探究氣候變暖的原因

黃磊

進(jìn)入2014年，北半球的東西兩邊呈現(xiàn)出冰火兩重天的景象。北美入冬以來的平均氣溫較常年同期明顯偏低，特別是美國中西部和加拿大大部分地區(qū)氣溫偏低更為明顯。2014年元旦之后，強(qiáng)暴風(fēng)雪襲擊了全美三分之一以上的地區(qū)，美國東北部和中西部部分地區(qū)積雪厚度達(dá)60厘米，多個地區(qū)刷新最低氣溫歷史記錄。與此同時(shí)，歐亞北部地區(qū)整體大幅偏暖，在強(qiáng)風(fēng)暴雪肆虐美國大部分地區(qū)的2014年1月2日，俄羅斯莫斯科的平均氣溫為2℃，而通常莫斯科1月份的日平均氣溫為-10℃左右。我國新疆北部、內(nèi)蒙古北部和東北部、東北西部等地的氣溫也較常年偏高，部分地區(qū)偏高4℃以上。在氣溫偏高的背景下，華北地區(qū)的降水異常偏少，較常年同期偏少8成以上，是1951年以來的歷史第二低值。北京地區(qū)自2013年秋季以來連續(xù)100多天沒有有效降水出現(xiàn)，2014年1月1日元旦當(dāng)天的氣溫更是高達(dá)13℃，是自1951年有氣象記錄以來的最熱元旦，比去年同日偏高近16℃。

從更長的時(shí)間尺度看，氣候系統(tǒng)的各種觀測資料都表明，近百年來的全球氣候變暖已經(jīng)是無可爭辯的事實(shí)。

2013年9月，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布了第五次氣候變化評估報(bào)告第一工作組報(bào)告，報(bào)告用來自大氣、海洋、冰川的多種指標(biāo)從多方面證實(shí)了全球氣候變暖的事實(shí)，這些事實(shí)是在全面分析多種觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上所得出的確鑿結(jié)論，也已得到國際社會和科學(xué)界的廣泛認(rèn)同。IPCC第五次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告各章引用文獻(xiàn)總計(jì)超過1萬篇，其中被引用的“最古老”的論文發(fā)表于1896年。這篇論文的題目是“論空氣中碳酸對地面溫度的影響”，作者是瑞典科學(xué)家阿倫尼烏斯。當(dāng)時(shí)的科學(xué)界把大氣中的二氧化碳稱為碳酸。這篇論文之所以重要，是因?yàn)檫@是人類歷史上首次量化計(jì)算大氣中二氧化碳濃度對溫度變化的影響。這一開創(chuàng)性的工作進(jìn)行得非常辛苦，花費(fèi)了阿倫尼烏斯大約1年時(shí)間。

大氣中二氧化碳濃度增加能帶來多大幅度升溫

事實(shí)上，阿倫尼烏斯這篇論文的初始目的并不是為了解決大氣中二氧化碳濃度增加引起的全球變暖問題。這是因?yàn)椋援?dāng)時(shí)人類向大氣中排放二氧化碳的速度來計(jì)算，大氣中二氧化碳濃度增加50%需要3000年時(shí)間：阿倫尼烏斯估計(jì)當(dāng)時(shí)每年由于人類活動排放到大氣中的二氧化碳只占大氣中二氧化碳總量的千分之一，并且人為排放的二氧化碳中又有六分之五被海洋吸收，只有六分之一滯留在大氣中。阿倫尼烏斯進(jìn)一步計(jì)算得出，這3000年內(nèi)大氣中二氧化碳濃度增加50%將引起3℃多的增溫，相當(dāng)于人類活動造成的增溫為每年0.001℃。因此，阿倫尼烏斯認(rèn)為，盡管他的計(jì)算還存在不足之處，如由于對一些碳循環(huán)的過程缺乏定量了解導(dǎo)致尚不能精確給出地面溫度升高的速度，但大氣中二氧化碳含量的增加是事實(shí)，這有可能影響到許多代以后的子孫后代的環(huán)境。

