2021年的最新气候数据展现了地球当前的状况，并凸显了人们对未来一年的担忧。
例如，2021年是海洋热含量有记录以来最高的一年，海洋热含量在2020至2021年间显著增加。
Carbon Brief撰文指出，各国政府和企业组织积极采取行动，努力减少其对地球造成的负面影响至关重要。
2021年的气候数据现已基本齐备，事实证明，这一年对于地球的海洋、大气、冰冻圈和地表温度而言，又是值得关注的一年。
本文中，Carbon Brief梳理了去年的不同数据集、显著纪录和极端事件。
海洋热含量：这是海洋热含量有记录以来最高的一年，海洋热含量在2020至2021年间显著增加。
地表温度：全球整体地表温度有记录以来排名第五至第七高，全球陆地区域排名第五高，海洋排名第七高。
陆地变暖：在25个国家以及18亿人居住的地区，这是有记录以来最热的一年。
极端天气：2021年，全球陆地经历了有记录以来最热的北半球夏季（6月、7月和8月），并出现极端热浪、野火和强降雨事件。
与气候模型数据比较：过去70年的观测结果完全处于CMIP5气候模型预测范围之内。
大气变暖：根据所用数据集的不同，这是对流层低层（即大气较低部分）有记录以来第六或第八暖的一年。
海平面上升：海平面创下新纪录，且过去三十年间上升速度显著加快。
温室气体：二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的浓度均达到创纪录水平。
海冰范围：北极海冰在一年中的大部分时间都远低于长期平均水平，不过日纪录被打破的次数相对较少。夏季北极海冰面积最低值排名历史第12低，纪录始于20世纪70年代末。
展望2022年：Carbon Brief预测，2022年的全球平均气温将与2021年相近。
海洋热含量创新高
去年是世界海洋热含量有记录以来最高的一年。自20世纪40年代以来，海洋热含量（OHC）增加了约417泽焦耳（即十亿兆焦耳）。仅2021年与2020年相比，热量就增加了约14泽焦耳，约为地球上所有人在2019年消耗的总能量（目前可获得全球一次能源统计数据的最近年份）的23倍。
人类排放的温室气体将额外热量困在大气中。其中一部分使地球表面变暖，但绝大多数——约93%——进入海洋。这些热量约有三分之二积聚在海面以下700米范围内，但也有一部分进入深海。下图展示了1950年至今海洋上层700米和700至2000米深处的年度OHC估算值。
全球年度海洋热含量（单位：泽焦耳，即十亿兆焦耳，或10^21焦耳），分别统计海面以下0至700米和700至2000米水层。数据来源：Cheng等人，2021年。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
在许多方面，OHC比全球平均地表温度更能准确衡量气候变化。大部分额外热量最终进入海洋，而且海洋热含量的年际波动远小于地表温度。
与地表观测相比，从OHC记录中更容易发现变暖幅度或速度的变化。例如，OHC几乎没有显示出21世纪初地表变暖略有放缓的迹象；这一现象当时曾引起广泛关注。OHC还显示，1991年之后变暖明显加速，这与过去几十年温室气体排放速度上升相吻合。
自1991年以来，几乎每一年都创下新的OHC纪录，这表明随着大气温室气体浓度上升，热量持续积聚在地球系统中。
地表温度有记录以来排名第五至第七高
2021年的全球地表温度位居19世纪中期开始有记录以来的最高水平之列。NASA、NOAA和伯克利地球的数据表明，2021年是有记录以来第六暖的一年；而哥白尼ERA5数据将其列为第五暖。由于数据报告问题，哈德利中心/东英吉利大学的HadCRUT5记录发布有所延迟，但其对2021年的排名可能相近。
所有数据集的记录实际上都与2015年和2018年持平，因此在测量不确定性的范围内，2021年有记录以来的排名可能在第五至第七之间。
全球地表温度记录可追溯计算至1850年，不过一些研究团队选择从1880年开始，因为当时可用数据更多。1850年之前，一些特定地区已有记录，但覆盖范围不足，无法以合理精度计算全球温度。这些记录由以下数据整合而成：船舶和浮标测得的海洋海表温度，以及陆地气象站记录的地表气温（哥白尼ERA5是个例外，它采用基于天气模型的再分析数据）。
