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证据确凿是人类活动让地球变暖

 为何气象学家们都坚信人类活动是全球变暖的元凶？科学家们掌握了哪些确凿依据，又有哪些谜团仍未解开呢？

撰文  威廉·柯林斯（William Collins）

         罗伯特·科尔曼（ Robert Colman）

         詹姆斯·海伍德（James Haywood）

         马丁·R·曼宁（Martin R. Manning）

         菲利普·莫特（Philip Mote）

翻译  闵庆文 焦雯珺

对于一位研究气候变化的科学家来说，“灵光一现”获得重大突破的情况，是不多见的。相反，要想取得进展，一般都要经过艰苦的过程，将每个新的温度测量数据、卫星探测数据或气候模拟试验结果收集起来，仔细分析，一遍又一遍地核对数据，一次又一次地检验结论。实际观测的数据是否与预测的变化相一致？是否还存在其他的解释？像其他所有的优秀科学家一样，优秀的气候学家也希望他们的每一个发现都能经得起最高水准的检验。

随着气候记录时间不断延长，对气候系统研究不断深入，气候模式变得越来越可靠，气候变化的证据也越来越确凿了。在过去20年里，人类影响气候的证据被不断揭示出来；面对近期气候变化的事实和未来可能出现的更大变化，科学界达成了前所未有的共识。这种确定性的增加突出反映在联合国政府间气候变化委员会（IPCC）的最新报告，即由全世界数百名科学家撰写和审议的气候变化评估系列的第四份报告之中。

今年2月，IPCC发布了报告第一部分的浓缩版，主要内容是气候变化的物理科学基础。这份名为《面向决策者的摘要》的文件，向决策者和公众传递了一个明确的信息：科学家们比以往任何时候都更加确信，是人类影响了气候，而且人类导致的气候变化正在进一步加剧。尽管这份报告指出一些即将发生的变化是不可避免的，但它的分析也明确告诉我们，地球的将来，尤其是更加长远的未来，在很大程度上仍然掌握在我们自己手里——气候变化的程度，取决于人类如何对待温室气体的排放。

物理科学的评估集中在四个方面：气候变化的驱动因素、气候变化的观测事实、了解气候变化的因果关系，以及对未来气候变化的预测。自2001年IPCC评估报告发布以来，这些领域的研究已经取得了令人瞩目的进展。我们将介绍能够证明变化程度，和得出人类活动是气候变化驱动因素这一必然结论的关键性证据。

气候变化的驱动因素

大气中许多气体[主要是二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（ N2O）和卤烃（halocarbon，曾经被广泛用作制冷剂和喷雾剂的一种气体）]的浓度，由于人类活动而增加了。通过众所周知的温室效应，这些气体将热量滞留在大气中，导致全球气候变暖。在过去1万年里，大气中二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的浓度基本保持稳定，直到最近200年才迅速增加。二氧化碳的浓度在过去10年里的增长速度，比自20世纪50年代开始有大气监测以来的任何10年都要迅速，如今的浓度已经比工业化前高出大约35%（可通过冰芯里的气泡来确定）；甲烷的浓度，大约是工业化前的2.5倍；一氧化二氮的浓度，大约高出工业化前20%。

那么，我们如何证明这些变化是人类活动引起的呢？一些温室气体（如卤烃）在自然界中本不存在，而其他的气体则有两项重要的观测数据证明了人类活动的影响。第一，对于浓度的地理分布分析表明，温室气体主要来自人口稠密的北半球陆地；第二，可以区分排放源的同位素分析证明，二氧化碳增加的主要来源是化石燃料（煤、石油和天然气）的燃烧。甲烷和一氧化二氮的增加则主要来源于农业生产和燃烧化石燃料。

气候学家利用辐射强迫（radiative forcing）来定量分析温室气体浓度提高对气候的影响，辐射强迫是指全球能量平衡相对于工业化前所发生的变化，通常用瓦特/平方米（W/m2）来表示。正的辐射强迫会导致气候变暖，负的辐射强迫会导致气候变冷。我们能够相当准确地确定与长久以来的温室气体有关的辐射强迫，因为我们知道它们在大气中的浓度、空间分布以及与辐射的相互作用原理。

气候变化并不只是受到温室气体浓度升高的影响，其他的自然和人为作用也参与其中。自然驱动因素包括太阳活动的变化和大规模火山爆发。评估报告还指出了另外几种显著的人为驱动因素，如气溶胶、平流层和对流层臭氧、地表反射率和飞行凝结尾迹等，不过它们的影响还不像温室气体那么确定。

