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目前研究者对气候变化进行归因研究主要依赖的工具就是模式。这些气候模式实际上是气候系统的数学表达。气候系统非常复杂,考虑的因素众多,不仅仅地球上不 同的地域有着完全不同的气候表现,不同的气候现象之间也有相互影响,所以要比较准确地研究气候问题,很难使用简单直观的方式来演示,因此选用了模式的方 法。由于是数学表达,这些模式就可以通过计算机进行计算、优化,对过去和现在的气候现象进行分析,并根据模式对未来的气候变化趋势作出预测。AR4认为这 些气候模式的可信度是相当高的,说起来有三点原因。

IPCC说了什么?14 <wbr>气候变化归因
气候模式的演变
可以看到从1970年代气候模式提出以来,其复杂性逐渐增加,考虑的因素越来越多
第一个就是这些模式建立的基础。模式都是建立在基本的物理定律之上的,比如质量守恒定律,能量守恒定律等等已经在所研究的条件下经过了时间考验的基本定 律。不同的气候现象,可以使用不同的物理原理来进行表达,所考虑的气候现象越多,那么对于气候的代表性就越好,得到的结果也就更加可靠。当然人们对于很多 气候现象的理解仍然有限,还不了解很多过程精确的物理模型;气候系统本身也非常庞大,影响了完全精确的物理模型的直接应用,所以模型里面也包括了很多的物 理近似,以及通过数学离散的方法对大体系进行的估计。或者说,对于大量的不确定的体系,模式往往使用简化了的物理模型,引入参数来对气候进行描述,这里面 涉及到一系列的科学方法,这里不详述。模式里面也考虑了各个区域不用的具体特征等等,当然需要依赖大量的数据。气候问题忽然成了国际热点以后,相关研究的 进步还是很快的。需要指出的是,气候系统与天气系统虽然有关,但是模式还是有很大区别的。气候模式本身并不需要跟踪和预报单个天气系统的细节,所以对于初 始条件的要求并不像气象系统那么高,对于初始条件的变化也不会像气象模式那样能够对气候模式的模拟带来很大影响,这是天气模式与气候模型的一个重要区别。 对于气候模式而言,辐射强迫的重要性更加明显。

第二个原因就是这些模式对当前气候进行模拟的能力。对模式的能力进行评估的一个重要方法就是把模式的模拟结果与大气、海洋、冰雪、地表等等的观测结果进行 对比。目前有多个模式对气候进行研究,国际上为了协调不同的研究,有专门的协调机构对模式本身进行检查,收集发布在共同条件下开展的模式试验的模拟结果, 对模式进行全面公开的评价。通过这些相互对比,对模式的评估水平提高很快,应该可以说出现重大错误的可能性越来越小。在AR4的时候,模式在很多重要的平 均气候特征方面,比如大气温度、降水、辐射和风的大尺度分布,以及海洋温度、海流和海冰覆盖的大尺度分布,都有了很多进步,可信程度有所提高。还是要提醒 注意的是,对于气候模式的预测与天气模式的预测要求是不同的,气候模式对于预报几天以上的天气的能力存在局限性,但是这个局限性与其预测长期气候变化的能 力是无关的。

第三个原因就是模式对于过去气候和气候变化特征的再现能力。使用模式来模拟古气候取得了一些进展,对于仪器测量时代气候变化的模拟结果也不错。一个重要的 实例就是对过去一个世纪时间内的全球温度趋势的模拟,如下图所示。这个模拟中既包括了自然因素对气候的影响,也包括了人为因素对气候的影响。这个再现水平 还是不错的。对于数据更加充分的1980年代以后气候的模拟,模式的再现能力也禁住了考验,一些观测到的变化,比如夜晚温度上升幅度高于白天的气温上升幅 度,比如北极变暖程度较大,比如在重要火山喷发之后的小规模、短时间的全球变冷以及随后的恢复,都可以在模式中得到体现。

IPCC说了什么?14 <wbr>气候变化归因
对20世纪全球平均气温的模拟与实测值的比较
黑线为实测值,粗红线为多个模型平均结果,细黄线为各个单独模式的模拟结果
在气候确切没有受到人类活动干扰的时候,地球也经历了大幅度的气候变化。这些变化很显然只能归因为自然原因,这就提供了人们了解自然因素对气候影响的机 会。了解这些时期的自然因素的变化情况以及相应的气候变化,对于人们理解气候本身的行为有很大帮助。与人们对当前气候的了解相比,这些古气候信息一般覆盖 的时间比较长,有充分的时间展示各种气候反馈机制。当然,了解这些古气候的特征和变化原因、程度都有困难,大多数时候只能使用各种代用资料来确认各种变化 特征,这些在前面已经有了描述。有研究者使用分析20世纪气候变化的模式来分析一些很有特征的古气候,发现基本上可以抓住当时气候的主要特点,也增强了人 们对模式的信心。研究发现对于全新世早期,自然辐射,实际上主要就是太阳的辐射情况,与现代有较大差别。模式对其模拟较好,可以说明模式对于太阳辐射变化 导致的气候变化的模拟能力。


