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开博时间:2016-07-01 14:43:00

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探究气候变暖的原因

2016-01-19 15:21:08

进入2014年,北半球的东西两边呈现出冰火两重天的景象。北美入冬以来的平均气温较常年同期明显偏低,特别是美国中西部和加拿大大部分地区气温偏低更为明显。2014年元旦之后,强暴风雪袭击了全美三分之一以上的地区,美国东北部和中西部部分地区积雪厚度达60厘米,多个地区刷新最低气温历史记录。与此同时,欧亚北部地区整体大幅偏暖,在强风暴雪肆虐美国大部分地区的201412日,俄罗斯莫斯科的平均气温为2℃,而通常莫斯科1月份的日平均气温为-10℃左右。我国新疆北部、内蒙古北部和东北部、东北西部等地的气温也较常年偏高,部分地区偏高4℃以上。在气温偏高的背景下,华北地区的降水异常偏少,较常年同期偏少8成以上,是1951年以来的历史第二低值。北京地区自2013年秋季以来连续100多天没有有效降水出现,201411日元旦当天的气温更是高达13℃,是自1951年有气象记录以来的最热元旦,比去年同日偏高近16℃。

从更长的时间尺度看,气候系统的各种观测资料都表明,近百年来的全球气候变暖已经是无可争辩的事实。

20139月,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布了第五次气候变化评估报告第一工作组报告,报告用来自大气、海洋、冰川的多种指标从多方面证实了全球气候变暖的事实,这些事实是在全面分析多种观测数据的基础上所得出的确凿结论,也已得到国际社会和科学界的广泛认同。IPCC第五次评估报告第一工作组报告各章引用文献总计超过1万篇,其中被引用的“最古老”的论文发表于1896年。这篇论文的题目是“论空气中碳酸对地面温度的影响”,作者是瑞典科学家阿伦尼乌斯。当时的科学界把大气中的二氧化碳称为碳酸。这篇论文之所以重要,是因为这是人类历史上首次量化计算大气中二氧化碳浓度对温度变化的影响。这一开创性的工作进行得非常辛苦,花费了阿伦尼乌斯大约1年时间。

 

大气中二氧化碳浓度增加能带来多大幅度升温

事实上,阿伦尼乌斯这篇论文的初始目的并不是为了解决大气中二氧化碳浓度增加引起的全球变暖问题。这是因为,以当时人类向大气中排放二氧化碳的速度来计算,大气中二氧化碳浓度增加50%需要3000年时间:阿伦尼乌斯估计当时每年由于人类活动排放到大气中的二氧化碳只占大气中二氧化碳总量的千分之一,并且人为排放的二氧化碳中又有六分之五被海洋吸收,只有六分之一滞留在大气中。阿伦尼乌斯进一步计算得出,这3000年内大气中二氧化碳浓度增加50%将引起3℃多的增温,相当于人类活动造成的增温为每年0.001℃。因此,阿伦尼乌斯认为,尽管他的计算还存在不足之处,如由于对一些碳循环的过程缺乏定量了解导致尚不能精确给出地面温度升高的速度,但大气中二氧化碳含量的增加是事实,这有可能影响到许多代以后的子孙后代的环境。

阿伦尼乌斯没有料到的是,后来大气中二氧化碳浓度增加的速度远比他预测的快得多。1896年前后大气中的二氧化碳浓度还不到300ppm(大约295ppm左右),一个世纪之前的1800年前后,大气中的二氧化碳浓度约为280ppm,相当于100年内增加了5%左右;而一个世纪之后的2012年,全球大气中二氧化碳的平均浓度达到了393ppm100多年的时间内增加了30%以上。如果与工业化前的1750年相比,则在不足300年的时间内大气中二氧化碳的平均浓度增加了40%以上,这比阿伦尼乌斯所计算的3000年增加50%的速度快了近10倍。

那么,阿伦尼乌斯发表这篇论文的最初目的是什么?我们知道大气中的二氧化碳是一种温室气体,这种温室气体具有“温室效应”,也就是说它像玻璃温室一样,可以让太阳辐射穿透并加热温室内部,却对温室内辐射的长波具有阻挡作用,从而使温室内部保持较高的温度。虽然阿伦尼乌斯并不是第一个提出温室效应概念的科学家,但他的这篇论文在人类历史上第一次量化计算出了二氧化碳浓度变化后所引起的全球温度变化幅度。促使他从事这项研究的目的是为了解释历史上冰期和间冰期循环的机制问题。现在我们知道,地球历史上存在10万年左右的冰期和间冰期循环,这主要是由于地球轨道参数的变化引起的,因为地球轨道参数的变化决定了地球接收太阳辐射的多少,太阳辐射变化会通过各种机制引发周期为10万年左右的冰期和间冰期循环。

