【温室效应及其对气候的影响】
CO2的正式观测开始于1958年，但从极冰气泡中的气体，可以测得十几万年以来大气中CO2浓度。分析表明，近千年来CO2浓度相当稳定，约变化于270～290μl／L之间。所以，一般人们把工业化之前的CO2浓度取为280μl／L。1958年的观测值为315μl／L，1990年估计为353μl／L，相对于工业化之前已经增加了79μl／L以上，约占工业化之前浓度的四分之一左右。
大气中CO2浓度增加的主要原因，是砍伐森林及燃烧矿物燃料。工业化之前，从19世纪中开始大量砍伐森林，开垦荒地。由于单位面积未开发森林比农业用地含碳量大20～100倍，因此砍伐森林向大气中排放大量碳、燃烧矿物燃料(煤、石油及天然气)向大气排放碳的数量，在二次世界大战之后呈指数形式增加。最迅速时排放量每年增加4%。目前由于砍伐森林每年排放到大气中的碳为1．9±1．1Gt，燃烧化石燃料每年排放5．7±0．5Gt，合计每年排放7．6±1．6Gt。每排放2．12Gt的碳约相当大气中CO2增加1μl／L。但排放到大气中的碳仅有40%左右存留在大气中，其余大部分被海洋吸收。所以，目前大气中CO2浓度的年增量为1．8μl／L。过去人们研究温室效应时，常用CO2浓度加倍时气候变化作为标准。一般取600μl／L，即对1990年前后的300μl／L加倍，但也有人严格取工业化前280μl／L加倍，即560μl／L来进行气候模拟。后来发现除CO2外，大气中其它温室气体如甲烷、一氧化二氮、特别是氯氟烃(CFCs)温室效应也很强，甚至按分子计算一个CFCs分子的作用相当一个CO2分子的1万多倍。所以一段时期内人们经常把其它温室气体的温室效应也折合为CO2，讨论整个温室气体相当CO2浓度加倍的情况。但这也不很方便。所以在IPCC报告中对温室效应一律用加热率(W．m－2)表示。用加热率而不用可能造成的温度变化表示，还避免了气候模式不确定性。未来加热率的变化，决定于温室气体的排放量。IPCC设计了4种排放方案：①称为正常排放方案，煤为主要燃料，无限制地砍伐森林，照常排放甲烷及一氧化二氮，部分国家参加蒙特利尔议定书。②改用低碳燃料，严格控制一氧化二碳，禁止砍伐森林，所有参加国都履行蒙特利尔议定书。③改用可更新能源，21世纪后半期用核能代替，逐步淘汰CFC，并限制农业排放量。④改用可更新能源，21世纪前半期用核能代替，到21世纪中期CO2排放量减少到1985年的50%。下面给出工业化前(取作1765年)到2000年、2050年及2100年各种方案得到的加热率(W．m－2)：
一般认为，大气中CO2浓度加倍所造成的加热率为4W·m－2。因此，看来无论如何到21世纪中之前，大气中各种温室气体的总温室效应已相当CO2浓度加倍。
近年来，人们一直用各种气候模式估计大气中CO2加倍后的气候变化。到目前为止，一般公认大气环流模式是最好的工具。20世纪80年代以来，人们普遍接受CO2加倍时地球表面气温上升1．5～4．5℃，或者3．0℃±1．5℃。但是最近的模拟结果表明升温在3．5～4．0℃之间；接近过去估计的上限。同时，也逐渐认识到这个估计有非常大的不确定性。例如英国气象局的模式，只是改变了对冰云与水云的描述，CO2加倍时的增温就从5．2℃下降到1．9℃。海洋则是一个更大的不确定性的根源。在目前的大气环流模式中，仅考虑了50～60m深的浅层海水。初步研究表明，海洋对温室效应的延缓作用可能达50a(GFDL模式)或甚至75～100a(OSU模式)。因此，可能实现的变暖要大大低于平衡模式所得到的结果。据IPCC报告估计，按①方案，21世纪可能每10年平均增温0．3℃(0．2～0．5℃之间)。