作者答疑：談氣候變化，先明確時間尺度

中國綠發會

中國生物多樣性保護與綠色發展基金會

氣候變化，與我們每個人的命運息息相關 | 圖源：pixabay.com

READING 編者按一周前，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）最新的第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學基礎》發布，聯合國秘書長安東尼奧·古特雷斯（António Guterres）稱之為 “對人類的紅色警告”，再次提醒人類活動造成的溫室氣體排放增加給人類和地球帶來的潛在風險。《知識分子》邀請中國科學院大氣物理研究所研究員周天軍和浙江大學地球科學學院教授曹龍，對該報告進行了解讀。文章刊發之後，引發不少讀者的討論和質疑，例如，“在沒有工業化和大量溫室氣體排放的情況下，全球氣候也在不斷變化，如何確定如今人類活動的影響程度？” “氣候變暖就是有害的嗎？” “面對岌岌可危的氣候危機，人類如何自處？”針對部分討論，《知識分子》再次邀請兩位作者，從實際觀測數據和自然科學基礎的角度進行回應。兩位作者認為，相較於氣候冷感，國內輿論場中的氣候質疑，或許不失為一種進步，也希望針對具體問題的回應，可以激發更多有價值的思考。畢竟，這與我們每個人的命運息息相關。

撰文 | 曹龍（浙江大學）

周天軍（中科院大氣物理研究所）

左萌（中科院大氣物理研究所）

責編 | 馮灝

● 　● 　●1二氧化碳通過溫室作用造成升溫是基本的物理理論

問：只有亞洲地區的氣候變化超出了自然變率的範圍嗎？為什麼亞洲臨近海域的海平面上升速率高於其他地區？

答：全球變暖的空間分布不是均勻的，中高緯度特別是北極地區的增暖更強。因此，並不是只有亞洲的氣候變化超出了自然變率的範圍。關於海平面升高，觀測證據顯示，在1993-2018年期間，西太平洋地區的海平面升高最快，而東太平洋海平面升高最慢（中等信度）。這種區域差異和海洋動力學過程有關。

問：根據IPCC報告的觀測數據（1950-2020年），北大西洋部分海域為什麼變冷了？

答：IPCC報告明確指出，人類活動已經使大氣、陸地、海洋變暖。大氣圈、海洋圈、冰凍圈和生物圈已經發生了快速和廣泛的變化。但是，大範圍變暖不代表所有地區都變暖。在人類活動影響的同時，氣候系統的自然變率也會對氣候變化產生重要影響，特別是局地尺度的氣候變化。圖中顯示的北大西洋部分海域變冷和 “大西洋經向翻轉環流”（AMOC）的減弱有關。當AMOC正常運作時，循環系統會將墨西哥灣附近熱帶地區含鹽的溫暖表層水帶到北方的歐洲海岸，並將融冰生成的寒冷淡水帶走。

伴隨每一單位的全球變暖，溫度、濕度和土壤濕度的變化在區域尺度上表現得更強 | 圖源：文獻<1>

圖a 觀測和模擬的年平均溫度變化比較，左圖為觀測值（1950-2020年），右圖為模擬值（多模式集合結果），均為伴隨全球增暖1C時局地溫度的變化

圖b 模擬的相對於1850-1900年基准態當全球增暖1.5C、2.0C和4C時年平均溫度變化的空間分布

問：近五十年來，南極大氣觀測二氧化碳濃度呈現升高趨勢，但是夏季、冬季地面觀測月平均氣溫呈現線性降低趨勢，“二氧化碳-升溫”理論在南極是不是個例外？

答：二氧化碳通過溫室作用造成升溫是基本的物理理論，不存在所謂 “例外”。但是，溫度不僅僅受到二氧化碳變化的影響，也受到其它外源強迫的影響，特別在區域尺度，自然變率也會起到重要的調節作用。

