巢清塵（國家氣候中心）

二氧化碳導(dǎo)致全球變暖不是騙局*

巢清塵
（國家氣候中心）

一、全球氣候變暖母庸置疑

全球變暖的證據(jù)是什么？以往我們討論氣候變暖問題總是圍繞地基氣象站所記錄的溫度潛在剩余偏差。這些記錄尤為重要，但是其表示的只是氣候系統(tǒng)變化的單一指標。全球變暖更多的證據(jù)來源于對氣候系統(tǒng)中許多其他要素的廣泛測量結(jié)果，這種測量是獨立進行的，在物理上具有一致性，而這些要素之間具有緊密聯(lián)系。

在氣候變化中，全球地表平均溫度升高是眾所周知的指標，從氣候統(tǒng)計意義上講要有30年以上的線性趨勢。雖然每一年甚至每10年的溫度并不總是會比上一年或上個10年高，但自1900年起全球地表溫度已大大升高了，1880—2012年地球表面平均溫度上升了 0.85°C。氣候變暖并不表示地球的任何區(qū)域、任何時期都在變暖，而是地球表面溫度在至少 30年以上的線性趨勢是上升的。所以說在過去的百年或更長時間某個10年、20年、某個季節(jié)或者某個地區(qū)溫度下降、趨緩都是正常的。自1850年以來全球地表平均溫度在1870年代—1900年代、1940年代—1970年代都曾出現(xiàn)了變冷的年代際變率，但這并不影響全球地表平均溫度持續(xù)上升的總體趨勢。另外，1998年以來的全球變暖“趨緩”主要表現(xiàn)在全球平均地表溫度的變化上，但從整個氣候系統(tǒng)的變化來看，全球變暖并沒有“趨緩”。由于城市化的快速發(fā)展，城市和城市地區(qū)的增溫更高（稱為城市熱島效應(yīng)），但是僅局限在一定的空間范圍內(nèi)，研究表明，即使未經(jīng)訂正，其對全球溫度的影響也不會超過10%，東亞地區(qū)可能會達到20%以上。全球陸地氣溫的測量是在全球幾千個測站點觀測到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，并通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計均一化處理后得出的，這就意味著剔除了測站空間的不均一、城市化等因素。

陸地溫度變暖與觀測到的海洋溫度變暖趨勢是密切一致的。許多獨立分析結(jié)果證明，從船上測量到的海洋空氣溫度上升與海面溫度上升是同時發(fā)生的。

大氣和海洋都是流體，所以表面增溫也在低層大氣中看到，同時也可在海洋上層看出，而觀測結(jié)果也證實了事情確實如此。從對無線電探空氣球和衛(wèi)星的觀測資料分析中可以一致地看到，對流層升溫可以促使大氣層中的天氣層變得活躍。至少自從 20世紀70年代起，超過90%的熱量被氣候系統(tǒng)吸收，這點可以從1950年代起全球記錄的海洋熱含量中得到證實。

隨著海洋變暖，海水本身也會膨脹。這種膨脹也是過去一個世紀獨立觀測到的海平面上升的主要因素之一。融化的冰川和冰蓋也是導(dǎo)致海平面上升的原因之一，而陸地水的存儲和使用上也起了相應(yīng)的變化。逐漸變暖的世界也是個逐漸潮濕的世界，因為溫暖的空氣可以鎖住更多水汽。全球性分析表明，這種測量大氣水汽含量的比濕在陸地上和海洋上都有所增加。

作為整個星球中的冰凍部分——總稱為冰凍圈，既受制于局地溫度，同時也能影響局地溫度。全球冰川中的冰量每年都在下降，而且已經(jīng)持續(xù)了20多年，消融的冰量是海平面上升的部分原因。積雪對于溫度變化非常敏感，尤其是在春季冰雪消融之時。從20世紀50年代起，整個北半球的春季積雪開始退縮。自從有了衛(wèi)星紀錄以來，就觀測到北極海冰已有重大消融，尤其是在最小覆冰期，即每年融冰季節(jié)結(jié)束之際的9月。相比之下，南極海冰的增加量一直要小些。