这样到2025年气温比现在上升1℃，到2100年上升3℃。但按②、③、④方案，则10年平均增温可能只有0．2℃，0．1～0．2℃及0．1℃。大气中CO2至今比工业化前已增加了四分之一左右，其它温室气体也有明显增长。应该已经造成了相应的气候变暖。因此，近百年来的气候变化可以成为温室效应理论的试金石。由于温室效应是全球性的，所以要用全球平均气温来进行检验。然而，建立一个对全球或半球有代表性的气温序列是非常困难的。主要困难来自3个方面：(1)资料覆盖面问题；(2)城市热岛效应；(3)观测技术的改变。自1961年Mitchell第1次建立了近百年比较可靠的全球及半球平均气温序列以来，有30多位作者在这方面进行了研究。现在看来比较好的序列有3个：(1)苏联地球物理观象总台维尼柯夫等，从20世纪70年代就绘制出版了北半球月平均气温距平图，手绘等距平线，对经纬度格点值读数，再按纬圈平均、加权求北半球平均。过去这份资料由于各单站求距平时所用平均时间不一致，因此受到批评。1987年又重新统一计算了距平，并用最优插值法内插经纬度格点值，并把序列向前推到1841年，成为至今最长的观测序列。但可惜只是北半球平均。(2)英国东安吉利亚大学气候研究中心的琼斯等，在20世纪80年代建立了可能包括资料最完全的全球及北半球平均气温序列。大约用2000个陆地测站的1亿个数据及6000万个海洋观测数据，并注意尽力排除城市热岛效应及观测方法改变带来的误差。计算方法是先插补格点值，然后按纬圈面积加权，求半球及全球平均。这个序列最大的缺点是早期资料覆盖面不全。因为，虽有海上记录，但受航线影响，大部分海上特别是大洋中部及南半球仍是空白。所以，至今仍有一些人认为这个序列主要反映的还是陆地上的气温变化。(3)美国宇航局(NASA)的汉森等，近几年用不同的方法建立了全球的气温序列。他们把全球分为面积相等的80个区。每个区再分为100个副区，取距每个副区中心1200km以内的站，按记录长短排列。然后，以距中心距离为权重，逐个合并求平均，得到每个副区的平均，再按副区的面积大小加权求区平均。对区加权求纬圈平均，权重为每个区有记录的副区数。这3个序列得到的北半球结果相当一致，但全球平均，美国的序列在1940～1965年期间气温下降，而英国的序列则下降不明显。但近百年总的趋势都是变暖，1880年以来气温上升0．5～0．6℃。分析近100多年来的气温变化，究竟有哪些事实支持温室效应理论，又有哪些事实与其相违背呢?根据琼斯等的序列，自19世纪80年代到20世纪80年代全球平均气温上升0．6℃，而且南、北两个半球大体一致，从这点来看似乎有利于认为增暖是温室效应造成的。此外，还有一个有力的证据，就是海平面高度上升。经过仔细分析的资料表明，在近100多年中，全球海平面平均每10年上升1～2cm。这个数量级与根据海水膨胀及冰川融化所作的估计一致。因此，应该说全球气候变暖还是有一定证据的。尽管如此，也还有人对变暖的趋势提出怀疑，例如R．S．Lindzen就举出微波探测结果，认为从卫星得到的全球平均气温变化，与根据地面观测得到的不一致，可能是地面观测覆盖面不足造成的。因为，卫星观测与美国同时的气温变化就很一致。不过，即使承认全球的变暖趋势，变暖的步调却与温室效应有所不同。因为，无论从那一个序列都可以看出，过去百年中全球或半球的变暖主要发生在两段时期，即1920～1940年期间及1975年以后。1975年之后大约升温0．2℃。所以，近百年来的变暖有三分之二发生在1940年以前。但是，大气中CO2增加四分之一，却有一多半发生在1940年之后。如果再考虑有些强烈的温室气体、如CFCs主要是在近几十年才迅速增长，这个矛盾就更突出了。