下图显示了自1850年以来的全球温度记录，温度以1880至1899年为参照，以突出显示自工业化前时期以来的变暖。
1850至2021年全球年度平均地表温度。数据来源：NASA GISTEMP、NOAA GlobalTemp、Hadley/UEA HadCRUT5、伯克利地球和哥白尼ERA5（ERA5使用1979至2021年温度数据，因为其再分析记录始于1979年；为估算相对于工业化前时期的变化，该数据集在1981至2010年期间与HadCRUT5进行归一化处理）。所有温度变化均以1880至1899年这一工业化前基准期为参照。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
根据所选温度记录，2021年的气温比19世纪末（1880至1900年）高1.1至1.2摄氏度。不同数据集显示，去年是全球气温连续第七至第十年高于工业化前水平1摄氏度。
下图展示了自1970年以来的地表温度；这一时期大气温室气体浓度迅速上升。虽然2021年没有过去两年那么热，但与数据所显示的长期变暖趋势十分吻合。
与第一幅图相同，但使用1970至2021年的数据，并以1981至2010年为基准期，以突出近期各项记录的一致性。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
记录中最近七年明显比此前任何时期都暖得多。下图来自伯克利地球，展示了这一情况。每条阴影曲线代表该年的年平均温度。曲线越靠右，表示该年越暖。
每条年度曲线的宽度反映了年度温度值的不确定性（原因包括测量技术变化，以及世界某些地区的测量地点少于其他地区）。
来自伯克利地球的各年全球平均地表温度相对于工业化前时期的变化及其不确定性（曲线宽度）。请注意，此处以1850至1900年期间的温度为参照显示变暖情况。图表由罗伯特·罗德博士制作。
温度记录的年际变化主要受到厄尔尼诺和拉尼娜现象的影响，它们会在短期内使气候变暖或变冷。其他温度下降则与大型火山喷发有关。气候的长期变暖是由于人类活动排放的二氧化碳和其他温室气体在大气中的浓度上升。
去年年初发生的一次温和拉尼娜事件使气温略有下降，该事件在当年最后几个月再次出现（形成了罕见的“双重谷值”拉尼娜事件）。不过，由于太平洋拉尼娜状况与其对全球气温的峰值影响之间相隔数月，2021年末的拉尼娜状况很可能会在2022年产生更大的影响。
为评估厄尔尼诺和拉尼娜对地表温度记录的影响，Carbon Brief估算了在没有这些事件时的气温。下图显示了剔除厄尔尼诺影响后的估算温度（所用方法的详情见文章末尾的方法部分）。图中未纳入哥白尼记录，因为该记录在1979年之前没有可用数据。
采用Foster和Rahmstorf（2011）方法，剔除厄尔尼诺和拉尼娜（ENSO）事件影响后的全球年度平均地表温度。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
从温度记录中剔除厄尔尼诺和拉尼娜的影响后，所有温度数据集均显示2020年而非2016年是有记录以来最暖的一年，因为2016年的温度受到一次强厄尔尼诺事件的推高。这也使2015至2021年间各年的温差总体缩小，不过2021年仍是有记录以来第六暖的一年。
剔除2021年初拉尼娜事件的降温影响后，2021年的气温估计值略有上调，约为0.07摄氏度。剔除厄尔尼诺影响后，温度记录中也更容易看出重大火山喷发的影响，例如1982年和1991年的火山喷发。
陆地变暖速度快得多
全球地表温度是衡量气候变化的一项重要指标，但聚焦这一指标可能会掩盖地球不同地区变化速度的巨大差异。
例如，尽管地球表面大部分被海洋覆盖，但几乎所有人类聚居地和活动都位于陆地。自1970年以来，陆地变暖速度比海洋快约70%，比全球平均水平快约40%。
下图将伯克利地球温度数据集拆分为仅陆地（红色）和仅海洋（蓝色）的温度。
自工业化前的1850至1900年时期以来，陆地和海洋温度的上升情况，数据来源：伯克利地球。图表由罗伯特·罗德博士制作。