研究者最不确定的，是气溶胶云的反射作用对气候的影响。所谓气溶胶云的反射作用是指，人类产生的气溶胶与云层发生了复杂的相互作用，使云层变得更加明亮，将太阳光反射到太空中去。不确定性来源于人类活动产生的气溶胶的直接作用：它们究竟以微粒的形式反射和吸收了多少太阳光？总体上，气溶胶加速了降温过程，在一定程度上抵消了长期存在的温室气体的增温作用。但是具体抵消了多少？这种抵消作用能够压倒增温作用吗？这些问题目前仍无明确答案。自2001年IPCC发布评估报告以来，科学家已经取得了众多进展，其中之一便是通过将模拟和观测相结合，对每个作用机制的不确定性进行了定量分析，从而确切地估计人为因素所占的整体比例。我们的最准确估计是，人类活动引起的辐射强迫是太阳活动变化所引起的自然辐射强迫的10倍。

科学家们对净正辐射强迫的确定，与后面即将讨论的全球变暖的观测事实相吻合。这些辐射强迫可以形象地比喻为拔河比赛，正的强迫努力使地球变得更暖，而负的强迫则努力给地球降温。结果毫无争议，我们比以往更加了解这一点：地球正被“拉”向更暖的一端，而且随着温室效应的持续增强，这一趋势将日益明显。

气候变化的观测事实

众多新的观测数据和改进的观测数据的及时出现，让IPCC的2007年报告可以更全面地评估气候变化。观测记录显示，在过去12年里，有11年打破了自1850年有可靠记录以来的最热纪录。这些高温年份因偶然因素而连续出现的几率极低。全球温度、海平面和北半球积雪覆盖面积这三个重要观测指标的变化尽管存在细微的差异，但都提供了全球变暖的证据。以前的IPCC评估报告称，1901年到2000年增温幅度为0.6℃±0.2℃，但由于最近变暖趋势的增强，1906年到2005年的增温幅度高达0.74 ℃±0.18℃，而1956年到2005年为0.65℃±0.15℃，这也表明20世纪的气候变暖主要发生在后50年。当然，气候仍然围绕着已经升高的平均温度波动，极端天气的改变也与平均温度的升高相符——霜冻日和冷日冷夜变得越发少见，而热浪和暖日暖夜则日益普遍。

气候系统的属性不仅包括我们熟知的平均气温、平均降水量等，还包括海洋和冰冻圈（cryosphere，包括海冰、格陵兰岛和南极洲的大冰盖、冰川、积雪、冻土、湖面冰和河面冰等）的状况。气候系统内部复杂的相互作用是气候变化的一个基础组成部分。例如，海冰的减少会增加海洋对热量的吸收，以及海洋和大气之间的热传输，这些都会影响云层和降水。

大量的其他观测数据也与观测到的全球变暖趋势相一致，反映出了热量从大气向气候系统其他组分的流动。春季积雪覆盖面积的减少与北半球中纬度地区的升温同步：积雪覆盖面积从1988年开始急剧下降，一直持续至今。这一下降引起了人们的重视，因为积雪对土壤的水分和许多地区的水资源是至关重要的。

我们还从海洋的变化中清楚地看到了全球变暖的趋势。正像人们预测的那样，海洋受到的影响随着深度的增加而下降。这些变化表明，海洋吸收了气候系统中热量增量的80%以上，这是海平面上升的主要原因。一方面，海水温度升高体积膨胀，另一方面，冰川和冰盖融化成水后汇入海洋。自1993年以来，卫星监测已经使我们对全球海平面的升高有了更准确的计算。据估计，从1993年到2003年，海平面平均每年上升3.1mm±0.7mm。前几十年的记录也显示出类似的增长速率，但是要确定海平面上升是否加速，还需更长时间的卫星监测记录。1978年以来，北极海冰急剧减少（全年平均每10年减少2.7%±0.6%，夏季平均每10年减少7.4%±2.4%）、冻土层温度上升、全球冰川融化以及格陵兰岛和南极冰盖的减少，也都被观测到了。遗憾的是，直到最近几十年，我们才在这些方面有了较好的定量监测资料，因此这些记录的起始点并不相同。

水文变化也与全球变暖的趋势普遍一致。水蒸气是最厉害的温室气体，与其他温室气体不同，它主要受温度的控制。至少从上世纪80年代开始，大气中的水蒸气就呈增加趋势。局部地区的降水变化很大，但是在世界上的几块较大区域，包括北美和南美的东部、欧洲北部、亚洲北部和中部，降水量都有明显增加，而萨赫勒、地中海、非洲南部和亚洲南部的部分地区则变得更为干燥。海洋盐度可反映降水的变化，中高纬度地区的海洋表层水趋于变淡，而低纬度地区的则趋于变咸，这与大面积降水分布的变化是一致的。