阿倫尼烏斯沒有料到的是，后來大氣中二氧化碳濃度增加的速度遠(yuǎn)比他預(yù)測的快得多。1896年前后大氣中的二氧化碳濃度還不到300ppm（大約295ppm左右），一個世紀(jì)之前的1800年前后，大氣中的二氧化碳濃度約為280ppm，相當(dāng)于100年內(nèi)增加了5%左右；而一個世紀(jì)之后的2012年，全球大氣中二氧化碳的平均濃度達(dá)到了393ppm，100多年的時(shí)間內(nèi)增加了30%以上。如果與工業(yè)化前的1750年相比，則在不足300年的時(shí)間內(nèi)大氣中二氧化碳的平均濃度增加了40%以上，這比阿倫尼烏斯所計(jì)算的3000年增加50%的速度快了近10倍。

那么，阿倫尼烏斯發(fā)表這篇論文的最初目的是什么？我們知道大氣中的二氧化碳是一種溫室氣體，這種溫室氣體具有“溫室效應(yīng)”，也就是說它像玻璃溫室一樣，可以讓太陽輻射穿透并加熱溫室內(nèi)部，卻對溫室內(nèi)輻射的長波具有阻擋作用，從而使溫室內(nèi)部保持較高的溫度。雖然阿倫尼烏斯并不是第一個提出溫室效應(yīng)概念的科學(xué)家，但他的這篇論文在人類歷史上第一次量化計(jì)算出了二氧化碳濃度變化后所引起的全球溫度變化幅度。促使他從事這項(xiàng)研究的目的是為了解釋歷史上冰期和間冰期循環(huán)的機(jī)制問題。現(xiàn)在我們知道，地球歷史上存在10萬年左右的冰期和間冰期循環(huán)，這主要是由于地球軌道參數(shù)的變化引起的，因?yàn)榈厍蜍壍绤?shù)的變化決定了地球接收太陽輻射的多少，太陽輻射變化會通過各種機(jī)制引發(fā)周期為10萬年左右的冰期和間冰期循環(huán)。

但阿倫尼烏斯認(rèn)為，地球軌道參數(shù)的變化不是引起冰期和間冰期循環(huán)的原因，大氣中二氧化碳濃度的變化才是冰期和間冰期變化的主要原因。當(dāng)時(shí)有一種科學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為，冰期和間冰期之間的溫度差要求大氣中的二氧化碳濃度至少存在50%以上的變化，但這需要相關(guān)的資料和模型來計(jì)算驗(yàn)證。阿倫尼烏斯計(jì)算后最終得出的結(jié)論是：如果大氣二氧化碳濃度下降三分之一，則全球溫度將下降3℃以上；如果大氣中二氧化碳濃度增加50%，則全球溫度將升高3℃以上；如果大氣中二氧化碳濃度增加100%，則全球溫度將升高5℃以上。他的計(jì)算還表明，如果大氣中二氧化碳濃度增加，則地球上陸地與海洋之間、赤道和溫帶之間、夏季和冬季之間、白天和夜晚的溫差都會減小。

阿倫尼烏斯的計(jì)算結(jié)果表明，大氣中的二氧化碳若以幾何級數(shù)增加，則全球溫度將以算術(shù)級數(shù)增加，即大氣中二氧化碳濃度增加50%引起3℃的平均升溫等同于大氣中二氧化碳濃度減少33%引起3℃的平均降溫。據(jù)此外推，可得到大氣中二氧化碳濃度增加一倍將引起5℃以上的平均升溫，增加兩倍后將引起8℃以上的平均升溫。

