气候临界点是气候变化研究的热门领域，也是全球面临的最大气候风险。关于气候临界点，2018年的经济学诺奖得主威廉·诺德豪斯曾比喻：一叶在水面上漂浮的独木舟开始倾斜进水的时候，尚能保持平衡；但当倾斜角达到一定程度时，独木舟就会倾覆——造成这个不可逆后果的倾斜角就是临界点。同理，气候临界点就是气候变化中的突变点，一旦跨过这个突变点，就会导致不可收拾的后果。
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）将气候临界点定义为：“全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛”。气候临界点一般有3个特点:
1） 临界点事件一般是不可逆的，一旦突破临界点（即被激活），系统将无法回至原来的稳定状态。这就像给山顶推石头，越过山顶，石头就会急速坠落，挡都挡不住。
2） 临界点事件难以预测，尽管人们知道有临界点，但却无从得知触发的具体点。就像泰坦尼克号黑夜里在浮冰区航行一样，知道有浮冰，但无法精确预测，等看见浮冰的时候刹不住车也拐不了弯。
3） 气候临界点事件一般都规模庞大，具有全球性和区域性影响，一旦触发就会带来毁灭性气候影响。
不难看出，突破临界点需要外部环境的驱使，比如现在人类活动引起全球变暖，是人类碳排放量不断增加驱动的。一旦突破临界点，仅仅凭借系统内部过程本身，就能快速产生剧烈的变化。以高纬度永久冻土层的消融为例，俄罗斯、加拿大、欧洲北部等地区永久冻土层内封存大量甲烷和二氧化碳，甲烷所产生的温室效应能力大约是二氧化碳的25倍，一旦地球温度升高，导致寒冷地区的冻土融化，就会导致甲烷释放，引起更强的温室效应。
再以亚马孙雨林为例，大规模热带雨林的存在，本身能够调整湿度和降水分布，即使短暂脱离平衡，也可以通过自身的调整恢复过来，使得自身的生态系统保持平衡。然而如果持续升温，这种自我调节机制就会变弱，全球升温一旦超过3℃，就可能使40%的亚马孙雨林“顶梢枯死”，且这一过程一旦开始，就无法恢复，热带雨林会逐渐退化成稀树草原(Zemp et al., 2017)。毁林使得大气低层暖干气流上升，抑制了大气层中水汽的向下混合，干旱加剧，水循环过程发生不可逆的转变，进一步加速植被的森林退化(Xu et al., 2022)。而在这一过程中释放出大量的碳，又进一步加剧了温室效应。
临界点概念已提出有20年时间，20年前，IPCC认为临界点可能会在全球升温达到5℃时才会出现。然而IPCC 2018年发布的《全球升温1.5度特别报告》以及2019年发布的《海洋与冰冻圈特别报告》指出，一些临界点可能在1℃到2℃升温之间就会出现。
气候系统是包含多个潜在临界点元素的复杂系统，对具体有多少个临界点元素的科学认知不断发展。在2008年前后，那时候认为可能有14个潜在成为临界点的元素，到2018年前后认为有15个，到了2021之后认为有16个。最近NCC发表了北京师范大学研究人员与合作者的研究论文(Liu et al., 2023)，指出青藏高原的冰雪可能也是一个新的临界元素，这一地区冰雪覆盖自2008年以来稳定性减弱，可能已经处于激活状态。
随着全球温度持续升高，气候系统越来越逼近临界点。2018和2019年澳大利亚威尔·斯特芬（Will Steffe）教授和英国蒂姆·兰顿教授（Timothy M. Lenton）等人在PNAS(Steffen et al., 2018)和Nature (Lenton et al., 2019)等文章里，梳理了地球气候系统中的15个已知的气候临界点，指出其中9个关键系统已经处于或者即将处于临界点状态。
气候系统的临界点有高有地，按照触发的难易程度，可以分为三个档次：
1) 1℃~3℃，在全球增温的这个范围内，容易引起夏季北极海冰消融、格陵兰岛冰盖消融、阿尔卑斯山冰川消亡、南极洲西部冰盖消融和珊瑚礁的白化。
2) 3℃~5℃，当增温达到这个强度时，可能会导致亚马孙雨林向草原退化、北半球中高纬针叶林退化、季风区变化、全球海洋温盐环流变化。
3) >5℃，当增温超过5℃，极可能引起北极冬季冰雪量减少、高纬度永冻土消融释放温室气体、南极洲东部冰盖消融等。
2022年，蒂姆·兰顿教授在Science上的文章(Armstrong McKay et al., 2022)指出，在如今升温1.1-1.2°C时，气候临界点风险已经逐渐凸现，全球5个临界点处于危险区（格陵兰冰盖、西南极冰盖、低纬珊瑚礁、北半球冻土、巴伦之海海冰）。如果全球升温达到1.5摄氏度，可能会触发4个临界点，并使得另外5个临界点进入危险区；若全球升温达到2摄氏度以上，将触发更多临界点。
极端天气示意图（配图来自图虫网）
当一个临界点被触发之后，可能会像推倒多米诺骨牌一样，推动地球系统倒向另外一张牌，放大气候变化的影响。由于这些能成为临界点的系统自身规模宏大，要阻止整排多米诺骨牌的倒下异常困难，从而较易引起气候、人类和生物系统发生大规模灾难甚至是毁灭级的气候破坏。
这种“多米诺”骨牌式的正反馈过程，会使得地球气候系统突破一个个临界点，彻底脱离过去百万年以来的冰期-间冰期的循环，导致失控增温（runaway warming），最终导致“热室地球”（Hothouse Earth）时代的到来。在“热室地球”状况下，全球平均气温较工业革命前高4-5℃以上，这将超过数百万年间冰期的最高温，甚至比中新世时期温度还高，届时，地球上许多地方的宜居性将大打折扣。洪涝地区的暴风雨强度和频次将大大增强，全球范围内的干旱和酷暑也会愈加剧烈。西南极洲、格陵兰和东南极洲的冰盖融化，大量淡水注入海洋，海平面将会比今天高60米以上。这种结果是毁灭性的，因为全球三分之二的特大城市均处于海拔低于10米的区域，约24亿人生活在距离海岸线不及100千米的沿海地区。