最近千年的主要火山喷发大都有记载,所以研究最近千年的古气候状况,对了解火山对气候的影响有重要作用。火山喷发后,会带来半球尺度甚至全球尺度的降温, 然后是数年时间的逐渐恢复。在模拟火山喷发后的气候的时候,这些现象都可以观察到,模拟的结果也与代用资料相符合。其他可以影响气候的因素还有地表植被覆 盖变化。人类的农业活动、对森林的砍伐都大面积的改变了地表的植被分布,影响了陆地上的碳储存,并影响地表的反照。模拟到当使用农业化之前的植被替代现代 的植被以后,北美和欧亚大陆的主要农业区有可能在冬春两季要比现在冷1-2摄氏度。不过模式显示植被变化本身在半球和全球尺度带来的直接影响较小。总的来 说,使用模拟现代气候现象的模式在大尺度上可以比较好地模拟古代气候变化,与重建资料吻合。由于使用了不同来源的资料,不确定性不大可能导致温度重建与强 迫重建之间导致虚假的一致性。可以说,利用根据现在资料建造的模式对于古代气候模拟的结果,增强了人们对模式的信心。

当然这些模式还有很多问题。一般来讲,建立在全球基础上的模型,对于小尺度的模拟,误差比较大。在大尺度范围内,大部分的模拟结果还算不错,但是重大的大 尺度问题仍然存在。这方面的部分原因来自于对相关科学过程的认知水平不足,部分原因源于对某些物理过程进行观测的局限性,还有一部分原因源于计算能力的限 制。模式里面最大的不确定性来自于对云的表述,以及云对气候变化的响应。云本身是一个非常重要的辐射反馈,对云的模拟带来的不确定性对整个体系的影响很 大。实际上,不同的模式之间得到结果的区别,很大程度上来源于对云的模拟的不同。

基于上述原因,AR4认为,气候模式提供的有关未来气候的变化,特别是大陆及其以上尺度的气候变化的可靠量化估算已经具有相当高的可信度,已经成为一个模 拟和了解气候的极为重要的工具,特别在较大尺度的问题上,已经可以提供可靠的和量化的对未来气候变化的估算。另外值得一提的是,在气候模式发展的几十年里 面,这些模式始终可以提供一个因为温室气体增加而引起的气候显著变暖的清晰图像。

气候变化的归因研究很大程度上依赖模式的发展,随着模式的发展,归因的确切程度也越来越高。在1990年IPCC发布第一次报告FAR里面,只能够认定人 类对气候产生影响的直接证据还非常有限。到了1996年第二次报告SAR的时候,研究就已经发现了可以辨别的人类活动对气候的影响,但是这仅仅是一个定性 研究,当时的研究水平还达不到定量的水平,自然也就无法与自然因素进行可靠比较。到2001年TAR的时候,有关人类活动对气候影响的相关证据已经越来越 多,随着相关研究方法的发展,已经有了对人类对气候的影响做定量分析的尝试。也就是在这个时候开始,研究人员才有可能对不同的强迫因素的影响进行单独研 究,判断哪个因素是可能的关键因素。对于单独的气候现象,也有可能来分析人类活动是不是造成了影响,什么程度的影响,是否是主要因素。在这些技术进步之 下,TAR给出的结论,是“在考虑了新的证据,考虑了其余的不确定性的基础上,绝大多数的在20世纪的最后50年所观测到的变暖现象,可能是温室气体浓度 增加导致的。”