第2个矛盾是从50年代到70年代，北半球气温下降。根据汉森等的资料甚至全球都有所下降。显然，这不能用持续增加的CO2的温室效应来解释。第3个矛盾是变暖的地理分布。根据所有的大气环流模式，CO2加倍时，极区、冬季应该增暖最明显，但事实是北极地区的温度在30年代达到最高，此后，到60年代显著变冷。80年代稍有回升，但仍低于30年代的高峰。按照温室效应理论应该变暖最明显的地区的温度变化，却与温室气体的增长不一致。这不能不说是对这种理论的一个挑战。第4个矛盾是历史性的。气温观测记录开始于19世纪后半期，愈来愈多的资料证明，这时仍处于小冰河期的冷期中，或者说是在冷期的后期，因此，从那时起到20世纪中气候的变暖，可能有一部分属于自然变化。这样，认为近百年由于温室效应气温上升0．5～0．6℃，可能估计偏高。20世纪以来，中国气温也有变暖的趋势，这是与北半球及全球一致的。但中国从50年代到70年代气温的下降则更为突出。以1920～1949年与1950～1979年，两个30年对比，气温下降了0．45℃，比北半球气温下降明显。20世纪前半期的变暖则比北半球早。20年代北半球气温正处于激烈上升的过程中，但在中国已成为近百年第2个最暖的10年，仅次于40年代；另外，80年代的变暖也不如北半球强烈。从70年代到80年代，北半球平均气温上升0．24℃，全球平均上升0．23℃，但中国仅上升0．13℃。而且由于70年代气温低，因此80年代虽较前10年有所变暖，但气温仍低于前70年代(1910～1979)平均，而不像北半球或全球，80年代成为近百年最暖的10年。显然，类似的局地性气温变化，也不是温室效应能轻易解释的。检测温室效应，就是要设法证明信号的存在，一般用噪燥比来度量。凡信号强度超过噪声，可证明信号在一定程度上是可靠的。这里检测的是温室效应，所以与温室效应有关的气温变化是信号，而其它原因造成的低频变化则作为噪声。因为气候模式有很大的不确定性，所以确定信号的强度很不容易。但目前也不是不可能的。例如为了考虑海洋对温室效应的巨大延缓作用，可以采用热平衡模式，或称为“箱－涌升－扩散模式”。这样能估计不同气候敏感度情况下的温室效应。气候敏感度即CO2加倍可能产生的温室变化。取敏感度为1℃，2℃……5℃，得到温度变化曲线。与近百年的观测序列比较，敏感度为1℃及2℃的曲线与实况较为接近，当然这仅是检测信号的一种方法。工作本身也说明信号检测的不确定性是很大的。至于噪声，即指低频自然变化。检测噪声的方法有两种：一种是根据观测资料来分析，但这就要设法区分信号与噪声；另一种是用大气环流模式进行长时间的数值模拟，例如用地球物理流体动力学实验室(GFDL)的海气环流对气温变化做了模拟。200年的模拟表明，在固定边界条件下可以得到与观测相比较的10年到百年尺度变化，但未出现气候趋势。而用热平衡模式，在随机辐射强迫下，模拟出10年尺度的低频年际变化，这反映了海洋热惯性的重要作用。这两种模拟都表明，目前观测到的温度变化与自然变化有相同数量级。在这种情况下用单一要素来检测温室效应是比较困难的。因此，建议采作“指纹法”，即用多种要素来综合检测。例如，除全球或半球平均气温之外，可以分析对流层、平流层温度变化，全球降水量变化，全球大气中水汽含量变化以及海平面变化等。可惜，这些要素大部分没有足够长的序列，或者很难求全球平均。所以只有海平面高度尚能提供一些较为可靠的信息。从另一个角度看，如果能对气候的自然变率有所认识，亦可以帮助我们检测温室效应。这就关系到自然变率产生的原因。一般认为对10年到百年尺度的气候变化来讲，其自然变化的原因主要有两个，太阳辐射变化及火山活动。