通过树木年轮及其他手段重建古代的气候记录，为研究气候系统在有人类或没有人类影响下的变化，提供了重要的视角。分析表明，过去半个世纪的气候变暖，不同于以前1,300年里的增温。在公元700年至1950年间，最热的时期可能在公元950年到1100年之间，而即使这期间的温度，也比1980年以来的平均温度低零点几摄氏度。

气候变化的成因

尽管我们非常肯定人类活动导致了正的辐射强迫，而且也非常肯定气候已经发生了变化，但我们能确定二者有关吗？根本问题在于，引起气候变化的主要原因是人类活动，还是其他因素——如某种自然力量，或者只是气候系统内自然发生的变化呢？在2001年发布的报告中，IPCC指出，20世纪中期以来的变暖可能（可能性在66%以上）是由人类活动引起的；而2007年的报告则明显进了一步，变成了很有可能（可能性在90%以上）。

许多独立研究的进展给了我们更多的自信。首先，观测记录如今已有5年之久，而且这一时期全球气温的升高趋势，与IPCC自1990年开始发布的报告中对温室气体驱动变暖现象的预测是一致的。此外，气候系统其他许多方面的变化也被考虑了进来，如大气环流的变化和海洋温度的变化。这些变化证明了人类对气候有着持续、不断扩大的影响。计算机气候模式也有了很大改进，它们对气候变化的成因研究意义重大。气候模式能够相当逼真地模拟现在和不久以前的气候状况。最后，自上次评估报告发布以来，观测记录中一些相当重要的、看起来自相矛盾的部分已经得到解决。

最重要的矛盾是，地面仪器的温度记录与气球和卫星观测的大气温度记录明显不符：前者表明近几十年显著增温，并与人类影响相一致；后者则几乎没有显示出增温现象。几项关于气球和卫星观测数据的新研究已经解决了这一矛盾——现在的新数据表明，地面和大气都出现了持续的增温。

在现实世界中进行试验，复制出20世纪温室气体浓度保持稳定（而不是增加）的情况下，气候发生的种种改变，应当是检验气候变化成因的理想途径，但是这种试验显然是不可行的。因此，科学家寻求了另一种相对理想的途径：模拟过去的气候状况。

自IPCC发布上一份报告以来，两项重要突破增加了模拟研究气候变化成因并预测变化的信心。第一个突破，是在世界各地18个模拟小组的基础上，开发出了一个全面的、密切协作的模拟体系，以模拟地球气候的历史和未来演变趋势。使用大量模式，有助于在模拟范围内，定量分析不同气候过程中的不确定性效应。尽管我们已经对一些气候过程有了较好的了解，并可以用物理方程清晰地进行描述（如大气和海洋的流动或光和热的传播），但是我们对气候系统中的一些关键组成部分，如云和海洋涡旋、植物的蒸腾作用等，仍知之甚少。模式设计者采用了简化的参数化方法，对这些组成进行了模拟。为IPCC的评估报告开发一个多模式组合，主要是为了了解对气候变化成因，和气候变化预测有怎样的不确定性。为了这份最新的评估报告，科学家综合的模式数量和模拟试验数量都是史无前例的。

第二个突破是将更接近于现实的气候过程描述添加到模拟之中。这些过程包括大气气溶胶的性质、海冰的运动、陆地和大气之间的水分与能量交换等。现在，越来越多的模式已经把主要的气溶胶类型及气溶胶与云之间的相互作用计算在内了。

科学家利用气候模式研究气候变化的成因时，首先模拟了过去100年仅受“自然”影响的气候变化，如太阳辐射的变化和大规模火山爆发，然后再将人类活动引起的温室气体和气溶胶浓度增加因素加进去，对气候进行模拟运算。这些试验结果让人震惊：只包括自然作用的模式无法解释20世纪中期以来观测到的全球变暖现象，只有加入了人为因素，才可以很好地解释观测事实。至于温度的长期变化模式，也只有考虑了所有的效应之后，模拟结果才与观测事实最为一致。

有两种气候变化类型提供了人类影响的证据。第一个是陆地比海洋升温明显，海洋表层比深层升温明显。这与温室气体弥漫在大气中引起的升温形式一致：因为海洋的热惯量（thermal inertia）大、增温慢。同时也说明大部分热量正在被海洋吸收，地球的能量平衡已经被打破；第二个变化是对流层（大气底层）的温度升高，其上的平流层的温度却下降。如果太阳辐射提供了主要的辐射强迫，那么对流层和平流层都应该增温。然而，观测到的事实，恰恰与科学家根据温室气体浓度增加和平流层臭氧浓度减少而得出的温度变化预期相符。统计分析表明，这两个证据大大增加了人类的影响导致全球变暖现象这一说法的可信度。关于宇宙射线可以影响云，进而影响气候的说法，只是建立在有限记录的相关性分析上，当利用其他数据进行检验时，这些说法通常都站不住脚，它们的物理机制也只是推测而已。