到了AR4时期,就有更多的定量研究了。下图显示了关于全球平均气温的一些模拟情况。图里面的黑线是仪器测量的结果,黄细线和浅蓝色细线是不同的模拟的结 果,粗红线和粗蓝线是这些模拟的平均值。图a表示的是同时考虑了人类活动影响和自然因素变化以后的模拟结果,图b是只考虑自然因素时候的模拟结果。可以看 到图a中的模拟基本上可以反映1960年以后的全球平均温度上升趋势,而图b中只考虑自然因素的时候,能够观察到一个降温的过程,与实际观测只有明显的偏 离。得到这个结果的模式考虑了前面分析过的主要的辐射强迫因素,不过有一些模式考虑的因素并不够全面,比如一些模式没有考虑炭黑气溶胶的影响,没有考虑植 被分布的影响等等。尽管仍然有不确定性,但是这个图已经可以很清晰的显示,对于全球平均气温这个指标,只有在考虑了人类活动的影响之后才可以解释20世纪 末期的升温。这个图还可以显示,在几十年的时间尺度上,全球平均温度明显受到外部辐射强迫的控制。此外模式也都可以反映出了火山喷发导致的变冷这一重要的 气候变化。不过,在更小的时间尺度上,比如年际的尺度上,模式还不能反映出足够的变化,特别是不同模式之间在年际变化方便的不确定性非常高。

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对20世纪全球平均气温的模拟
不仅仅全球平均气温的变化强烈提示人类活动对全球气候造成了很大影响,对于不同地域的气候模拟也显示了同样的趋势。下图显示了地球各个区域的观察到的气温 (最上一行),同时考虑人类活动和自然因素所模拟到的各个区域的气温变化(第二行),仅考虑自然因素的模拟结果(第三行)。前三行图里面,红色表示升温, 蓝色表示降温。第四行显示的是不同纬度的平均变化情况,黑线是观测值,红色带是同时考虑人类活动和自然因素以后的模拟结果,蓝色带式仅考虑自然因素以后的 模拟结果,范围显示90%置信区间。左边是对1901年到2005年之间的变化的模拟,右边是对1979年到2005年变化的模拟。实测结果显示除了北美 东南角、北大西洋北部,非洲、南美的一些局部地区等地区,在整个20世纪全球变暖是非常普遍的。在模式仅仅使用自然因素进行模拟的时候,观察到的是除了很 少几个区域以外的略微变冷趋势。而在模式同时考虑人类活动的影响以及自然因素的时候,在大尺度范围上,模式基本上可以模拟到大多数地区的温度变化趋势。在 1979年到2005年期间,也可以看出考虑了人类活动因素之后的模拟要更加接近观测到的结果。虽然模式仍然有不确定性,在模拟一些区域的时候仍然有偏 差,甚至得出相反的结论,说明模式的不确定性仍然有很大的改进空间,但是至少,人类影响与自然因素产生的影响已经可以很明显的分离开来。通过这些研究可以 至少得出这样的结论:非常可能造成20世纪晚期全球气温上升的主要因素是人类活动影响,而不是单纯的自然因素影响

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各个区域的气温变化
对于20世纪前半期的模拟,当同时考虑了人类活动因素和自然因素以后,模拟的结果看起来要比单纯考虑自然因素的略好一些,但是并不明显。究竟哪个因素起到 主要作用,不同的研究者也有不同的结论,有的研究者认为这段时期太阳辐射的变化是气候变化的主导,有的认为火山爆发起到重要作用。1950到1970年间 的变冷自然引起了研究者的兴趣,不过到AR4的时候还没有很清晰的结论。有的研究者发现这一时期排放的硫酸盐气溶胶相对温室气体可能起到更大的作用,大约 可以解释这个时期的全球变冷趋势,另有研究者认为在模式中考虑了炭黑气溶胶的因素之后,才可能在模式中得到具有统计学意义的结果。对于一些区域的模拟显 示,可以显示这些区域在20世纪中期的变冷,这里面生物质燃烧引起的炭黑气溶胶很可能起到重要作用。由于对碳黑气溶胶的重视是比较晚的事情,相关研究还很 少,在AR4的时候,这个问题还没有明确的结论。

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次大陆尺度的气温变化
在大陆尺度,次大陆尺度上,现在模式也可以进行归因研究。上图展示的是对各个次大陆的平均气温进行的模拟,黑色线仍然是观察到的数据,红色带是考虑了人类 和自然因素以后的模拟结果,蓝色带是只考虑自然因素的模拟结果。左下角的三个图分别是全球平均GLO,陆地平均LAN和海洋平均OCE。可以看到在大多数 次大陆,都可以很清楚地两种不同的模拟得到的结果在20世纪后半期的区别,不过次大陆尺度展示的信号明显部大陆尺度的清晰。各个大陆的模拟见下图。有不同 研究者研究了更小地理尺度范围的情况,在更小的地理尺度范围,信号的不确定性更大,有的时候能够分离人为和自然因素的区别,不过很多时候还是不能明显区 分,显示了相关研究方法的不足。