根据伯克利地球数据集，自前工业化时期（1850—1900年）以来，全球整体升温约1.3°C，而陆地区域升温幅度大得多，平均达1.8°C。相比之下，海洋升温较慢，自前工业化时期以来约升温0.8°C。（参见Carbon Brief关于陆地和海洋升温速度为何不同的客座文章。）
陆地和海洋的不同区域升温速度也各不相同。2021年的高温覆盖全球大片地区，加拿大东北部、中国、朝鲜和韩国、中东以及北非的气温尤其异常偏高。下图取自伯克利地球数据集，展示了全球各地当年相对于1951—1980年平均值的年平均气温。
伯克利地球发布的2021年地表温度异常，数据来自伯克利地球。请注意，伯克利地球采用1951—1980年作为计算异常值的基准期。
极端天气之年
2021年不仅是有记录以来最热的七个年份之一，全球还出现了许多极端气候事件，包括创纪录的极端高温事件、强降雨和洪灾、灾难性野火、风暴和干旱。
2021年，居住着18亿人的地区经历了有记录以来最热的一年；包括中国、韩国、孟加拉国和尼日利亚在内的25个国家创下全年气温纪录。下图同样取自伯克利地球，显示了2021年创下高温或低温纪录的全球地区。
值得注意的是，尽管地球上大片地区创下新的高温纪录，但没有任何地方的年平均气温跻身有记录以来最低之列。
2021年年平均气温跻身有记录以来最热五年（红色）或最冷五年（蓝色）的全球地区。图表来自伯克利地球。
尤其是中国，2021年气温异常偏高，年平均温度首次超过前工业化水平2°C。
北半球夏季（6月、7月和8月）尤其炎热，这一年全球陆地区域经历了有记录以来最热的夏季。下图展示了伯克利地球数据集中1850年至2021年的夏季气温。每个红点代表这三个月的平均气温。
伯克利地球提供的北半球夏季（6月、7月、8月）陆地表面平均气温，数据来自伯克利地球。异常值以1850—1900年为基准期绘制。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
2021年的一些极端事件格外突出，堪称异常。尤其是6月下旬，北美西北部出现夏季热浪，加拿大气温达到49.6°C（121°F），打破了1937年创下的45°C（113°F）此前纪录。创下这一纪录的小镇次日便被野火大面积摧毁。
归因研究由世界天气归因组织团队开展，研究发现，若没有人为造成的全球变暖，这场热浪“几乎不可能发生”。在前工业化气候下，这类事件预计每15万年才会发生一次。科学家发现，迄今为止的气候变化使其发生可能性增加了150倍，但它可能仍属相对罕见的事件，大约千年一遇。
然而，若设想本世纪末相对于前工业化时期升温2°C（即比当前水平高0.8°C），该地区此类极端热浪将“每隔约5至10年发生一次”。
作者提醒说，即便是“可能性增加150倍”这一发现，也可能低估了变暖世界中此类极端事件的发生频率。他们指出，可能存在“一个非线性阈值：如今，全球整体变暖幅度只增加少许，极端气温的上升速度就会超过迄今观察到的水平”。
去年还发生了50多场飓风、气旋和温带风暴。尼日利亚、加纳、印度、土耳其、德国、比利时、荷兰和中国发生致命洪灾；西伯利亚、巴基斯坦、印度北部、中东部分地区、北非和欧洲出现极端热浪；美国西部、地中海地区和以色列则发生灾难性野火。
下图取自一篇Carbon Brief客座文章，该文讨论夏季极端天气事件，图中标出了2021年发生不同类型气候极端事件的地点。
2021年北半球夏季气候极端事件的地点和类型。图表来自Carbon Brief的一篇客座文章，作者为Chloe Brimicombe及其同事。
观测气温接近气候模型预测
气候模型根据对未来排放、温室气体浓度及其他气候影响因素的不同假设，提供基于物理学的未来升温估算。
在此，Carbon Brief考察了一组气候模型，即CMIP5。这组模型用于2013年发布的第五次评估报告（AR5），该报告由政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布。在CMIP5中，模型依据已知的过去气候影响因素对2005年以前的气温进行估算，称为“回报”；对2005年之后的气温则依据对未来变化的估计进行“预测”。