值得警惕的是，有些区域性气候可能已经越过了自身的临界点，例如北美西部的过去20年的高温和干旱几乎是过去1200年里最为严重的时期(Williams et al., 2022)，这导致区域山火，大片森林消失。这些森林是过去数百年里全球温度比现在更低的环境里生长出来的，在现在变暖的世界里，不见得能恢复回原来的物种和生态。另外亚洲中部蒙古国地区，持续性温度升高和干旱，再加之过度放牧导致草原退化，已经出现了大规模不可逆转的生态变化，被不少研究人员认为已经越过了临界点(Zhang et al., 2020)。
在希腊神话中，西西弗斯（Sisyphus）触犯了众神遭受惩罚，推着一块巨石上山，每次未到山顶就又滚下山坡，即使到了山顶，巨石也无法稳定存在，又滚回山脚下面。因此气候临界点就像山顶，一旦越过了这个点，全球气候就会像滚落的巨石一样，不可逆转，不受控制，且加速进行，这才是全球变暖中我们得高度警惕的风险。
参考文献
Armstrong McKay, D. I., A. Staal, J. F. Abrams, R. Winkelmann, B. Sakschewski, S. Loriani, I. Fetzer, S. E. Cornell, J. Rockström and T. M. Lenton, 2022: Exceeding 1.5 C global warming could trigger multiple climate tipping points. Science, 377, eabn7950, doi: doi:10.1126/science.abn7950.
Lenton, T. M., J. Rockström, O. Gaffney, S. Rahmstorf, K. Richardson, W. Steffen and H. J. Schellnhuber, 2019: Climate tipping points — too risky to bet against. Nature, 575, 592-595, doi: 10.1038/d41586-019-03595-0.
Liu, T., D. Chen, L. Yang, J. Meng, Z. Wang, J. Ludescher, J. Fan, S. Yang, D. Chen, J. Kurths, X. Chen, S. Havlin and H. J. Schellnhuber, 2023: Teleconnections among tipping elements in the Earth system. Nature Climate Change, 13, 67-74, doi: 10.1038/s41558-022-01558-4.
Steffen, W., J. Rockstrom, K. Richardson, T. M. Lenton, C. Folke, D. Liverman, C. P. Summerhayes, A. D. Barnosky, S. E. Cornell, M. Crucifix, J. F. Donges, I. Fetzer, S. J. Lade, M. Scheffer, R. Winkelmann and H. J. Schellnhuber, 2018: Trajectories of the Earth System in the Anthropocene. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 8252-8259, doi: 10.1073/pnas.1810141115.
Williams, A. P., B. I. Cook and J. E. Smerdon, 2022: Rapid intensification of the emerging southwestern North American megadrought in 2020–2021. Nature Climate Change, 12, 232-234, doi: 10.1038/s41558-022-01290-z.
Xu, X., X. Zhang, W. J. Riley, Y. Xue, C. A. Nobre, T. E. Lovejoy and G. Jia, 2022: Deforestation triggering irreversible transition in Amazon hydrological cycle. Environmental Research Letters, 17, doi: 10.1088/1748-9326/ac4c1d.
Zemp, D. C., C.-F. Schleussner, H. M. J. Barbosa, M. Hirota, V. Montade, G. Sampaio, A. Staal, L. Wang-Erlandsson and A. Rammig, 2017: Self-amplified Amazon forest loss due to vegetation-atmosphere feedbacks. Nature Communications, 8, doi: 10.1038/ncomms14681.
Zhang, P., J. H. Jeong, J. H. Yoon, H. Kim, S. Y. S. Wang, H. W. Linderholm, K. Y. Fang, X. C. Wu and D. L. Chen, 2020: Abrupt shift to hotter and drier climate over inner East Asia beyond the tipping point. Science, 370, 1095-+, doi: 10.1126/science.abb3368.
本文为科普中国·星空计划扶持作品
作者：魏科
审核：王金虎
出品：中国科协科普部
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