南極的氣候變化特征比較複雜，空間上分布不均勻，自1950年以來，南極半島非常可能在變暖，而東南極的溫度變化沒有顯著趨勢。

問：二氧化碳是近二百萬年濃度最高，為什麼氣溫卻並不是近二百萬年最高？

答：二氧化碳濃度是一個影響氣溫的重要因子，但不是唯一的因子。在百萬年的時間尺度上，地球繞行太陽的軌道參數的變化、太陽輻射的變化等，都會對地質時間尺度的氣候變遷產生重要影響。

據最新的氣溫重建序列，距今200萬年處在第四紀更新世早期，氣溫開始下降，低於當前氣候。而距今約300萬年的中上新世時期，二氧化碳濃度約400ppm，與當前氣候相當，但溫度高於當前氣候。這是由於當時的氣候變化除了受到溫室氣體的調控，冰蓋等外強迫因子也對其有重要影響。

除此之外，地質時期的暖期海陸位置、洋流格局、地形和植被等要素都和當前氣候存在差異，氣候敏感度也與當前不同，並且是氣候與溫室氣體達到長期平衡的結果，而非對溫室氣體強迫的瞬時響應。因此，不能直接地通過溫室氣體濃度的高低來比較當前的氣候變暖與地質時期暖期的溫度高低。

2談氣候變化，先明確時間尺度

問：歷史上，在沒有工業化和大量溫室氣體排放的情況下，全球氣候也在不斷變化，如何確定如今人類活動的影響程度？

答：談氣候變化，一定要先明確時間尺度，不同時間尺度上的變化，背後的驅動因子不同。

氣候變化包括年代際、百年際、千年甚至更長時間的地質時間尺度。驅動因子可以分成兩類，一是自然原因，例如地球繞行太陽的軌道參數的變化、太陽輻射的變化、火山噴發的影響等；二是人為因子，包括人類排放的溫室氣體、氣溶膠、以及土地利用等的變化。

地質時間尺度的氣候變化，由自然因素決定，例如，在幾千萬到幾億年的時間尺度，大陸漂移、造山運動、板塊運動等地質構造運動對全球氣候產生重要的影響。萬年到百萬年尺度的冰期和間冰期的氣候主要受到地球繞行太陽軌道參數變化的影響。

人類社會工業化以來這一百多年的氣候變化，主要由人為因子驅動，盡管自然因子也有貢獻，但是遠小於人類活動的貢獻。化石燃料燃燒排放的二氧化碳等溫室氣體的影響起主導作用。

如何確定人類活動的影響程度，主要依靠氣候模式模擬和觀測資料的對比，結果表明，當只考慮自然強迫時，無法模擬出1850年以來的變暖；而當同時考慮人類活動和自然強迫時，可以再現觀測中的增暖現象。

問：溫升跟碳排放呈線性關系，就有因果關系？物換星移，滄海桑田，地質時空的變化哪裏是蚍蜉人類能改變的。

答：一，溫升和累積碳排放的准線性關系，主要指工業革命以來這100多年間器測資料揭示的觀測事實。這種准線性關系的背後是二氧化碳排放、碳循環和溫度變化之間的因果物理聯系。理論分析和氣候系統模擬都揭示了這種關系。

二，關於工業革命以來溫室氣體和溫升的因果關系，不是基於准線性關系推斷出來的，而是采用“檢測歸因技術”定量估算的結果。具體作法是：

1首先，構建工業化以來100多年的各種強迫場觀測數據，既包括自然因子（主要是太陽輻照度和火山氣溶膠資料，因為地球軌道參數在這個時間段變化不大），又包括人為因子（含各種溫室氣體、氣溶膠和土地利用變化）；

2隨後，分別利用這些自然因子和人為因子觀測數據來驅動地球氣候系統模式（基於數學和物理規律建立的“地球模擬器”），在高性能計算計算機上做數值模擬；

3接著，利用一種稱作“最優指紋法”的統計技術，來尋找數值模擬結果和觀測結果之間的關系，定量估算不同強迫因子對觀測的增暖的貢獻。

三，滄海桑田那個時間尺度的氣候變化，屬於地質時間尺度的氣候變化，完全是自然因素作用的結果。例如，地質時期的氣候變化，可以用米蘭科維奇理論來解釋，涉及地球軌道偏心率、黃赤交角和歲差這三大天文因子的變化，其時間尺度是萬年到百萬年；地質構造運動如大陸漂移、造山運動、板塊運動等，也會影響地球氣候，其時間尺度是幾千萬到幾億年。

