第 16 讲 气候变化中关键科学问题的释疑（二）

目录• 气候模式的预测是否可靠？• Charney 的气候敏感性及以后的争议• 气候突变有可能发生吗• 云的作用－长期争论的一个科学问题• 温室气体排放一定会引起温室气体大气浓

度和气温增加吗？• 盖亚理论（ J.Lovelock ）及其争议

气候模式的预测是否可靠？• 气候模式的发展之所以受到很大的重视，

主要在于它对未来的气候条件能够提供有物理依据、比较可信的客观、定量的预测结果，尤其是对大尺度气候异常和变化的预测可信度较高。

气候模式的信度来自三个原因• 一是构建气候模式的基础是一套描述地球系统特

征的物理或定律和数学方程组，它们在物理学和数学或计算数学领域中是完全被证明和公认的。

• 第二个原因来自于它模拟或复制现代气候的能力。通过与大气、海洋、冰冻圈和陆面观测资料的大量比较和评估表明，气候模式在模拟许多重要的平均气候特征与不同时间尺度分布型和变率两个方面都显示出显著的和不断改进的技巧和成功（图 1 和图 2 ）。

• 第三个原因是能够重现或复制过去气候（古气候）和气候变化的特征。

图 1 20 世纪全球平均的近地面气温模拟和观测（黑线）之比较。模拟由 14 个气候模式得到，考虑自然和人类活动因子的共同影响。温度距平是相对于 1901-1950 年的平均值（ IPCC,2007 ）

图 2 全球平均的百年近地面气温曲线（黑线）和 14 个气候模式模拟的平均曲线（红色）。垂直灰色线是主要火山爆发时间（ IPCC ， 2007 ）

气候预测是涉及耦合的非线性混沌系统，因而未来气候态准确的长期积分是不可能的。即使有外强迫，但他们具有明显变化的影响，由于有些是地球以外的过程，十分不了解，也不可能控制。因而气候模式不可能很合理和准确的表征他们的作用，这导致：

• 模式的气候敏感性范围超过 Charney 的 1.5～ 4.5℃范围，有的高达 11 ℃，有的小于 1.5 ℃，不确定性很大。因而模拟和预测结果会有很大的不确定性。

• 模式未考虑太阳的变暗和变亮• 模式未准确地表征和模拟云的作用• 模式未能模拟水汽的负反馈作用• 模式未解释观测气候的许多特征 • 模式未能作出可靠的区域气候变化预测

• 因而，有人认为 IPCC 用的气候模式未能描述混沌的，无限期的气候系统。他们不能做出可能的预报。因而不应用于政府政策的制定。

Charney的气候敏感性和气候平衡态争议

• 至今大部分气候敏感性研究是针对平衡的气候敏感性。它指相当温室气体大气浓度加倍后年平均全球地表温度的平衡变化。平衡气候敏感性的可能范围在第三次评估报告中（ TAR）估算为 1.5-4.5℃.这个数值范围与美国国家研究委员会早期报告中的范围（ 1979 ）即 Charney 敏感性是相同的，也与 IPCC 第一，二次报告中的范围相同。

• 自 TAR后用了新方法建立敏感性与某些可观测量之间的关系（或直接或通过模式），并且估算与观测相一致的气候敏感性范围或概率密度函数（ PDF）。这些方法主要有两种：由过去不同时间尺度气候变化的约束条件和由模式集成得到的气候敏感性结果的散布状况估算气候敏感性。

• 第一种方法用过去 1000 年地面温度，高空温度，海洋温度，辐射强迫计算，卫星资料，代用资料的历史瞬变或其中之子资料集去计算敏感性范围（图 3）。大部分结果肯定 :气候敏感性非常不可能小于 1.5℃。如果考虑观测的历史趋势中的所有主要的已知不确定性，不可能排除气候敏感性超过 4.5℃的可能性，虽然这种高值比起 2.0℃-3.5℃值而言，更不可能出现。

• 两个最近的研究是用末次冰盛期（ LGM）气候敏感性与热带SSTs的模拟关系与 LGM的代用资料估算了气候敏感性。所得结果由于模式中所用强迫不同， LGM SSTs与敏感性关系不同，而有明显差异。但发现与约 3℃的敏感性有最好的一致性。在 1.5-4.5℃范围内有合理的一致。但他们不能排除大于 4.5℃的敏感性。