當(dāng)然，由于受觀測資料和模型的限制，阿倫尼烏斯在計(jì)算中對水汽的反饋和二氧化碳的輻射效應(yīng)都存在不同程度的高估。但不管如何，他根據(jù)不完全的數(shù)據(jù)所得出的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出了驚人的真實(shí)性。直到20世紀(jì)60年代之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得人們開發(fā)復(fù)雜的氣候模式進(jìn)行海量計(jì)算變?yōu)榭赡埽茖W(xué)家才根據(jù)氣候模式計(jì)算了大氣二氧化碳增加所引起的全球增溫幅度，現(xiàn)在一般稱大氣二氧化碳濃度加倍所引起的全球增溫幅度為“平衡氣候敏感性”，也就是大氣二氧化碳濃度增加1倍達(dá)到平衡狀態(tài)后會引起的全球平均升溫幅度。1967年，美國大氣海洋管理局（NOAA）的科學(xué)家真鍋首次使用自己所開發(fā)的全球大氣輻射對流模型得出大氣二氧化碳濃度增加1倍后會引起全球升溫2.3℃；20世紀(jì)70年代，真鍋又開發(fā)出了三維全球大氣環(huán)流模式（GCM）對氣候敏感性進(jìn)行計(jì)算，這種三維氣候模式考慮了水文要素變化的作用，如雪蓋和海冰對氣候變化的反饋?zhàn)饔?。該三維模式的計(jì)算結(jié)果表明，在考慮了雪蓋和海冰對氣候變化的反饋?zhàn)饔煤笏?jì)算的氣候敏感性為3℃左右，稍大于根據(jù)輻射對流模型所得出的計(jì)算結(jié)果。endprint

1979年，美國科學(xué)院委托麻省理工學(xué)院著名的氣象學(xué)家查尼建立了一個特別工作組對二氧化碳與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行評估，后來發(fā)表的評估報(bào)告（又被稱為查尼報(bào)告）認(rèn)為：大氣二氧化碳濃度增加1倍會引起3℃的升溫（不確定性范圍為上下各1.5℃，即升溫范圍在1.5℃～4.5℃）。在此之后的30多年來，全球各地的科學(xué)家利用各種模型對氣候敏感性進(jìn)行了大量的計(jì)算。IPCC從1990年發(fā)布的第一次評估報(bào)告起也每次都評估氣候敏感性的大小，但所有研究得出的結(jié)論基本上相差不大：1990年發(fā)布的IPCC第一次評估報(bào)告的評估結(jié)論是全球升溫3℃（不確定性范圍為上下各1.5℃，即升溫范圍在1.5℃～4.5℃），2013年發(fā)布的IPCC第五次評估報(bào)告給出的評估結(jié)論仍是全球升溫3℃（不確定性范圍為上下各1.5℃，升溫范圍在1.5℃～4.5℃）。

氣候變暖的觀測事實(shí)：全球變暖毋庸置疑

那么，觀測到的氣候變暖事實(shí)是怎樣的呢？世界氣象組織（WMO）于2014年2月5日指出，就全球陸地和海洋表面平均溫度而言，2013年全球陸地與海洋平均溫度比1961～1990年的平均值高0.5℃，比2001～2010年的平均值高0.03℃。2013年與2007年并列為1850年有現(xiàn)代氣象記錄以來的第六暖年。全球有氣象記錄以來最暖的14個年份中，有13個都出現(xiàn)在21世紀(jì)（1998年除外），其中2010年和2005年并列為全球氣溫最高的年份，比1961～1990年的平均值高0.55℃。

在全球氣候變暖的同時(shí)，世界也經(jīng)歷了前所未有的極端氣候事件，這些極端氣候事件產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。它們都給人類社會帶來了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

IPCC第五次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告也以來自大氣、海洋、冰川的多種指標(biāo)從多方面證實(shí)了全球氣候變暖的事實(shí)。報(bào)告指出，1880～2012年全球地表平均溫度升高了0.85℃，其中2003～2012年這10年的平均氣溫比1850～1900年的平均氣溫上升了0.78℃?？傊?，100多年來全球地表平均溫度升高了0.8℃是確鑿的事實(shí)，并且呈現(xiàn)出陸地比海洋增溫快、高緯度地區(qū)增溫比中低緯度地區(qū)大、冬半年增溫比夏半年明顯的趨勢。在21世紀(jì)的前10年里，北極海冰、格陵蘭島及南極冰蓋和各大冰川也不斷消融，大面積的冰川融化及海水熱膨脹使全球海平面的平均值以每年3毫米左右的速度不斷上升，這一速度大約是20世紀(jì)海平面上升速度的兩倍。