下图展示了自1950年以来各个CMIP5模型预测结果的范围，以及在中间路径RCP4.5排放情景下直至2100年的未来预测。黑线表示38个不同模型的平均值，灰色区域表示模型预测结果的95%（两个标准差）范围。观测气温叠加在气候模型数据之上，各条彩线代表不同的观测记录。
全球年平均地表气温，数据来自CMIP5模型和1950年至2100年的观测记录（观测数据截至2021年）。模型在2005年之后采用RCP4.5情景。模型数据包括海洋表面温度和陆地表面气温，以匹配观测数据的测量方式。异常值以1981—2010年为基准期绘制。图表由Carbon Brief使用Highcharts制作。
过去70年间的观测数据远在CMIP5气候模型预测范围之内。2021年的气温相当接近模型平均值。此处展示的气候模型输出经过融合处理，即以与观测气候记录相同的方式，将陆地表面气温与海洋表面温度结合起来。这使两者能够进行更准确的比较。
新一代模型——CMIP6——未在这份《气候状况》报告中与观测结果进行比较。IPCC最新发布的第六次评估报告（AR6）改变了使用模型集合的方式。此前的IPCC报告只是对所有模型及其范围取平均值，而IPCC此次决定采用经过加权筛选、且与历史观测结果吻合良好的模型子集。这也反映了最新IPCC报告中气候敏感度范围缩小的情况，因此一些新模型的结果落在“非常可能”敏感度范围之外。
尽管IPCC AR6提供了一组新的未来“评估升温”预测，但这些预测从2015年开始，因此在如此短的时期内与观测结果进行比较意义不大。
大气升温
除了对全球陆地和海洋表面进行测量，卫星微波探测单元自1979年以来也一直在估算大气不同层的气温。
它们估算的最低层——对流层低层——反映地表上方数公里处的气温，大致对应地表温度变化。遥感系统公司（RSS）生成的记录显示，2021年是对流层低层有记录以来第六热的一年；而阿拉巴马大学亨茨维尔分校（UAH）的记录则显示其为第八热的一年。下图展示了对流层低层（TLT）的两组记录：RSS为红色，UAH为蓝色。
与地表相比，对流层低层更容易受到厄尔尼诺和拉尼娜事件的影响，因此卫星记录在这些事件期间显示出幅度更大的升温或降温峰值。例如，这就是为什么1998年在卫星记录中跻身最热年份之列，却未出现在地表记录中。
两组对流层低层气温记录在21世纪初之后出现了显著差异。RSS显示的总体升温速度与地表温度记录相当接近，而UAH显示近年升温速度明显慢于地表观测结果。近年来，两组记录都经过大幅调整；与各自此前的版本相比，调整后的RSS记录显示气温更高，UAH记录则显示气温更低。
除了对流层低层的温度记录，RSS和UAH也提供平流层低层的测量数据。平流层低层是地表上方约18公里处的大气上层区域。过去几十年来，平流层低层一直在降温，这清楚地体现了人为温室气体的影响：它们将热量留在大气低层使其升温，同时让上层大气降温，因为逸散出去的热量减少了。如果气候变化是由其他因素——例如太阳输出变化——造成的，那么平流层和对流层都会升温。
下图展示了1979年至2021年RSS（红色）和UAH（蓝色）的平流层低层气温（TLS）记录。
海平面上升加速
现代海平面已升至新高，这是多种因素共同作用的结果，包括陆地冰融化（如冰川和冰盖）、水体受热后的热膨胀，以及陆地水储量变化。近年来，冰盖和冰川融化对海平面上升的贡献更大，因为气温升高加快了格陵兰岛和南极洲的冰盖损失。
自20世纪90年代初以来，研究人员一直利用卫星高度计数据估算全球海平面上升情况。更早的全球海平面数据则根据全球验潮仪测量网络重建。这使研究人员能够估算海平面自19世纪末以来的变化。
下图展示了七套不同的海平面上升数据集（彩线），以及科罗拉多大学评估的NASA卫星高度计测量结果；1993年之后的数据以黑线表示。科罗拉多大学。（全年海平面上升数据尚未发布，因此2021年的数值是根据截至7月的数据估算的。）
自1900年以来，海平面上升了约0.2米（200毫米）。近几十年来，各项海平面上升估算大多一致，但1980年之前的估算差异较大。此外，1993年以后可以获得高质量卫星测高数据，这段时期的证据也表明海平面上升正在加速。（参见Carbon Brief关于气候变化如何加速海平面上升的解读文章。）