• 第二种方法是分析GCM中的气候敏感性。在这些模式中，气候敏感性不是单一的可调参数，而是取决于许多过程和反馈。Murphy等（ 2004 ，非加权的）对 29 个参数进行取样，并假设个别的作用可线性迭加。最常出现的气候敏感性值是按 3℃左右分组的。但这可能反映了非扰动模式的敏感性。对于许多方法其共同点是不能排除非常高的敏感值，这是由于对于十分清楚的物理原因，大部分能够观测的量当敏感性增加时，其变化率（对敏感性）趋于零（图 4 ）。

• AR4 AOGCM（耦合非动力平板海洋模式）平均的气候敏感性值是：在 5%-95%范围内为 2.1-4.4℃，平均值约 3.3℃（对数分布是 2.2℃-4.6℃，中值是 3.2℃）。从TAR之后大尺度气候的模拟及对气候反馈和平衡气候敏感性诊断与认识有相当的进展，因而对水汽递减率反馈的信度增加。但云的反馈（尤其是低云）被确认为是气候敏感性差异的主要来源。通过各种方法对平衡气候敏感性的估算可总结如下： CO2倍增下全球平均增暖或平衡气候敏感性处于 2-4.5℃范围，最可能的值是 3℃左右；平衡气候敏感性非常可能大于 1.5℃，高于4.5℃的值仍不能排除，但其与观测和代用资料的一致性一般变差，低于 2.0-4.5℃的敏感性的情况。

图 3 （ a ）由大气温度，辐射强迫和海洋热量吸收的瞬时演变推算（或约束）的 PDF或频率分布；（ b）同（ a ），但给出的是 5-95%范围，中值（圆圈）与最大概率值（三角）；（ c ）与（ d），同（ a ）一样，但用的是现代气候的约束；（ e ）与（ f）不同模式的或单一模式多扰动参数的非加权或拟合分布。它们不应被解释为 PDF（ IPCC ， 2007 ）

图 4 由观测的 20 世纪增暖（红色），模式气候学（蓝色）和代用资料（绿色）得到的气候敏感性之个别累积分布。由图 3（ a ）（ c ）（ e ）得到。（ IPCC ， 2007 ）注：气候敏感性概念和理论见大气科学一书（科学出版社， 2008）

• 除了平衡气候敏感性外，还有有效气候敏感性和瞬变气候响应（ TCR）。这两种敏感性不需要平衡条件，而是根据演变的非平衡条件进行估算。有效气候敏感性主要是某一特定时间气候反馈强度的一种度量，可以随强迫过程和气候态而变。气候敏感性参数（℃（Wm-2 ） -1 ）是随单位RF变化年平均全球地表温度的平衡变化。它用的海洋模式不像平衡气候敏感性用平板海洋模式，而是用动力海洋模式。 TCR是指 20 年平均全球地表温度的变化，其中心在大气 CO2 加倍时间处，即在 70 年时间处。也就是说，它以 1%/年 CO2 增加，用海气耦合模式试验得到的2倍 CO2 时的全球平均的地表温度变化。它不像平衡气候敏感性主要决定于大气模式。它测量的是地表平均温度对温室气体强迫响应的强度和快慢速率。

气候突变有可能发生吗• 理论，模式和古气候重建肯定了气候系统的变化能够突然

与大范围发生的事实。• 气候突变是发生在气候系统受到较强的强迫通过某阈值后，启动气候系统以由其本身决定的，且比其原先更快的速度向新的气候态过渡（图 5 ）。

• 一种纯线性系统的响应与强迫是成正比例的，在强迫建立的时候，一种新的平衡被达到，它从结构上是相似的，但不一定接近原来状态。但如果系统包含一个以上的平衡状态，则有可能过渡到结构不同的状况。