但阿伦尼乌斯认为,地球轨道参数的变化不是引起冰期和间冰期循环的原因,大气中二氧化碳浓度的变化才是冰期和间冰期变化的主要原因。当时有一种科学观点认为,冰期和间冰期之间的温度差要求大气中的二氧化碳浓度至少存在50%以上的变化,但这需要相关的资料和模型来计算验证。阿伦尼乌斯计算后最终得出的结论是:如果大气二氧化碳浓度下降三分之一,则全球温度将下降3℃以上;如果大气中二氧化碳浓度增加50%,则全球温度将升高3℃以上;如果大气中二氧化碳浓度增加100%,则全球温度将升高5℃以上。他的计算还表明,如果大气中二氧化碳浓度增加,则地球上陆地与海洋之间、赤道和温带之间、夏季和冬季之间、白天和夜晚的温差都会减小。

阿伦尼乌斯的计算结果表明,大气中的二氧化碳若以几何级数增加,则全球温度将以算术级数增加,即大气中二氧化碳浓度增加50%引起3℃的平均升温等同于大气中二氧化碳浓度减少33%引起3℃的平均降温。据此外推,可得到大气中二氧化碳浓度增加一倍将引起5℃以上的平均升温,增加两倍后将引起8℃以上的平均升温。

当然,由于受观测资料和模型的限制,阿伦尼乌斯在计算中对水汽的反馈和二氧化碳的辐射效应都存在不同程度的高估。但不管如何,他根据不完全的数据所得出的计算结果表现出了惊人的真实性。直到20世纪60年代之后,计算机技术的发展使得人们开发复杂的气候模式进行海量计算变为可能,科学家才根据气候模式计算了大气二氧化碳增加所引起的全球增温幅度,现在一般称大气二氧化碳浓度加倍所引起的全球增温幅度为“平衡气候敏感性”,也就是大气二氧化碳浓度增加1倍达到平衡状态后会引起的全球平均升温幅度。1967年,美国大气海洋管理局(NOAA)的科学家真锅首次使用自己所开发的全球大气辐射对流模型得出大气二氧化碳浓度增加1倍后会引起全球升温2.3℃;20世纪70年代,真锅又开发出了三维全球大气环流模式(GCM)对气候敏感性进行计算,这种三维气候模式考虑了水文要素变化的作用,如雪盖和海冰对气候变化的反馈作用。该三维模式的计算结果表明,在考虑了雪盖和海冰对气候变化的反馈作用后所计算的气候敏感性为3℃左右,稍大于根据辐射对流模型所得出的计算结果。

1979年,美国科学院委托麻省理工学院著名的气象学家查尼建立了一个特别工作组对二氧化碳与气候变化的关系进行评估,后来发表的评估报告(又被称为查尼报告)认为:大气二氧化碳浓度增加1倍会引起3℃的升温(不确定性范围为上下各1.5℃,即升温范围在1.5℃~4.5℃)。在此之后的30多年来,全球各地的科学家利用各种模型对气候敏感性进行了大量的计算。IPCC1990年发布的第一次评估报告起也每次都评估气候敏感性的大小,但所有研究得出的结论基本上相差不大:1990年发布的IPCC第一次评估报告的评估结论是全球升温3℃(不确定性范围为上下各1.5℃,即升温范围在1.5℃~4.5℃),2013年发布的IPCC第五次评估报告给出的评估结论仍是全球升温3℃(不确定性范围为上下各1.5℃,升温范围在1.5℃~4.5℃)。

 

气候变暖的观测事实:全球变暖毋庸置疑

那么,观测到的气候变暖事实是怎样的呢?世界气象组织(WMO)于201425日指出,就全球陆地和海洋表面平均温度而言,2013年全球陆地与海洋平均温度比19611990年的平均值高0.5℃,比20012010年的平均值高0.03℃。2013年与2007年并列为1850年有现代气象记录以来的第六暖年。全球有气象记录以来最暖的14个年份中,有13个都出现在21世纪(1998年除外),其中2010年和2005年并列为全球气温最高的年份,比19611990年的平均值高0.55℃。