個別地看，任何單一的分析結(jié)果都可能會令人難以信服，但是對這些不同指標和不同資料集所作的分析結(jié)果令許多研究團體都得出了相同的結(jié)論：從深海到對流層頂部，所有空氣或海洋變暖、冰雪消融和海平面上升等等證據(jù)都確切地表明了一件事情，那就是從19世紀后期開始，全球已經(jīng)開始變暖。

綜上所述，全球變暖的證據(jù)來源于多項復(fù)雜而獨立的氣候指標，高到大氣層上部，深至海洋底部。這些指標包括地球表面溫度、大氣溫度和海洋溫度的變化，還包括冰川、積雪、海冰、海平面和大氣水汽等方面的變化。全球各地的科學(xué)家對此類證據(jù)已獨立驗證過多次，證實了自19世紀起全球就開始變暖是毋庸置疑的。為了更好詮釋這一結(jié)論，本文將比較下歷史氣候和現(xiàn)代氣候。

二、現(xiàn)代氣候與歷史氣候變化的異同

首先回答：工業(yè)化時代之前出現(xiàn)的冰期和發(fā)生其它重要氣候變化的原因是什么？

地球的氣候在所有時間尺度上都發(fā)生了變化，其中包括遠在人類活動能夠發(fā)揮作用之前。人們在認識這些氣候變化的成因和機制方面取得了很大的進展。地球輻射平衡的變化是過去氣候變化的主要驅(qū)動因子，但這些變化的原因各不相同。任何一種情況，無論是冰期、恐龍時代的暖期或是過去1000年中的波動，其具體原因都必須單獨確定。在許多情況下，現(xiàn)在已經(jīng)能夠很有信心地確定其成因，利用各種量化模式可以重建許多過去的氣候變化過程。

從冰期開始到過去近300萬年的周期中，有充分的證據(jù)顯示，這些變化與地球圍繞太陽的軌道的周期變化有關(guān)，這些周期也即所謂的米蘭科維奇周期（圖 3）。這些周期改變了每個緯度每個季節(jié)接收的太陽輻射（但幾乎對全球年平均值沒有影響），我們可以以天文精度計算出這些周期。目前仍就冰期具體從何時開始和結(jié)束進行討論，但有許多研究表明，北半球各大洲夏季日照至關(guān)重要: 如果低于某個閾值，過去冬季的雪在夏季就不會融化，隨著越來越多的雪積累下來，冰蓋就開始增厚。氣候模式的模擬結(jié)果證實冰期的確可以這樣開始，同時還利用一些簡單的概念模式在軌道變化的基礎(chǔ)上成功地“后報”了過去冰期的開始。與前幾個冰期的開始相類似，下一次北半球夏季日射的大幅減少將在30000年后開始。

大氣中的二氧化碳（CO2）雖然不是首要原因，但它在冰河期也起到重要的作用。南極冰芯資料顯示，二氧化碳在寒冷的冰川時代濃度很低（～190 ppm），在溫暖的間冰期濃度要高（～280 ppm），大氣CO2隨著南極氣溫的變化而變化，滯后期約有幾百年。由于從冰期開始到結(jié)束的氣候變化持續(xù)數(shù)千年，這些變化多數(shù)是受到二氧化碳正反饋的影響；即:由于米蘭科維奇周期最初引發(fā)的小幅冷卻隨著二氧化碳濃度下降而被放大。只有在考慮到二氧化碳作用的情況下，冰期氣候的模擬才能產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。在上個冰期發(fā)生了20起突變的和劇烈的氣候轉(zhuǎn)遷，在北大西洋周邊的記錄中尤為突出。這些變遷不同于冰川間冰期的周期，在此周期內(nèi)沒有大的全球平均溫度變化：格陵蘭和南極的變化不同步，在南大西洋和北大西洋呈相反方向。這意味著已經(jīng)不需要全球輻射平衡的重大變化就能引發(fā)上述變遷；在氣候系統(tǒng)中的熱量重新分布就足以觸發(fā)變遷。事實上有確鑿的證據(jù)表明，海洋環(huán)流和熱輸送的變化可以解釋很多這些突發(fā)事件的特征；沉積物資料及模式模擬顯示其中一些變化可能是由那個時代環(huán)繞大西洋的冰蓋不穩(wěn)定性及與之相關(guān)的淡水釋放到海洋所觸發(fā)的。