• 在穿过一个翻转点（分岔点），系统的演变不再受强迫的时间尺度所控制，而由其内部动力学所决定，它或者比强迫快得多，或者慢得多。

图 5 气候变量对强迫的各种响应的概略示意图。上图表明强迫达到一新的稳定水平（左部），后来通过很长时间又回到原始水平（右部）。下图表明，气候变量的响应能够是平滑的（实线），或通过一分岔点向结构不同的状态过渡（虚线。过渡可能是快速的（突变，长虚线）或是逐渐的（短虚线），这决定于气候系统的内部动力学而不是强迫。长期行为也显示不同的可能性。当强迫回到其原来值时变化可能是不可逆的，这时系统处于不同的稳定态（虚实线），或是可逆的（实线，点线），这时过渡又可以是逐渐的或突然的。一个明显的例子是北大西洋温盐环流（MOC ）对辐射强迫逐渐变化的响应。（ IPCC ， 2007 ）

大尺度，长时期气候突变的例子 （ 1 ）大西洋经向翻转环流（温盐环流MOC ）和其

它海洋环流的变化 ：模式模拟结果一致表明，如果北大西洋表层水密度由于增暖或盐分减少，温盐环流（MOC ）强度减弱，因此释放给这些地区的热量也减少。盐分的持续和明显的减少可能会诱发强度更加明显减少和热量释放的大量降低。这种变化曾发生在过去气候变化中（如新仙女木事件）。

• 现在的问题是增长的人类对大气的影响是否会构成对MOC足够强的扰动以致可能诱发这种变化。

（ 2 ）北极海冰 • 预测表明到 21 世纪末海冰将几乎完全消失。气候

系统中的许多正反馈加速海冰的变化。冰—反照率反馈使未冻结的海水在夏季接收到更多的太阳热量。通过暖水平流增加向北极的海洋热输送，更强的环流以后进一步减少冰盖。在 9月可观测到海冰覆盖的最低值。模式模拟表明， 9月的冰盖由于全球变暖而大量减少，一般是据变暖的时间尺度演变，由于持续增暖，夏末大量海冰的消失是永久性的。

（ 3）冰川和冰盖 •根据不同地区 11 条冰川的模拟，到 2050

年预测这些冰川体积损失达 60%，美洲的冰川区也受到影响。 7 个 GCM CO2 加倍模拟表明，由于高度平衡线增加，许多冰川将完全消失。这些冰体的消失速度比潜在的需几个世纪的冰川重建时间要快得多，在某些地区可能是不可逆的。

（ 4 ）格陵兰与西南极冰盖• 格陵兰冰盖的迅速解体与西南极冰盖的突然崩塌。

模式模拟和观测表明，北半球高纬的增暖加速了格陵兰冰盖的融化，由于加强的水圈循环而造成的增多的积雪不能补偿这种融化带来的冰量损失。结果格陵兰冰盖在未来几世纪可能大大缩小。此外结果还表明，存在着一个临界温度阈值，超过这个阈值南极冰盖可预期完全消失。但整个格陵兰冰盖的完全融化是一个缓慢的过程，将用几个世纪的时间完成，其结果是使全球海平面上升约7m。这个阈值为年平均增暖为 1.9-4.6℃。

•西南极冰盖（WAIS）的崩溃被认为是全球变暖另一潜在的响应 。

• 目前冰盖模式只是开始模拟这种小尺度动力过程，它涉及与冰川床和冰盖周边海洋的复杂相互作用。因而，现代冰盖模式尚不能定量的给出这种事件发生的时间或可能性。

（ 5 ）植被覆盖• 4-6千年前撒哈拉地区的沙漠化。其原因被认为是植物群落相对于温度和降水的限制，一旦临界水平被超过，某些物种在其生态系统内部将丧失竞争力。接近植被边界的地区将具有特别大而迅速的变化，这是由于全球变暖会引起这些边界发生缓慢的迁移。

• 气候模式对将来的模拟表明，南美的干暖化将导致亚马逊森林的不断减少。虽然在 21 世纪是连续演变的。但这种变化和最终的消失可能是不可逆的。但这个结果取决于模式，因 11 个， AOGCM的分析表明，亚马逊地区将来的可能降雨变化范围甚广。