在全球气候变暖的同时,世界也经历了前所未有的极端气候事件,这些极端气候事件产生了深远的影响。它们都给人类社会带来了巨大的人员伤亡和财产损失。

IPCC第五次评估报告第一工作组报告也以来自大气、海洋、冰川的多种指标从多方面证实了全球气候变暖的事实。报告指出,18802012年全球地表平均温度升高了0.85℃,其中20032012年这10年的平均气温比18501900年的平均气温上升了0.78℃。总之,100多年来全球地表平均温度升高了0.8℃是确凿的事实,并且呈现出陆地比海洋增温快、高纬度地区增温比中低纬度地区大、冬半年增温比夏半年明显的趋势。在21世纪的前10年里,北极海冰、格陵兰岛及南极冰盖和各大冰川也不断消融,大面积的冰川融化及海水热膨胀使全球海平面的平均值以每年3毫米左右的速度不断上升,这一速度大约是20世纪海平面上升速度的两倍。

我国的气候变化趋势与全球较为一致。根据中国气象局发布的《2013年中国气候公报》,2013年我国平均气温较常年偏高0.6℃,较2012年偏高0.8℃,为1961年以来的第四暖年。

 

气候变暖的原因:人类活动是主要影响因素

现在我们反过来看另一个问题:观测到的气候变暖是由什么原因引起的?我们已经知道大气中二氧化碳浓度的升高会引起全球温度的升高,但影响全球温度变化的因子并不只有二

氧化碳浓度这一项。人类在向大气排放二氧化碳等温室气体的同时,还向大气中排放了大量具有降温作用的气溶胶。气溶胶一方面将太阳辐射直接反射回去,另一方面作为云的凝结核导致云的反射率增加,这都能起到降低地表气温的作用。例如,科学家很早就注意到火山喷发产生的火山云气溶胶具有降温作用,多种记录也显示了大规模火山喷发与紧接着的第二年夏天的低温和中纬度地区农作物减产之间存在经验关系。1991年夏天菲律宾的皮纳图博火山喷发造成接下来的两三年内全球地表气温出现较为明显的下降,直到1995年全球地表平均气温才恢复上升。此外,还有很多自然因素也会影响全球温度的变化,如太阳活动的变化、气候系统内部变率的变化等。

IPCC第五次评估报告评估了1951年以来各种因素对气候变化的作用,评估结论认为:19512010年因大气中二氧化碳等温室气体所产生的增温作用可能为0.5℃~1.3℃;包括气溶胶降温效应在内的其他人为作用的贡献可能为-0.6℃~0.1℃;气候变化自然因素的贡献很小,大约为-0.1℃~0.1℃;因此,综合来看,所评估的这些自然和人为因子的贡献与这一时期所观测到的约0.6℃~0.7℃的全球变暖幅度是非常一致的。我们也可以这样理解:19512010年温室气体产生的温室效应造成的地球升温幅度在0.9℃左右,气溶胶及其他人为作用造成的降温幅度在-0.25℃左右,其他自然因素对这一时期气候变化的贡献基本上为0,所以最终计算下来,1951年以来人类活动对气候变化的影响程度是增温0.65℃左右。因此,IPCC在第五次评估报告中给出了一条重要的结论:人类活动极可能导致了20世纪50年代以来一半以上的全球气候变暖(这里的“极可能”指的是信度水平超过95%)。或者我们可以这样理解:“人类活动导致了20世纪50年代以来一半以上的全球气候变暖”这一结论的可靠性水平超过了95%。也就是说,如果我们认为“人类活动导致了20世纪50年代以来一半以上的全球气候变暖”,那么我们犯错误的可能性低于5%。

当然,这里所说的90%以上或95%以上都指的是信度水平,即人类活动导致全球气候变暖这一结论的可靠程度;不能将其理解为“全球气候变暖的90%以上或95%以上是人类活动造成的”。也就是说,在90%以上的信度水平下,如果我们相信“人类活动造成了全球气候变暖”这一结论,我们犯错误的可能性将不超过10%。这里有个小笑话可以帮我们理解90%以上的可能性和90%百分比的区别:一位病人在上手术台之前非常紧张,他对医生说:“我听说这种手术失败的可能性在90%以上。”医生说:“你不应该紧张,我应该恭喜你:我之前做的9个手术都失败了。”换而言之,如果90%是百分比,那么这位病人确实应该高兴,但这个90%是可能性,也就是说,第10次手术失败的可能性仍然是90%以上。

