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专家访谈
 

专家访谈

巢清尘:二氧化碳,全球变暖的主要“按钮

[日期:2015-09-30]

 《中国气象报》名士观点栏目    2015年9月28日

■本期嘉宾:国家气候中心副主任、研究员 巢清尘

        本期观点:

        自19世纪起全球就开始变暖是毋庸置疑的,过去百年特别是近60年的大部分变暖是因人类活动所致,其主要原因是温室气体的排放。水汽不是显著的初始强迫,二氧化碳才是气候变暖最主要的“按钮”。

        全球气候变暖毋庸置疑二氧化碳浓度和变化速率十分异常

        全球变暖的证据是什么?以往我们讨论气候变暖问题总是围绕地基气象站所记录的温度潜在剩余偏差。这些记录尤为重要,但是其表示的只是气候系统变化的单一指标。全球变暖更多的证据来源于对气候系统中许多其他要素的广泛测量结果,这种测量是独立进行的,在物理上具有一致性,而这些要素之间又具有紧密联系。

        全球变暖的证据来源于多项复杂而独立的气候指标,高到大气层上部,深至海洋底部。这些指标包括地球表面温度、大气温度和海洋温度的变化,还包括冰川、积雪、海冰、海平面和大气水汽等方面的变化。全球各地的科学家对此类证据已独立验证过多次,证实了自19世纪起全球就开始变暖是毋庸置疑的。

        气候在整个地球历史中和所有时间尺度上一直在变化。当前的气候变化在某些方面并非异常,但在另外一些方面则属异常。与过去50多万年相比,大气中二氧化碳的浓度现已经达到创纪录的高值,并且还在以异常快的速度继续这种趋势。与过去至少500年、甚至可能超过1000年相比,目前的全球温度是偏暖的。如果这种变暖持续下去,所引起的本世纪气候变化将是极端异常的。当前气候变化的另一个异常方面是它的成因:过去的气候变化源于自然原因,而过去100年特别是近60年的大部分变暖是因人类活动所致。

        在对当前的气候变化和早期的自然变化进行比较时,必须区分三点不同。首先,必须明确是在对哪些变量进行比较:是温室气体浓度,或者温度(或者其他气候参数);是它们的绝对值,还是其变化速率?其次,切勿把局地变化同全球变化相混淆。局地气候变化通常比全球气候变化大得多,因为局地因子(如海洋或大气环流的变化)能够把热量和水汽从一个地点转移输送到另一个地点,局地反馈会产生影响(如海冰反馈)。相比之下,全球平均温度的较大变化需要某种全球强迫(如温室气体浓度的改变或太阳活动)。第三,必须区分时间尺度。与百年的时间尺度相比,几百万年的气候变化可能要大得多,并且有不同的成因(如大陆漂移)。

        当前关注气候变化的主要原因是大气二氧化碳(和其他一些温室气体)浓度的增加,这种增加在第四纪(过去约两百万年)中是十分罕见的。过去6.5万年间的二氧化碳浓度是从南极冰芯准确获知的。在这段时期内,二氧化碳浓度在冷冰川期的低值180ppm 和暖间冰期的高值300ppm之间变化。在过去一个多世纪里,浓度值快速增加而大大超出了这一范围,现在约为400ppm。相比之下,在上一个冰期结束时,二氧化碳浓度上升约80ppm花费了5000多年的时间,高于当前值的浓度值仅在几百万年以前出现过。

        另一个问题是目前的变暖速率。代用资料中记录的全球气候变化是否较快?过去一百万年间最大的温度变化发生在冰川期,在这段时期,全球平均温度从冰期的4℃变化为间冰期的7℃(局部变化要大得多,如在大陆冰盖附近)。然而,资料表明冰期结束时的全球变暖是一个渐进的过程,历时近5000年。因此很明显,根据以往的变化,目前全球气候变化的速率要快得多,且十分异常。

        温室气体排放是气候变暖的主要原因

        观测到的气候长期变化(超过十年的时间尺度)的原因是通过确定预期的气候变化不同原因的“指纹” 是否存在于历史记录来进行评估的。这些指纹来源于对个别气候强迫所引起,气候变化的不同形态的计算机模型模拟。在数十年时间范围内,这些强迫包括诸如温室气体的增加或太阳亮度的变化等过程。通过将模拟的指纹形态与观测到的气候变化进行比较,我们能够确定观测的变化是否通过这些指纹形态或者自然变率(不由任何强迫引发)得到最好的解释。

        在观测到的20世纪气候变化的形态中,人类引起的温室气体增长的指纹是明显清晰的。除此之外,这些观测的变化不能通过自然强迫或是由气候模型模拟的自然变率的指纹来解释。因此,归因研究支持这一结论,即“1951年至2010年间观测到的全球平均表面温度一半以上的增加极有可能是由人类活动所造成的”。

        地球的气候一直在变化,而且可能由多种原因引起。要确定所观测到的变化的主要原因,我们必须首先确定观测到的气候变化是否不同于完全不由任何强迫引起的其他波动。不同强迫引起的气候变率,即所谓的内部变率,是气候系统中各个过程相互作用的结果。大尺度的海洋变率,如太平洋 的“厄 尔 尼 诺-南 方 涛 动”(ENSO),是在十年至百年时间尺度上内部气候变率的首要来源。