我們關注的全球變暖，主要是針對工業革命以來這100多年間，在此期間，地球軌道偏心率、黃赤交角、歲差、太陽輻照度等自然因子的變化不大；溫升主要來自化石燃料使用導致的溫室氣體排放。

而我們之所以關注全球變暖，是因為它事關人類文明，事關我們的生存問題。不管是溫度升高還是海平面升高，若速度太快，超出自然生態系統和人類社會的適應能力，結果就將是災難性的。

問：火山爆發可以大規模降溫，地球是不是擁有自我保護的功能？

答：火山噴發的確可以暫時給地球降溫，例如，1991年的皮納圖博火山噴發在接下來的兩年內，導致全球平均溫度下降了約0.3度，但其影響也就持續幾年。

IPCC評估報告指出，根據古氣候和歷史證據推斷，在21世紀，可能至少有一次大規模的火山噴發。這樣的火山噴發的確會在年際時間尺度上影響全球氣候，在1-3年內降低地表溫度和陸地降水，改變季風環流和極端降水，暫時和部分抵消溫室氣體增加造成的全球變暖，但不能緩解長期暖化效應。

3過去無法挽回，未來可以改變

問：溫升對中國就是壞的？中國歷史上最繁盛的時代都在溫暖期！

答：自1970年以來，全球表面溫度的上升速度超過了至少2000年來的任何時候，中國歷史上的漢唐時期，溫度也低於當前氣候。全球增暖已經造成了中國極端高溫、極端強降水事件的增加，並在未來預估中進一步加劇，會帶來嚴重的社會經濟損失。

另一方面，目前的工業社會與歷史時期的農業社會在經濟發展、人口分布、社會結構等諸多方面有巨大的差異，氣候變化對不同的社會形態影響不同，因此，不能用歷史時期氣候變化對社會的影響簡單地類推現在和未來氣候變化的影響。

問：在其他科研領域，好像每天有新的物理機制被發現、新的材料被合成運用、新的尖端儀器被創造，而在關於大氣生態科學的新聞裏，1.5度的概念也宣傳很久了，但基本還是在闡述問題的嚴重性和急迫性，較少提到一些實質性的新科學和新技術的發展（如馬斯克提到的碳捕獲技術），這是為什麼呢？

答：應對氣候變化的挑戰和難度在於這是一個全球性的大範圍問題。例如，雖然有些正在發展的二氧化碳移除技術（從大氣中直接捕獲二氧化碳，然後將捕捉的二氧化碳埋藏在地下）在局地小尺度上進行實驗嘗試，但是如果要在大範圍實施這些技術，起到顯著降低大氣二氧化碳濃度的作用，在技術、成本、安全性、對環境影響各方面都面臨很大的挑戰。

同時，也要考慮各種可能的副作用。很多分析研究指出，直接從大氣中捕捉二氧化碳的碳捕捉設備都需要很高的運行成本和能耗。

問：即使現在立刻實現零排放，也需要萬年時間恢複熱帶雨林和南北極冰川的載量，海水的酸度變化可能是永遠不能恢複的。對人類社會來講，超級台風和短時間大暴雨等極端天氣會變成常態，沿海城市會逐漸被放棄…. 在氣候危機面前，人類如何自處？

答：我們只有一個地球，無處逃避，只有積極應對。過去無法挽回，未來可以改變。我們今天的行動，決定著地球氣候的未來。

每多排放一份二氧化碳和其它溫室氣體，就會增加一份氣候變化風險。因此，快速和大規模減排是減緩氣候變化的必須。同時，要未雨綢繆，積極做好氣候變化應對措施。