• 可能发生的“气候意外：”之一是土壤在全球碳循环中的作用。随着 CO2 浓度增加，从全球平均看，土壤作为碳汇累积碳。

• 模式模拟表明，约到 2050 年，通过呼吸作用增加而释放以前积累的碳可使土壤变成碳源。

• 由中等程度的汇转变为强大气碳源是相当迅速的，20 年内可以发生，但是开始或爆发的时间是不肯定的。

• 模式比较揭示，一旦这种过程开始，呼吸的增加，即使在 CO2水平保持不变情况也会继续下去。

（ 6 ）大气和海——气状况• 天气型和状况的变化是能够自发发生的突然过程 • 在未强迫的长期模拟中，发现格陵兰以南地区出现几十年的异常低温

（到平均值以下 10 个标准差），它是由持续性的风引起，它改变了海洋的层结，阻止了对流，以此减少了从海洋向大气的热输送，其它模拟表明，缓慢增加的辐射强迫能够引起格陵兰—冰岛—挪威海对流活动的过渡，从而影响格陵兰和西欧的大气环流。这种变化在几年内发生，表明系统已超过了阈值。

• 极地变率（ NAO,AO与 AAO）状况的 多模式分析揭示，模拟的 21世纪趋势影响 AO与 AAO，将来会出现更多的纬向环流。由大气环流（诸如 NAO）变化引起的温度变化在某些地区（如北欧）能超过长期的全球变暖，而变暖又是引起这种年代际状态改变的原因。因而人类活动引起的强迫与系统的气候内部变率可能有一定的相互作用，这是近年来提出的人类产生的气候变化下的自然变率及其相互作用问题。

云的作用－长期争论的一个科学问题

这是长期争论的一个重要问题，在对全球气候变化的预测中，云的影响是最大的不确定因素之一。

（ 1 ）云反射一部分太阳光，具有降温作用，同时也吸收地表及其下方大气放射的长波辐射，具有温室效应，使大气温度升高，因而具有两种相反的作用。

（ 2 ）哪一种作用占优势决定于云高和光学厚度• 深厚的对流云（如在热带）：两种作用相互抵消，云的净辐射强迫作用很小；

• 边界层顶反射性强的云层，反照率很大，净的负辐射强（冷却）；由于气候变暖低云区扩大，对全球平均温度将产生负反馈，减少增温。但如果气候变冷，低云区缩小，将会产生正反馈。

• 层云和层状云：出现在下沉区，一般其之下海面SST和边界层偏冷，但其面积变化与全球变暖之关系不清楚。

• 高层薄卷云区：增暖大气，因为向下的太阳辐射吸收和散射很小，而向上的长波辐射很大，一部分被吸收，并在很低的温度下再放射到外空。

就目前的研究而言，云究竟是产生怎样的反馈还很有争议。对当前气候，一般认为云的总效应是冷却效应，因而对全球变暖可能不起关键的作用。然而由于云反馈的复杂性和不确定性，对这一问题的认识还需要进一步的研究，因而不能过早地下结论。

举例• BC 气溶胶的半直接作用即 BC 气溶胶对短

波的异常加热可使云层消散，从而改变地面的短波辐射量，即减弱地表的冷却作用，甚至转为变暖。从而改变以后的大尺度环流（包括季风环流）

温室气体排放一定会引起温室气体大气浓度和气温增加吗？

• 大气温室气体浓度的变化取决于由大气中每一种气体的化学和物理过程。有些温室气体的浓度对于排放的减少立即作出响应，而另一些即使在排放减少后几百年实际上仍能继续增加。

• 任何痕量气体的浓度变化部分取决于其排放随时间的演变。如果排放随时间增加，大气浓度将也随时间增加，而不管该气体的大气生命期如何。但如果采取行动进行减排，未来痕量气体浓度的多少将取决于的不仅是排放，而且也包括其排除过程的相对变化。

图 6 （ a ）为使浓度稳定在今天水平或减排 10%（红色），30%（绿色）， 50%（深蓝）和 100%（淡蓝）时大气 CO2 浓度相对于现代模拟变化；（ b）对生命期为 120 年的痕量气体，由自然和人类通量驱动。其它同（ a ）；（ c ）对 12 年生命期的痕量气体。只由人类通量驱动（ IPCC,2007 ）

• CO2 排放率目前大大超过它的清除率，缓慢而不完全的清除意味着， CO2小到中程度的减排将不会造成 CO2 浓度的稳定，而只是在未来几十年中使其增长率减少。

• 对于有确定生命期的痕量气体情况完全不同。对有 100 年生命的 N2O而言，需要 50%以上的减排才能稳定在今天的浓度水平（图 6b）。常值排放要稳定浓度需几百年。对于短生命气体，今天的损失约占排放的 70%，不到 30%的减排仍会造成浓度短时期增加，但不同于 CO2 ，它可在几十年中使浓度稳定（图 6c ）。这种气体浓度稳定水平的降低，直接正比于减排状况。因而这种气体大于 30%的减排可使其稳定在明显低于今天的水平之下。如完全没有排放，在不到 1 个世纪将导致回到工业革命之前的浓度（对于 10 年生命期的气体）。