我國的氣候變化趨勢與全球較為一致。根據(jù)中國氣象局發(fā)布的《2013年中國氣候公報(bào)》，2013年我國平均氣溫較常年偏高0.6℃，較2012年偏高0.8℃，為1961年以來的第四暖年。

氣候變暖的原因：人類活動是主要影響因素

現(xiàn)在我們反過來看另一個問題：觀測到的氣候變暖是由什么原因引起的？我們已經(jīng)知道大氣中二氧化碳濃度的升高會引起全球溫度的升高，但影響全球溫度變化的因子并不只有二氧化碳濃度這一項(xiàng)。人類在向大氣排放二氧化碳等溫室氣體的同時(shí)，還向大氣中排放了大量具有降溫作用的氣溶膠。氣溶膠一方面將太陽輻射直接反射回去，另一方面作為云的凝結(jié)核導(dǎo)致云的反射率增加，這都能起到降低地表氣溫的作用。例如，科學(xué)家很早就注意到火山噴發(fā)產(chǎn)生的火山云氣溶膠具有降溫作用，多種記錄也顯示了大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)與緊接著的第二年夏天的低溫和中緯度地區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)之間存在經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。1991年夏天菲律賓的皮納圖博火山噴發(fā)造成接下來的兩三年內(nèi)全球地表氣溫出現(xiàn)較為明顯的下降，直到1995年全球地表平均氣溫才恢復(fù)上升。此外，還有很多自然因素也會影響全球溫度的變化，如太陽活動的變化、氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的變化等。

IPCC第五次評估報(bào)告評估了1951年以來各種因素對氣候變化的作用，評估結(jié)論認(rèn)為：1951～2010年因大氣中二氧化碳等溫室氣體所產(chǎn)生的增溫作用可能為0.5℃～1.3℃；包括氣溶膠降溫效應(yīng)在內(nèi)的其他人為作用的貢獻(xiàn)可能為-0.6℃～0.1℃；氣候變化自然因素的貢獻(xiàn)很小，大約為-0.1℃～0.1℃；因此，綜合來看，所評估的這些自然和人為因子的貢獻(xiàn)與這一時(shí)期所觀測到的約0.6℃～0.7℃的全球變暖幅度是非常一致的。我們也可以這樣理解：1951～2010年溫室氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)造成的地球升溫幅度在0.9℃左右，氣溶膠及其他人為作用造成的降溫幅度在-0.25℃左右，其他自然因素對這一時(shí)期氣候變化的貢獻(xiàn)基本上為0，所以最終計(jì)算下來，1951年以來人類活動對氣候變化的影響程度是增溫0.65℃左右。因此，IPCC在第五次評估報(bào)告中給出了一條重要的結(jié)論：人類活動極可能導(dǎo)致了20世紀(jì)50年代以來一半以上的全球氣候變暖（這里的“極可能”指的是信度水平超過95%）?；蛘呶覀兛梢赃@樣理解：“人類活動導(dǎo)致了20世紀(jì)50年代以來一半以上的全球氣候變暖”這一結(jié)論的可靠性水平超過了95%。也就是說，如果我們認(rèn)為“人類活動導(dǎo)致了20世紀(jì)50年代以來一半以上的全球氣候變暖”，那么我們犯錯誤的可能性低于5%。