在過去的5億年期間，氣候歷史上也曾發(fā)生過偏暖的時期，地球可能完全沒有冰蓋（地質(zhì)學(xué)家可從巖石上的冰葉標跡予以判別），而不像今天的格陵蘭和南極被冰蓋覆蓋。追溯到過去100萬年以上的有關(guān)溫室氣體的資料，即超過南極冰芯年代的數(shù)據(jù)，仍有相當大的不確定性。但對地質(zhì)采樣的分析表明無冰暖期與大氣中二氧化碳高濃度相吻合。在百萬年時間尺度上，二氧化碳濃度的變化是由于地殼構(gòu)造活動引起的，它影響到海洋和大氣與固體地球的CO2交換。

過去氣候變化的另一個可能的原因是太陽能量輸出的變化。最近幾十年的觀測表明，太陽能量輸出在11年的周期中有略有變化（接近0.1%）。太陽黑子觀測（可追溯到17世紀）以及從宇宙輻射產(chǎn)生的同位素資料證明了太陽活動的長期變化。數(shù)據(jù)相關(guān)性和模式模擬結(jié)果均表明，在工業(yè)化時代開始前的100萬年中，太陽變化和火山活動有可能是導(dǎo)致氣候變異的首要原因。

這些例子說明過去不同的氣候變化都有不同的原因。自然因子在過去引起氣候變化的事實并不意味著目前的氣候變化是自然的。如此類推，森林火災(zāi)長期以來一直是自然界雷擊造成的，但并不意味著火災(zāi)不可能是由一位粗心的露營者引發(fā)。

全球氣候是由地球輻射平衡所決定的。有3種基本途徑可以改變地球的輻射平衡，從而導(dǎo)致氣候變化：1） 改變射入的太陽輻射（例如，地球軌道或太陽自身的變化）；2） 改變太陽輻射的反射率（該反射率稱之為反照率，它可以通過云層的變化、被稱為氣溶膠的顆粒物或陸地層等來改變）；3） 改變輻射回空間的長波的能量（例如，通過改變二氧化碳的濃度）。此外，局地氣候也取決于風(fēng)和洋流如何分布熱量。所有這些因素都在過去的氣候變化中發(fā)揮了作用。

第二回答：與地球歷史上的早期變化相比，當前的氣候變化異常嗎？

氣候在整個地球歷史中和所有時間尺度上一直在變化。當前的氣候變化在某些方面并非異常，但在另外一些方面則屬異常。與過去 50多萬年相比，大氣中CO2的濃度現(xiàn)已經(jīng)達到創(chuàng)記錄的高值，并且還在以異?？斓乃俣壤^續(xù)這種趨勢。與至少過去500年、甚至可能超過1000年相比，目前的全球溫度是偏暖的。如果這種變暖持續(xù)下去，所引起的21世紀氣候變化，用地質(zhì)術(shù)語來說將是極端異常的。當前氣候變化的另一個異常方面是它的成因：過去的氣候變化源于自然原因，而過去百年特別是近60年的大部分變暖是因人類活動所致。

在對當前的氣候變化和早期的自然變化進行比較時，必須區(qū)分3點不同。首先，必須明確是在對哪些變量進行比較：是溫室氣體濃度，或者溫度（或者其它氣候參數(shù)），是它們的絕對值，還是其變化速率？其次，切勿把局地變化同全球變化相混淆。局地氣候變化通常比全球氣候變化大得多，因為局地因子（如海洋或大氣環(huán)流的變化）能夠把熱量和水汽從一個地點轉(zhuǎn)移輸送到另一個地點，局地反饋會產(chǎn)生影響（如海冰反饋）。相比之下，全球平均溫度的較大變化需要某種全球強迫（如溫室氣體濃度的改變或太陽活動）。第三，必須區(qū)分時間尺度。與100年的時間尺度相比，幾百萬年的氣候變化可能要大得多，并且有不同的成因（如大陸漂移）。