 

大气中二氧化碳浓度突破400 ppm之后

观测事实、科学分析和模式研究都表明,大气中二氧化碳等温室气体浓度持续增加主要是由于化石燃料燃烧、毁林及生物质燃烧、化肥施用、各种工业过程等人类活动造成的。自1750年工业革命以来,人类通过化石燃料燃烧等方式向大气中排放的二氧化碳累积量约为2万亿吨,其中大气累积了8794亿吨,海洋吸收了5679亿吨,自然陆地生态系统累积了5862亿吨。也就是说,其中约有45%被海洋和陆地生物圈吸收,约有55%留存在大气中,导致大气中二氧化碳浓度逐年上升。201359日,美国国家海洋和大气管理局(NOAA)称夏威夷莫纳罗亚山观测站所观测到的二氧化碳日均浓度数据为400.03ppm。同年514日,世界气象组织也发布消息称该组织全球大气监测网多个监测站的监测数据显示大气中二氧化碳日均浓度已超过400ppm。我国青海省瓦里关全球大气本底站也测得了超过400ppm的二氧化碳浓度数据。

全球各地所测得的大气二氧化碳浓度超过400ppm再一次向人们敲响了气候变化的警钟。当然,上述观测到的400ppm这一数值并不是年平均值,2012年的全球平均大气二氧化碳浓度值为393.1ppm,比工业化革命前(1750年)增加了41%,比2011年增加了2.2ppm,高于20102011年的平均增量(约2ppm/年)和20世纪90年代的平均增量(约1.5ppm/年)。IPCC第五次评估报告第一工作组报告也指出,当前主要温室气体的浓度是过去80万年以来最高的,温室气体浓度增加的速度也是过去2.2万年以来最快的。根据当前大气中二氧化碳浓度的增加速度计算,2015年或2016年全球平均的大气二氧化碳浓度就会超过400ppm

未来全球平均温度还将继续上升。IPCC第五次评估报告第一工作组报告指出:与19862005年相比,20162035年全球平均表面温度可能升高0.3℃~0.7℃;20812100年可能升高0.3℃~4.8℃。

应对气候变化,时不我待。

 

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IPCC第五次评估报告第一工作组报告关于气候变化观测事实的主要结论

来自大气、海洋、冰川的多种指标从多方面证实了全球气候变暖的事实。IPCC第五次评估报告第一工作组报告明确指出:18802012年全球地表平均温度升高了0.85℃;20032012年这10年的平均气温比18501900年的平均气温上升了0.78℃;过去的310年连续比之前自1850年以来的任何一个10年都偏暖;在北半球,19832012年这30年可能是过去1400年中最暖的30年。19712010年海洋上层75米以内深度的海水升温幅度达到了每100.11℃。19712009年全世界冰川的冰量损失平均速率为每年2260亿吨,而在19932009年达到每年2750亿吨。每1000亿吨冰融化为水相当于使全球海平面升高了0.28毫米(根据全球海洋面积为3.6亿平方千米计算得出),仅冰川冰量损失即可每年为全球海平面升高贡献0.8毫米。格陵兰冰盖和南极冰盖的冰量损失平均速率也都大幅增加。19792012年北极年均海冰范围也在缩小,缩小速率达到每103.5%~4.1%。全球平均海平面上升速度逐渐加快,19012010年为每年1.7毫米,19712010年为每年2毫米,19932010年达到每年3.2毫米。上述观测事实表明:全球气候变暖不是仅限于大气温度,而是发生在气候系统的各个圈层内。

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IPCC评估报告编写背景知识

政府间气候变化专门委员会(IPCC)由世界气象组织和联合国环境署于1988年联合建立,其目的是对全球范围内气候变化相关科学、技术、社会经济领域公开发表的成果进行评估,为国际社会采取共同应对气候变化的行动提供科技支持。迄今为止,IPCC发布的4次评估报告已经成为国际社会建立合作应对气候变化机制、采取应对行动最重要的科学基础。

根据IPCC秘书处的安排,IPCC第五次评估报告各工作组报告、综合报告和TFI温室气体清单工作组报告将于20139月~201410月陆续编写完成并发布。

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