虽然，人们早就怀疑太阳常数不是一个真正的常数，但一直不能得到证实，因为观测到的太阳常数变化与观测及计算误差属于同一数量级～1%。所以直到80年代初，雨云7号卫星上安装了空腔辐射仪，使太阳常数的观测精度提高到0．05%，才解决了这个140年以来悬而未决的问题。证明太阳常数确实不是真的常数，而且太阳黑子逐日变化的峰值与太阳常数的谷值相对应，黑子与太阳常数为负相关。但是，这个结果与大多数气候学家及天文学家的观点是矛盾的。例如有人认为蒙德利尔极小是小冰河期形成的原因，黑子与太阳常数应为正相关。近来的研究认为，高频的(逐日)黑子变化太快，可能对气候影响不大。但太阳黑子多时，光斑及太阳活动区辐射强。已经发现，由于光斑增加的辐照度，高于黑子冷却造成的辐照度下降。因此，太阳黑子与辐照度可能成正相关。1980～1986年期间太阳黑子减少，辐照度减少了大约1W．m－2，就是一个很好的证明。可惜辐照度观测序列太短，是否如一些作者假定在同11年周期外包线平行的80年周期，尚需进一步证实。但是，即使存在这一周期，也同变暖的步调不完全一致。因为全球变暖在40年代应达到峰值，而太阳活动在50年代末才达到200多年的最高值。至于火山活动，虽然已经证明，如1963年的阿贡火山爆发及1982年的厄、、奇冲火山爆发均使太阳直接辐射下降20%～30%，但由于散射辐射几乎增加一倍，所以太阳总辐射仅下降6%左右。近来的研究表明，强烈的火山爆发造成的降温一般也不超过0．5℃。持续时间最多1～2年。然而，气候变暖的20年代到40年代，正好是火山活动的沉寂时期，以后到50年代火山活动又逐渐加强。这个变化趋势是3个因素(太阳辐射、火山活动及温室效应)中与温度变化趋势最相似的一个。不过也有矛盾之处，从70年代末到80年代，全球剧烈变暖，但火山活动并未明显减少。从过去100多年的气候变化来看，以上3个因素没有哪一个能独立解释各时期的温度变化，因此，大多数人同意，至少到目前为止，温室效应还没有超过其它两个因素的作用，亦即信号与噪声处于同一数量级。不少用以上3个因素拟合温度变化、作统计方法检测温室效应的研究表明，由于温室效应主要影响趋势变化，因此在拟合过去百年来温度变化的总方差中不占主要地位，在拟合的方差中，火山活动占50%，太阳活动占30%，CO2只占20%。但前两个因素主要拟合高频的变化(这只是统计分析)。物理分析的结果表明，前两个因素所能造成的加热率均不大。由于目前温室效应还不十分强，因此，其它两个因素可能抵消或加强温室效应则是无疑的。至少到20世纪末及21世纪初仍可维持这种情况，但到21世纪中期，温室效应已大大加强。那时，特别对低频变化，温室效应将占绝对优势。虽然大多数科学家都不否认人类活动排放的CO2及其它微量气体可能造成气候变暖，但其中未解决的问题还很多。甚至从工业化前到现在是否全球变暖也有人怀疑。或者至少未能肯定证明近百年约0．5℃左右的变暖在多大程度上是温室效应的结果。至于温室效应对一个地区气候的影响，不确定性就更大了。在这种情况下，我们不仅要开展对全球的研究，更要注意对中国的研究。例如，中国温室气体排放的研究虽已开始，但还有许多事情要做，不仅要测定、估算各种温室气体的排放量，各种源汇以及大气中的浓度，还要研究探讨各种减少排放的方案。温室效应，或者说全球变暖可能对中国气候的影响还研究得很少，对农业、水利、交通、能源乃至对生态环境系统的影响的研究也需要逐步开展。在温室效应本身的研究方面，温室效应的检测是一个重要课题，不仅可以通过气候变化的时空结构进行检测，也可以通过对气候变化物理原因的分析进行检测。检测研究对改进、完善温室效应的理论有重要意义。(北京大学博士生导师王绍武撰)