輔相承，模擬實驗要設計得多複雜才夠仿真，又是一個難題。我們對長年存在的 ENSO 或是 AO 的成因仍未了解透徹，便難以用電腦準確地模擬自然氣候的變化，把全球暖化的影響從整體氣候變化中分割出來。

所以，若你隨便抓一個氣象學家問：「今年寒流襲港／冬天潮濕／ＸＸＸＸ但去年沒有，是不是因為全球暖化？」我都頗肯定，對方的答案會（像我一樣）是不確定的。

記得 2014 年初，芝加哥受寒流侵襲後不久，白宮就發佈了一部短片 [4] 說明寒流的源頭──極地渦旋──短片指出：在全球暖化下，這種極端狀況會愈來愈普遍。他們提出的原理是：北極與中緯度溫差減少，以致氣壓差減少，便會使中緯度的西風減弱（原理可查看 thermal wind relation），直接導致北半球極地渦旋扭曲程度增加。這說法源於 2012 年 GRL 一篇論文 [5]。此論述短時間內出現在不少科普文章／新聞中，但由於文中有些錯誤的統計方法 [6] 和術語 [7]，一些電算模擬做出的結果也與她的假設相違 [8]，學術圈對它提出的假設是否成立，至今仍有所保留。

AO–時遭殃的多是中緯度地區（例如芝加哥），可如今連低緯度至香港(22°N)等地區都受影響了。有朋友問我，如今的情況，是否像電影《明日之後》裡面，極地渦旋遭到破壞後，寒流流到低緯度地區的情節？我們是否要擔心世界末日了呢？那當然不至於 — — 《明日之後》的劇情裡面，北極溶冰產生的淡水多得足以使灣流 (Gulf Stream) 停滯，停止了向北的熱能傳送，極地渦旋才遭到破壞的。如今，灣流沒有停滯，極地渦旋還在（AO Index 剛升回正數了），情況未惡化到那個地步。

至於香港是否真的史無前例低至零下，極地渦旋是否比往時扭曲得都要嚴重呢？在此，要說清楚兩件事：(1) AO 負位相時，北極冷風可以侵襲其他低緯度地區，不一定是香港（或香港以北的地方）；(2) 其實以前也曾出現過極地渦旋南下至東亞地區的情況，例如 1991 年 12 月底（見下圖）。

三個不同日子的 1000mb Geopotential Height:（左）Dec 28, 1991，（中）Dec 28, 1992，（右）Jan 23, 2016。紅框標示冷空氣位置。

圖片來源：http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/histdata/

事實上，在 1990 年之前，北半球冬天的 AO Index 多偏向負數（見下圖及 [9]），反而是後來全球增溫更多後變得傾 AO+。

Arctic Oscillation Index 自 1950–2015 每月平均值。

圖片來源：https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/ao/

對比 AO Index 值和全球溫度／北極冰面面積（見下圖），AO 傾向 AO+ 還是 AO– 似乎和兩者沒有明顯的關係。

1978–2015年每月平均北極海冰範圍。

圖片來源：http://nsidc.org/arcticseaicenews/

總結而言，暫時我們沒有足夠理據把今次侵襲香港的寒流，或個別有關 AO– 的極端氣候事件，歸類為全球暖化帶來惡果。但無可否認，隨著地球平均溫度愈來愈高，極端天氣的確比往時頻繁了。即使還未能充分掌握影響氣候變化的因素，我們還是可以藉著一些簡單的物理知識，理解全球暖化的影響。例如：大氣可以容納的水份會更加，酷熱天氣也意味著水會更容易蒸發；北極的冰融解加劇，冰面能夠反射的陽光會減少，進一步加速暖化……這些都悄然改變了大氣及海洋的運作模式，使環境變得和我們過往理解的不一樣。保護環境，不要讓我們居住的星球步向失衡的狀態，是不必要等到大難臨頭，或者對極端氣候的形成了解透徹才有的覺悟。

後記

和一個唸環境科學的研究生談論起科普教育的問題 — — 既然知道全球暖化是不爭的事實，我們是否其實無須把因果關係搞得那麼清楚？以極端天氣會愈發頻繁作為我們要減排節能的理據，不是足夠有力嗎？然而，科學家的論述之所以會令人信任，是因為科學家會處於一個客觀的位置求真。倘若為了達到某些既有目的妄下結論，他日被發現所說的話理據不足，甚至是錯的話，就如載舟之水能覆舟，再難以號召他人。因此還是要小心求證。

引用文章/網頁

[1] ENSO 中文定義取自香港天文台網頁：http://www.hko.gov.hk/lrf/enso/enso-backgnd_uc.htm

[2] 香港天文台網頁有關 AO 的描述：http://www.hko.gov.hk/climate_change/ao_uc.htm

[3] Deser, C., Knutti, R., Solomon, S., & Phillips, A. S. (2012). Communication of the role of natural variability in future North American climate. Nature Climate Change, 2(11), 775–779.

[4] https://www.whitehouse.gov/photos-and-video/video/2014/01/08/polar-vortex-explained-2-minutes

[5] Francis, J. A., & Vavrus, S. J. (2012). Evidence linking Arctic amplification to extreme weather in mid‐latitudes. Geophysical Research Letters, 39(6).

[6] Barnes, E. A. (2013). Revisiting the evidence linking Arctic amplification to extreme weather in midlatitudes. Geophysical Research Letters, 40(17), 4734–4739.

[7] 我曾和某位教授討論過這篇論文，他認為文中所提到的 ‘wave amplitude’ 根本是 ‘meridional wave number’，若修正了這用字，整篇文章所說的原理其實只是 linear Rossby wave theory 裡的 phase speed expression 所描述的事。

[8] 例如 Barnes, E. A., & Polvani, L. (2013). Response of the midlatitude jets, and of their variability, to increased greenhouse gases in the CMIP5 models. Journal of Climate, 26(18), 7117–7135.

[9] http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/JFM_season_ao_index.shtml