        气候变化还可能来自气候系统外的自然强迫,如火山爆发或太阳亮度的变化。诸如此类的强迫可引起那些地质记录中清晰记载的剧烈变化。人类造成的强迫包括温室气体排放或大气颗粒物污染。这些强迫中任意一个,不管是自然的或人为造成的,都能影响内部变率,并导致平均气候的变化。归因研究试图确定观测到的气候中能检测到的变化的原因。在过去一个世纪中,我们知道全球平均气温已经升高,因此,如果观测到的变化是由强迫引起的,那么主要的强迫一定是导致气候变暖而不是变冷的强迫。

        严格的气候变化归因研究都是通过气候模型的对照实验来进行的。经模型模拟的对特定气候强迫的响应通常被称为这些强迫的“指纹”。为了产生一个有意义的气候变化归因评估,气候模型必须可靠地模拟这些与单个强迫相联系的“指纹”形态以及无强迫的内部变化形态。没有模型能够完美地再现气候的所有特征,但很多详细的研究表明,采用当前模型的模拟对于进行归因评估确实是充分可靠的。

        总体而言,观测到的温度变化的形态与单独响应自然强迫的形态显著不同。对所有强迫的模拟响应,包括人为强迫,很好地匹配了观测到的表面变化。如果不包括对人为强迫的响应(包括温室气体、平流层臭氧和气溶胶),我们就不能正确地模拟最近观测到的气候变化。自然原因引起的变化仍在气候系统中发挥着作用,但最近温度的趋势很大程度上归因于人为强迫。

        二氧化碳是气候变暖的罪魁祸首

        温室气体有水汽、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氯氟碳化合物及臭氧等。

        水汽在地球大气层中是主要的温室气体。水汽相对于二氧化碳对自然温室效应的贡献取决于核算方法,但可以认为比二氧化碳的贡献约大2倍至3倍。额外的水汽通过人为活动注入到大气中,主要是通过灌溉作物蒸发量的增加,同时还通过电厂降温,少量通过化石燃料的燃烧。因此,人们可能会问,谈及引发气候变化的强迫时,为什么对二氧化碳而不是水汽如此关注?

        水汽的行为不同于二氧化碳的一个基本表现是:它能凝结和沉降。当高湿度的空气降温时,一些蒸汽凝结成水滴或冰粒并沉降。水汽在大气中通常会停留10天。水汽通过人为源头进入大气的流量比“自然”蒸发的要少得多。因此,它对整体浓度的影响可以忽略不计,并且对长期的温室效应没有显著作用。这就是为什么对流层水汽(通常低于10公里高度)不被认为是造成辐射强迫的人为气体的主要原因。

        在平流层(大气层约10公里以上的部分),人为排放对水汽确实有显著的影响。通过氧化作用,由人类活动导致的甲烷浓度的升高带来了额外的水源,这也部分解释了在平流层所观测到的变化。平流层中水汽的变化有辐射影响,被认为是一种强迫,并且可以进行评估。平流层水汽的浓度在过去几十年有显著不同。这些变化的确切范围还不是很清楚,可能与其说是一种强迫,不如说是加到自然变率中的反馈过程。平流层水汽对变暖的贡献,从强迫和反馈两方面来讲,都要比来自甲烷或二氧化碳的小得多。

        空气中水汽的最大量由温度控制。极地地区从地表延伸到平流层的典型空气柱中每平方米可能只包含几千克水汽,然而热带地区类似的空气柱可以包含高达70千克的水汽。空气温度每升高1℃,大气可以多保留7%的水汽。浓度的增加放大了温室效应,并且因此导致更多的变暖。该过程被称为水汽的反馈过程,这很好理解,也得到了量化。它出现在用于估算气候变化的所有模型中,其优点是与观测一致。虽然已观测到大气中水汽的增加,但人们认为这种变化是一种气候反馈 (来自大气温度的升高),不应解释为人为排放导致的辐射强迫。目前,水汽在地球大气中发挥着最大的温室效应作用。然而,其他温室气体,主要是二氧化碳,对维持水汽在大气中的存在是必要的。事实上,如果从大气中去除这些气体,其温度将下降到足以引起水汽减少,而导致温室效应下降失控,使地球骤然进入冰冻状态。所以,是其他温室气体而不是水汽提供了维持当前大气中水汽水平的温度结构。因此,虽然二氧化碳是主要的人为控制气候的“按钮”,但水汽是一种强有力并且迅速的反馈,它以一个介于2和3之间的典型系数放大任何初始强迫。水汽不是一个显著的初始强迫,然而却是气候变化的基本介质。

        水汽作为自然温室效应的最大贡献者,在地球气候中扮演了重要角色。然而,大气中水汽的总量主要是由空气的温度而不是排放所控制的。出于这个原因,科学家认为水汽是一个反馈介质,而不是引发气候变化的强迫。

        因此,二氧化碳是造成气候变化的罪魁祸首。

 

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