陆地冰川融化是推动海平面上升的原因之一。科学家通过各种遥感技术测量全球冰川的质量，也利用GRACE卫星测量地球引力场。冰川的质量平衡取决于落在冰川上的降雪，以及融化和崩解（或“冰山崩解”——冰山崩解决定了冰川会随着时间推移而增长还是缩小。
一个名为世界冰川监测服务的国际联盟追踪全球19个不同区域的164座冰川。下图显示了1950年至2020年底全球冰川平均质量的变化（2021年的数据尚未公布）。请注意，冰川融化量以米水当量表示，这是衡量平均质量损失的指标。
大气温室气体浓度创下新高
受化石燃料、土地利用和农业产生的人为排放推动，温室气体浓度在2021年创下新高。
三种温室气体——二氧化碳、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）——是人类活动造成额外热量滞留的主要原因。二氧化碳的影响远远最大，约占自1750年以来“辐射强迫”增幅的50%。
甲烷占29%，氧化亚氮约占5%。其余16%来自其他因素，包括一氧化碳、黑碳和卤代烃，例如氯氟烃（CFC）。
人为温室气体排放使大气中的二氧化碳、甲烷和氧化亚氮浓度升至至少数百万年来的最高水平，甚至可能更久。
下图显示了这些温室气体的浓度——二氧化碳以百万分率（ppm）表示（蓝线），甲烷（橙线）和氧化亚氮（红线）以十亿分率（ppb）表示；二氧化碳数据涵盖20世纪80年代初至2021年10月，CH4和N2O数据涵盖至2021年9月（目前可获得的最新数据）。
尤其是甲烷浓度，在2000年代趋于平稳后，过去十年间大幅上升。这似乎是由农业和化石燃料排放增加共同推动的，两者影响大致相当。根据《永久冻土融化对大气浓度产生显著影响的证据有限，2020年全球甲烷预算也得出了这一结论，不过未来永久冻土融化可能成为更大的甲烷来源。
有记录以来北极海冰面积第十二低
2021年大部分时间里，北极海冰处于历史范围（1979—2010年）的低位，但除2月和7月的短暂时段外，几乎没有创下新的日最低纪录。夏季最低范围——即当年记录到的最低水平——是有记录以来第12低的一次；相关记录始于20世纪70年代末。
南极海冰在上半年处于正常水平，但10月后降至历史范围的低位。（关于近几十年来南极海冰范围的变化，更多信息请参阅Carbon Brief去年发表的客座文章。）
下图显示了北极（红线）和南极（蓝线）每年每日的海冰范围，以及其与历史范围的比较（相应阴影区域）。
展望2022年
2021年下半年出现“双重”拉尼娜事件，拉尼娜状况预计将持续至少覆盖2022年前三个月。由于热带太平洋厄尔尼诺或拉尼娜状况达到峰值与其对全球气温产生影响之间存在几个月的滞后，这些拉尼娜状况可能会对2022年气温产生降温影响。
目前已有三项关于2022年气温的预测，分别来自英国气象局、美国国家航空航天局（NASA）的加文·施密特博士以及伯克利地球组织。
Carbon Brief首次对2022年可能出现的气温作出自己的预测，依据是一个模型，该模型使用前一年（2021年）的数据、过去三个月的气温、过去六个月的厄尔尼诺/拉尼娜状况，以及未来六个月厄尔尼诺/拉尼娜状况的预测。
对2022年可能气温的四项预测存在显著差异。英国气象局和Carbon Brief的新估算认为，2022年气温将与2021年相当，极不可能跻身有记录以来最暖的两年之列。伯克利地球组织预测2022年会稍暖一些，与有记录以来第四暖的2017年相近；施密特则预测，2022年最终可能与2016年和2020年并列，成为有记录以来最暖的一年。
下图显示了这四项对2022年的预测，并与NASA GISTEMP气温记录作比较。这些预测经过“归一化”处理，以显示相对于NASA数据集中2001—2020年期间的2022年升温幅度。这样做是为了消除气温记录早期不同数据集之间的差异对预测造成的影响。
现在要准确预测2022年最终会如何还为时尚早，但这一年无论与2021年还是2020年相近，都不足为奇。
对气候而言，重要的不是各年份之间的排名，而是全球气温长期上升的趋势；这一趋势由人为温室气体排放推动。在全球将排放量降至净零之前，地球将继续变暖。