當前關(guān)注氣候變化的主要原因是大氣二氧化碳（CO2）（和其他一些溫室氣體）濃度的增加，這種增加在第四紀（過去約200萬年）中是十分罕見的。過去650000年間的CO2濃度是從南極冰芯準確獲知的。在這段時期內(nèi)，CO2濃度在冷冰川期的低值180 ppm和暖間冰期的高值300 ppm之間變化。在過去一個多世紀里，濃度值快速增加而大大超出了這一范圍，現(xiàn)在約為397 ppm。相比之下，在上一個冰期結(jié)束時，CO2濃度約80ppm的上升花費了5000多年的時間。高于當前值的濃度值僅在幾百萬年以前出現(xiàn)過。

溫度是一個比CO2（全球充分混合氣體）更難重建的變量，因為它在全球各個地方的意義不盡相同，因此單一的記錄（如冰芯）只具有有限的價值。局地溫度的變化，即便是短短幾十年的變化，都可能達到幾攝氏度，這遠遠大于過去一個世紀中約0.8℃的全球變暖信號。

大尺度（全球或半球）平均分析對于全球變化更有意義，在這種尺度下，大部分局地變化達到平均值，變異較小。有足夠覆蓋范圍的儀器記錄僅能追溯約150年。在時間上做進一步追溯，對來自樹木年輪、冰芯等代用資料進行匯編使得追溯時間超過一千年，其空間覆蓋有所減少。盡管在那些重建結(jié)果中存在差異，以及存在明顯的不確定性，但所有已發(fā)表的重建結(jié)果表明，中世紀時期的溫度是溫暖的，17、18和19世紀降冷到低值，此后迅速變暖。中世紀的溫暖水平是無法確定的，但在20世紀中期可能再次達到了這一水平，只是從那時起才有可能超過這一水平。這些結(jié)論也得到氣候模擬的支持。在二千多年以前，溫度變化沒有被系統(tǒng)地匯編成大尺度的平均值，但它們也并未提供追溯到全新世（過去近11600年）的比當前全球年平均溫度偏暖的證據(jù)。有強烈的跡象表明，直到約300萬年以前，一直盛行著偏暖的氣候，使得全球冰蓋大大縮減，海平面更高。因此，目前的變暖從過去幾千年的時間范圍內(nèi)看似乎是異常的，但站在更長的時間尺度上看則并非異常，在這種尺度上，構(gòu)造活動的變化（可能由溫室氣候濃度自然、緩慢的變化所驅(qū)動）變得有關(guān)系了。

一個不同的問題是目前的變暖速率。代用資料中記錄的全球氣候變化是否較快？過去100萬年間最大的溫度變化發(fā)生冰川期，在這段時期，全球平均溫度從冰期的4℃變化為暖間冰期的7℃（局部變化要大得多，如在大陸冰蓋附近）。然而，資料表明冰期結(jié)束時的全球變暖是一個漸進的過程，歷時近5000年。因此很明顯，根據(jù)以往的變化，目前全球氣候變化的速率要快得多，且十分異常。經(jīng)常討論的冰期氣候突變絕不是反例，因為這種突變大概是由海洋的熱量輸送所至，它們不太可能影響到全球的平均溫度。

進一步沿時間追溯到冰芯資料以前的時代，沉積物和其它檔案資料的時間分辨率分辨不出當前這樣快速的變暖。因此，盡管過去發(fā)生過較大的氣候變化，但沒有證據(jù)顯示這些變化是以比當前氣候變暖更快的速率發(fā)生的。如果認識到對21世紀變暖的預(yù)估約為5°C（范圍的上限），則地球?qū)⑷缙湓谏弦粋€冰期結(jié)束時那樣，可能經(jīng)歷相同大小的全球平均增溫；沒有證據(jù)顯示過去5000萬年時間里的任何全球增溫能比得上這一未來可能的全球變化速率。