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大陆尺度的气温变化
按照人们对气候的理解,气候变暖之后,预期会发生气候变化的极端事件。人们自然就会联想,这些极端事件与全球气候变化是否有关系。要回答这个问题还是很难 的。要知道在一个稳定的气候环境里面,极端事件都是经常发生的,所以把某个极端事件归因于气候变化,是非常困难的,甚至有可能完全做不到。另外,造成一个 极端事件发生的因素非常多,给评价本身也带来复杂性。

一个比较典型的例子是对2003年欧洲酷暑的研究。2003年欧洲的夏季非常炎热,下图是对1864年到2003年瑞士夏季极端气温的统计。各个竖条是 137年间的各年夏季平均温度,其中最热的是2003年,达到了22摄氏度,用红色竖条表示。其他年份里面,最冷的是1909年,最热的是1947年。可 以看到2003年的夏季平均气温高出了仪器记录以来的最高值不少。拟合的高斯分布用绿色曲线表示。造成这个酷暑的可能的影响因素,包括了与晴朗天空相联系 的持续高压系统,干燥的土壤导致水分蒸发带走的能量降低,使得有更多的太阳能用来加热大地等。在这些因素里面,有的可能受人类影响,有的并不受人类影响, 即使是有可能受人类影响的因素,要检测出人类影响的多少也是非常困难的。不过气候模式可以对极端事件发生的可能性进行判断。比如研究者采用了只使用自然因 素和同时考虑自然与人类因素的方法对欧洲夏季气候进行模拟比较,最下图展示了这个模拟结果。上图是每千年类似事件发生的概率,红线是考虑了人类活动影响之 后的概率分布,绿线是仅考虑自然因素的概率分布。发现考虑了人类活动的影响之后,欧洲出现2003年酷暑这样的气候风险增加了一倍以上。

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瑞士夏季的平均温度分布
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欧洲夏季酷暑发生的频率分析
其他极端事件,比如晚春,霜冻,极端雨量等等,也可以使用类似的研究方法。不过在进行相关研究的时候需要非常小心。这里要注意,目前的气候研究水平,还很 难把具体某个地区某个季节的冷暖变化、某个具体的极端气候现象归因到气候变化上面。气候研究的是相对长时间内某种极端气候所出现的概率,对于某个具体现 象,还是需要具体原因具体分析的,除非有很充分的研究,不应该轻易归因。

海平面的变化是很多媒体最关注的一个全球气候变化特征。海平面变化主要来自两个原因,一个是海洋升温以后热膨胀导致的海平面上升,一个是陆地冰川融化增 多,导致海洋总水量增加。AR4时候,对于1961到2003年间的海平面变化并没有实现平衡。观测到的每年1.8+-0.5 毫米的海平面上升里面,可以归因到热膨胀的是每年0.42+-0.12 毫米,归因到陆地冰川融化的是0.50+-0.18 毫米,大冰原作的贡献是每年0.19+-0.43 毫米,加在一起只有每年1.1+-0.5 毫米,与实际观测值仍有差距,说明相关研究仍有欠缺。对这个期间进行模拟,发现考虑了人类的因素和大自然的因素之后,海平面上升为每年1.2+-0.5 毫米,而如果只考虑人类活动的影响,模式得到的结果是海平面上升每年1.4+-0.7 毫米。有趣的是考虑了自然因素之后,模拟得到的海平面上升速度要低于只考虑人了影响的海平面上升速度,这与这期间数次火山爆发导致的变冷效应有关。 1993年到2003年,观测到的热膨胀导致的海平面上升为每年1.60+-0.50 毫米,陆地冰川贡献每年0.77+-0.22 毫米,冰原贡献每年0.41+-0.35 毫米,加起来是每年2.8+-0.7 毫米,已经与实际观测到的每年3.1+-0.7 毫米已经基本上吻合,实现了收支平衡,算是这方面研究的一个重要进步。模拟的结果,同时考虑人类和自然影响,得到的海平面上升速度是每年2.6+-0.8 毫米,而仅考虑人类影响,得到的海平面上升速度为2.4+-1.0 毫米。可以看出同时考虑自然与人类活动因素后,模拟的结果吻合得要略好一些。对海平面的模拟结果基本上符合实际观测值,也说明对于冰川融化的估计基本正 确。不过这个问题整体上来说认识水平偏低。综合上述结果,可以说,非常可能人类活动对于20世纪后半期的海平面上升做出了贡献。