在更小的范围内气候是如何变化的呢？随着时空范围的减小，阐述气候变化的成因变得更为困难。这是因为在自然条件下，小范围的温度变化与平均温度变化相差太大，因而更容易掩盖气候变化的征兆。尽管如此，持续性的变暖意味着气候变化的征兆正在小范围地区内出现。2007评估报告发现，人类活动可能显著影响了除南极洲以外的所有大陆的温度。

人类的影响还表现在一些极端事件上，如异常酷热、寒冷的夜晚、热浪的发生等。当然，这并不是说每一个极端事件（如2003年欧洲的热浪）的发生，都可以简单地归咎于人类活动引发的气候变化——通常这些事件非常复杂，有众多成因。但是，这也确实意味着人类活动比以往任何时候，都更有可能影响到这些事件发生的“几率”。

未来气候变化的预测

21世纪的气候将如何变化？对于这一重要问题，我们可以在预测未来温室气体和气溶胶排放量的基础上，通过气候模式模拟来回答。模拟结果表明，当温室气体排放率大于或等于当前排放率时，气候变化很有可能比20世纪观测到的还要剧烈。即使立即减少温室气体排放量，将温室气体浓度维持在目前水平，气候变化也将持续几个世纪。气候变化的这种“惯性”，源于许多种因素的共同作用，比如海洋的热容量，以及大气环流达到新平衡所需的上千年时间（只有这样才能将大气中的热量和二氧化碳与整个深海均匀混合，从而在新的条件下达到新的平衡）。

具体来说，根据气候模式预测，未来20年，在合理的排放范围内，全球温度将以每10年0.2℃的平均速度增长。由于气候系统对目前大气温室气体浓度的反应具有滞后性，因此大约有一半近期的增温将影响到未来的变化。

尽管如此，21世纪的长期气候变暖仍受到温室气体排放量的强烈影响，科学家针对各种各样的情况（比如从快速经济增长到适度经济增长，从过于依赖化石燃料到不太依赖化石燃料等），对未来的气候进行了模拟。在各种不同的排放情况下，全球温度将上升1.8℃到4.0℃。排放量越高，则升温越高。就区域性影响而言，科学家比以往更加确信，未来的气候变化形式将类似于过去50年来观测到的气候变化形式（例如，陆地比海洋升温快），只是变化的幅度将比以往更大。

模拟结果还表明，随着全球变暖，通过陆地和海洋的自然过程去除大气中多余的二氧化碳，收效将越来越微弱。气候变暖会使更多被排放出来的二氧化碳滞留在大气中，反过来又会进一步加速全球变暖，这是碳循环（carbon cycle，碳化合物在气候系统中的交换过程）中一个重要的正反馈效应。尽管模型也认为碳循环的变化表现为正反馈，但是它们对气候变化的影响程度仍然无法确定，因为这取决于许多其他因素，比如植物或土壤对碳的吸收如何随气候变化而变化，而我们对此知之甚少。这些过程也将是未来研究的重要课题。

模拟还预测，气候变化将影响海洋的物理化学性质。21世纪海平面将上升30cm～40cm的估计，同样取决于温室气体的排放量。海平面的升高，大约60%是由海洋热膨胀引起的。但这些预测，并不包括近期观测到的格陵兰岛和南极洲冰盖消失速度加快，可能引起的海平面加速上升。尽管对冰盖消失过程的科学理解非常有限，但是它们可能将海平面的上升幅度再增加10cm～20cm，因此不能排除海平面有更大幅度上升的可能。海洋的化学性质同样受到影响：大气中二氧化碳浓度的增加，将使海水变得更酸。

根据预测，最剧烈的气候变化可能会发生在极地地区，包括高纬度地区土壤温度的显著上升、冻土层融化深度的增加和北极盆地夏季海冰的大量减少等。在纬度较低的地区，将可能出现更为强烈的热浪、降雨和更为强烈但可能频率有所下降的飓风与台风。飓风和台风增强的程度还不确定，这也是未来的研究课题之一。（参见《环球科学》2007年第8期《全球变暖 飓风升级》一文。）

当然，一些重要的不确定性依然存在。云对温度上升的具体反馈途径，是影响全球变暖整体预测的一个关键因素。令人沮丧的是，云的复杂性意味着它们的反应难以把握，因此还需要在这一领域开展更多的研究。

我们生活在这样一个时代：自然和人类共同影响着地球和地球生物的进化。不幸的是，我们的气候模拟对一个世纪以后的预测还显得无能为力，自然系统和人类社会对气候变化的响应如何？我们对此的认识局限也增加了预测的不确定性。不过，有一点是肯定的：在未来至少1,000年里，植物、动物和人类都必须承担气候变化的后果。