當(dāng)然，這里所說的90%以上或95%以上都指的是信度水平，即人類活動導(dǎo)致全球氣候變暖這一結(jié)論的可靠程度；不能將其理解為“全球氣候變暖的90%以上或95%以上是人類活動造成的”。也就是說，在90%以上的信度水平下，如果我們相信“人類活動造成了全球氣候變暖”這一結(jié)論，我們犯錯誤的可能性將不超過10%。這里有個小笑話可以幫我們理解90%以上的可能性和90%百分比的區(qū)別：一位病人在上手術(shù)臺之前非常緊張，他對醫(yī)生說：“我聽說這種手術(shù)失敗的可能性在90%以上?！贬t(yī)生說：“你不應(yīng)該緊張，我應(yīng)該恭喜你：我之前做的9個手術(shù)都失敗了。”換而言之，如果90%是百分比，那么這位病人確實(shí)應(yīng)該高興，但這個90%是可能性，也就是說，第10次手術(shù)失敗的可能性仍然是90%以上。

大氣中二氧化碳濃度突破400 ppm之后

觀測事實(shí)、科學(xué)分析和模式研究都表明，大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度持續(xù)增加主要是由于化石燃料燃燒、毀林及生物質(zhì)燃燒、化肥施用、各種工業(yè)過程等人類活動造成的。自1750年工業(yè)革命以來，人類通過化石燃料燃燒等方式向大氣中排放的二氧化碳累積量約為2萬億噸，其中大氣累積了8794億噸，海洋吸收了5679億噸，自然陸地生態(tài)系統(tǒng)累積了5862億噸。也就是說，其中約有45%被海洋和陸地生物圈吸收，約有55%留存在大氣中，導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度逐年上升。2013年5月9日，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）稱夏威夷莫納羅亞山觀測站所觀測到的二氧化碳日均濃度數(shù)據(jù)為400.03ppm。同年5月14日，世界氣象組織也發(fā)布消息稱該組織全球大氣監(jiān)測網(wǎng)多個監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示大氣中二氧化碳日均濃度已超過400ppm。我國青海省瓦里關(guān)全球大氣本底站也測得了超過400ppm的二氧化碳濃度數(shù)據(jù)。

全球各地所測得的大氣二氧化碳濃度超過400ppm再一次向人們敲響了氣候變化的警鐘。當(dāng)然，上述觀測到的400ppm這一數(shù)值并不是年平均值，2012年的全球平均大氣二氧化碳濃度值為393.1ppm，比工業(yè)化革命前（1750年）增加了41%，比2011年增加了2.2ppm，高于2010～2011年的平均增量（約2ppm/年）和20世紀(jì)90年代的平均增量（約1.5ppm/年）。IPCC第五次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告也指出，當(dāng)前主要溫室氣體的濃度是過去80萬年以來最高的，溫室氣體濃度增加的速度也是過去2.2萬年以來最快的。根據(jù)當(dāng)前大氣中二氧化碳濃度的增加速度計(jì)算，2015年或2016年全球平均的大氣二氧化碳濃度就會超過400ppm。

未來全球平均溫度還將繼續(xù)上升。IPCC第五次評估報(bào)告第一工作組報(bào)告指出：與1986～2005年相比，2016～2035年全球平均表面溫度可能升高0.3℃～0.7℃；2081～2100年可能升高0.3℃～4.8℃。

應(yīng)對氣候變化，時(shí)不我待。

相關(guān)鏈接2

IPCC評估報(bào)告編寫背景知識

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）由世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境署于1988年聯(lián)合建立，其目的是對全球范圍內(nèi)氣候變化相關(guān)科學(xué)、技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域公開發(fā)表的成果進(jìn)行評估，為國際社會采取共同應(yīng)對氣候變化的行動提供科技支持。迄今為止，IPCC發(fā)布的4次評估報(bào)告已經(jīng)成為國際社會建立合作應(yīng)對氣候變化機(jī)制、采取應(yīng)對行動最重要的科學(xué)基礎(chǔ)。

根據(jù)IPCC秘書處的安排，IPCC第五次評估報(bào)告各工作組報(bào)告、綜合報(bào)告和TFI溫室氣體清單工作組報(bào)告將于2013年9月～2014年10月陸續(xù)編寫完成并發(fā)布。

【責(zé)任編輯】趙 菲endprint