綜上所述，當代全球氣候的變暖毋容置疑，無論是在變暖的速率上還是在全球尺度上。那么，大家又在尋找導(dǎo)致全球氣候變暖的原因。

三、溫室氣體排放是氣候變暖的主要原因

觀測到的氣候長期變化（超過十年的時間尺度）的原因是通過確定預(yù)期的氣候變化不同原因的“指紋” 是否存在于歷史記錄來進行評估的。這些指紋來源于對個別氣候強迫所引起的氣候變化的不同形態(tài)的計算機模型模擬。在數(shù)十年時間范圍內(nèi)，這些強迫包括諸如溫室氣體的增加或太陽亮度的變化等過程。通過將模擬的指紋形態(tài)與觀測到的氣候變化進行比較，我們能夠確定觀測的變化是否通過這些指紋形態(tài)或者自然變率（不由任何強迫引發(fā)）得到最好的解釋。

在觀測到的20世紀氣候變化的形態(tài)中，人類引起的溫室氣體增長的指紋是明顯清晰的。除此之外，這些觀測的變化不能通過自然強迫或是由氣候模型模擬的自然變率的指紋來解釋。因此，歸因研究支持這一結(jié)論，即“1951年至2010年間觀測到的全球平均表面溫度一半以上的增加極有可能是由人類活動所造成的?！?/p>

地球的氣候一直在變化，而且可能由多種原因引起。要確定所觀測到的變化的主要原因，我們必須首先確定觀測到的氣候變化是否不同于完全不由任何強迫引起的其他波動。不同強迫引起的氣候變率（所謂的內(nèi)部變率）是氣候系統(tǒng)中各個過程相互作用的結(jié)果。大尺度的海洋變率，如太平洋的厄爾尼諾-南方（ENSO）濤動，是在十年至百年時間尺度上內(nèi)部氣候變率的首要來源。

氣候變化還可能來自氣候系統(tǒng)外的自然強迫，如火山爆發(fā)或太陽亮度的變化。諸如此類的強迫可引起那些地質(zhì)記錄中清晰記載的劇烈變化。人類造成的強迫包括溫室氣體排放或大氣顆粒物污染。這些強迫中任意一個，不管是自然的或人為造成的，都能影響內(nèi)部變率，并導(dǎo)致平均氣候的變化。歸因研究試圖確定觀測到的氣候中能檢測到的變化的原因。在過去一個世紀中，我們知道全球平均氣溫已經(jīng)升高，因此，如果觀測到的變化是由強迫引起的，那么主要的強迫一定是導(dǎo)致氣候變暖而不是變冷的強迫。

正式的氣候變化歸因研究都是通過氣候模型的對照實驗來進行的。經(jīng)模型模擬的對特定氣候強迫的響應(yīng)通常被稱為這些強迫的指紋。為了產(chǎn)生一個有意義的氣候變化歸因評估，氣候模型必須可靠地模擬這些與單個強迫相聯(lián)系的指紋形態(tài)以及無強迫的內(nèi)部變化形態(tài)。沒有模型能夠完美地再現(xiàn)氣候的所有特征，但很多詳細的研究表明，采用當前模型的模擬對于進行歸因評估確實是充分可靠的。

總體而言，觀測到的溫度變化的形態(tài)與單獨響應(yīng)自然強迫的形態(tài)顯著不同。對所有強迫的模擬響應(yīng)，包括人為強迫，很好地匹配了觀測到的表面變化。如果不包括對人為強迫的響應(yīng)（包括溫室氣體、平流層臭氧和氣溶膠），我們就不能正確地模擬最近觀測到的氣候變化。自然原因引起的變化仍在氣候系統(tǒng)中發(fā)揮著作用，但最近溫度的趨勢很大程度上歸因于人為強迫。