还有很多具体的现象都可以进行归因。在这些归因研究的结果里面发现,在众多气候现象的变化中,基本上都可以检测到人类活动的影响。在一些现象中,已经可以 得出人类活动非常可能造成影响这样的结论,在所研究的其他现象中间,也至少可以说人类活动产生影响的可能大于没有产生影响的可能。同时,非常不可能单纯的自然因素造成了这一系列的气候变化

也就是说,对于现代气候变化的归因研究表明,非常不可能人类的活动与目前的气候变化无关。按照AR4的说法,就是,“具有很高可信度的是,自1750年以来,人类活动的净影响已成为变暖的原因之一”,“过去30年以来,人为变暖可能在全球尺度上已对在许多自然和生物系统中观测到的变化产生了可辨别的影响”。

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18 Responses to “IPCC说了什么?(十四)气候变化归因”

  1. 孙吴龙说道:

    model应该翻译成模型吧,就像车辆动力学,建模型,仿真。还第一次听说模式这个词,第一段读完才敢确定跟说的就是这个意思。

  2. 筋斗云说道:

    “具有很高可信度的是,自1750年以来,人类活动的净影响已成为变暖的原因之一”,“过去30年以来,人为变暖可能在全球尺度上已对在许多自然和生物系统中观测到的变化产生了可辨别的影响”。

    这两个结论和目前的“1960年后人类活动是气候变暖的主要因素”差太远了吧。

    • 游识猷说道:

      自1750年以来,人类活动的净影响已成为变暖的原因之一。
      1960年后人类活动是气候变暖的主要因素。
      ——这些结论并不矛盾呀。

      • 筋斗云说道:

        没说矛盾。但是意义差别很大。

        一个是原因之一,一个是主要原因。

        HIV是1980年后人类死亡原因之一。

        HIV是2020人类死亡主要原因。

  3. Amsel说道:

    我们先应该说,IPCC第一工作组的报告虽然有种种错误,但是还是比外面的宣传严肃多了。很多媒体、活动家、乃至气候学家,前几年都宣传欧洲和美国冬季的雪要消失了,而这两年冬季雪大,他们又改而宣称,寒冬大雪都是变暖结果。而事实上,这本来就是一个概率的微小变化,不能拿某一年或者几年的天气来证明或者证伪什么。本文最后三张图,就可以看出这一点。

    遗憾的是,如果采取这种实事求是的态度,“全球变暖”就不能打动人心了。

    至于气候模型,现在依然有很多考虑不完善、甚至没有考虑到因素。所以屡屡和实际对不上。

    中间那幅“大陆尺度的气温变化”图,有很多不良数据(中国气象站的,新西兰的),还有观测点过少的,这里也有非常多的争论。

    最后推荐一下今年的网文《大国游戏:碳金融与碳道德之双重战争》。里面讲了很多全球变暖的政治、经济、科技方面的来龙去脉。

  4. 大蔥说道:

    对啊,传媒的宣传与IPCC的工作还是差很远的。

  5. 晓力博客说道:

    我们这个出现以来最冷的天气

  6. 筋斗云说道:

    抄一个:

    2007年3月,美国国家广播电台组织了一次辩论,(http://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=9082151,http://intelligencesquaredus.org/index.php/past-debates/global-warming-is-not-a-crisis/),质疑派和人类活动暖化派各派3名代表参加,结果双方论战完毕,赞同人类活动导致全球变暖的现场听众比例从57%下降到42%,质疑人类活动导致全球变暖的比例从30%上升到46%,反超前者。

  7. 筋斗云说道:

    另外一种恐慌销售:

    以前某科学家的语言:
    人们排放的二氧化碳的温室效应,会把把温度上升“几度”(some degrees),就会把两极的冰层都融化掉,让海平面上升250英尺(76.2米)(这是海平面上升说辞的重要早期出处),而人类排出的颗粒物,又能把温度降低“几度”,迅速让世界掉进冰窟,诱发新冰河世纪(厄里克的其他预言还包括美国人口到1999年将从2.5亿下降到2250万,平均寿命到1980年降低到42岁,等等)

  8. 吼海雕说道:

    不管怎么说,人类活动大规模改变了地表植被覆盖状况,使得当极端天气发生时的风险被大大增加了。比如大旱或酷暑,如果地表植被和水系丰富,是能显著改善气温的。
    个人结论,未经科学论证,呵呵。

  9. greenym说道:

    能问下prescribed ice是什么意思么?我查了好久都没查到

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