盖阿理论（ J.Lovelock ）及其争议

• 盖阿（ Gaia ，希腊地球神）理论将地球与生物当做一个可以自我调节的整体，强调生物圈对全球环境的作用。不能把生物仅仅作为环境的附属品，而片面强调环境对生物进化的制约，（达尔文进化论强调生物对环境的适应）生物在自身进化的同时，也积极调节着全球环境，使之更有利于生物进化。生物圈是联系地球各圈层的关键环节（图 7 ）。

• Gaia 的自我调节由生物反馈作用实现，主要是负反馈作用，抑制地球偏离原状态。这种生物反馈由达尔文的自然选择（或适者生存）产生。在地质事件之后，通过生物集体作用可以调节地球演化过程中发生的突变性变化，使之回复正常，以适应生物生长，即“生命造就生命”

图 7 生物与和环境共同演化（引自孙枢，王成善， 2008）

• 盖阿理论的提出者用雏菊世界来说明地球早期的生命。由于起初的世界比雏菊世界要复杂的多，因而，盖阿假说导致了许多争议。

雏菊世界和地球早期的生命• 雏菊世界是一个假想的行星，它自转，并围绕着一个很像太阳的恒星转动。只有雏菊生长在雏菊世界，他们有两种颜色，黑色和白色。雏菊对温度非常敏感，他们在 20℃生长最好，低于 5 ℃他们便不能生长，高于 40 ℃他们会枯萎死亡，雏菊通过自己吸收和放出辐射而影响他们自己的温度，褐色雏菊吸收更多的阳光，因而比白色雏菊保持更暖的温度。

• 在雏菊世界历史的早期，太阳相对较冷，比较适合于黑色雏菊，因为通过吸收太阳辐射，他们能将自己的温度维持在接近 20 ℃，大部分白色雏菊死掉了，因为它们反射太阳光，而不能使其温度维持在临界温度 5 ℃. 可是，在行星历史的后期，太阳变得热起来，现在白色雏菊也能茁壮成长，两种雏菊都很茂盛。再往后，当太阳变得更热，白色雏菊占主导地位，因为条件对黑色雏菊来说变得太暖和。最终，如果太阳继续增加其温度，即使白色雏菊也不能使其温度维持在临界温度 40 ℃以下，所有的雏菊都死掉了。

• 雏菊世界是 Lovelock采用的一个简单模式，用来解释在地球上生命系统内部发生的复杂得多的一种反馈和自我调节。

• Lovelock 提出了一个相似的简单模式，作为对地球上的生命早期历史的一个可能描述，如图 8中虚线表示一个没有生命，而有一个像我们现在大气层的大气（大部分为氮，有大约 10%的二氧化碳）的行星上应具有的温度，由于太阳在这一期间逐渐变热，因而温度上升，大约在 35亿年前出现了原始生命。 Lovelock 在他的模式中只假定了两种生命形式，一种是厌氧光合作用细菌，他们利用二氧化碳组成他们的身体，但不放出氧气；另一种是具有分解作用的细菌，将有机物转换成二氧化碳和甲烷。当生命出现时，温度降低，伴随着温室气体二氧化碳浓度的减少，在大约 23亿年前的末期，出现了更复杂的生命。

• 由于存在过剩的自由氧，甲烷的丰度下降到低值，从而导致温度的另一次下降（甲烷也是个温室气体）。这些生物过程的整体影响是，在这一期间为地球维持了一个稳定的可以承受的温度（图 8）。

雏菊世界

图 8 地球早期历史的模式（ Lovelock 提出）

• 盖阿假定中强调：地球的反馈和自我调节是如此之强，以至于我们人类不需要关心我们创造的污染—盖阿有足够的调控能力来做我们可能要做的一切事件。这个观点没有认识到大量的扰动对地球的作用，特别是环境在适应人类活动方面的脆弱性。