四、二氧化碳為何是氣候變暖的罪魁禍首

科學(xué)家經(jīng)過科學(xué)分析，溫室效應(yīng)首當其沖，溫室效應(yīng)是由溫室氣體實現(xiàn)的。溫室氣體有水蒸汽（H2O）、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）、氯氟碳化合物（CFCs）及臭氧（O3）等。

水汽在地球大氣層中是主要的溫室氣體。水汽相對于二氧化碳（CO2）對自然溫室效應(yīng)的貢獻取決于核算方法，但可以認為比二氧化碳的貢獻約大兩至三倍。額外的水汽通過人為活動注入到大氣中，主要是通過灌溉作物蒸發(fā)量的增加，同時還通過電廠降溫，少量通過化石燃料的燃燒。因此，人們可能會問，談及引發(fā)氣候變化的強迫時，為什么對二氧化碳而不是水汽如此關(guān)注？

水汽的行為不同于二氧化碳的一個基本表現(xiàn)是：它能凝結(jié)和沉降。當高濕度的空氣降溫時，一些蒸汽凝結(jié)成水滴或冰粒并沉降。水汽在大氣中通常會停留10天時間。水汽通過人為源頭進入大氣的流量比“自然”蒸發(fā)的要少得多。因此，它對整體濃度的影響可以忽略不計，并且對長期的溫室效應(yīng)沒有顯著作用。這就是為什么對流層水汽（通常低于10 km高度）不被認為是造成輻射強迫的人為氣體的主要原因。

在平流層（大氣層約10 km以上的部分），人為排放對水汽確實有顯著的影響。通過氧化作用，由人類活動導(dǎo)致的甲烷（CH4）濃度的升高帶來了額外的水源，這也部分解釋了在平流層所觀測到的變化。平流層中水的變化有輻射影響，被認為是一種強迫，并且可以進行評估。平流層水的濃度在過去幾十年有顯著不同。這些變化的完整范圍還不是很清楚，可能與其說是一種強迫，不如說是加到自然變率中的反饋過程。平流層水汽對變暖的貢獻，從強迫和反饋兩方面來講，都要比來自甲烷或二氧化碳的小得多。

空氣中水汽的最大量由溫度控制。極地地區(qū)從地表延伸到平流層的典型空氣柱中每平方米可能只包含幾千克水汽，然而熱帶地區(qū)類似的空氣柱可以包含高達70 kg的水汽?？諝鉁囟让可?℃，大氣可以多保留7%的水汽。濃度的增加放大了溫室效應(yīng)，并且因此導(dǎo)致更多的變暖。該過程被稱為水汽的反饋過程，這很好理解，也得到了量化。它出現(xiàn)在用于估算氣候變化的所有模型中，其優(yōu)點是與觀測一致。雖然已觀測到大氣中水汽的增加，但人們認為這種變化是一種氣候反饋（來自大氣溫度的升高），不應(yīng)解釋為人為排放導(dǎo)致的輻射強迫。目前，水汽在地球大氣中發(fā)揮著最大的溫室效應(yīng)作用。然而，其他溫室氣體，主要是二氧化碳，對維持水汽在大氣中的存在是必要的。事實上，如果從大氣中去除這些氣體，其溫度將下降到足以引起水汽減少，而導(dǎo)致溫室效應(yīng)下降失控，使地球驟然進入冰凍狀態(tài)。所以，是溫室氣體而不是水汽提供了維持當前大氣中水汽水平的溫度結(jié)構(gòu)。因此，雖然二氧化碳是主要的人為控制氣候的按鈕，但水汽是一種強有力并且迅速的反饋，它以一個介于2和3之間的典型系數(shù)放大任何初始強迫。水汽不是一個顯著的初始強迫，然而卻是氣候變化的基本介質(zhì)。

本文由《賽先生》授權(quán)轉(zhuǎn)載，圖、表、參考文獻已省略。

責任編輯：吳曉麗