作者答疑谈气候变化，先明确时间尺度

　　气候变化，与我们每个人的命运息息相关 | 图源：pixabay.com
　　编者按
　　一周前，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新的第六次评估报告《气候变化2021：自然科学基础》发布，联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯（António Guterres）称之为 ＂对人类的红色警告＂，再次提醒人类活动造成的温室气体排放增加给人类和地球带来的潜在风险。
　　《知识分子》邀请中国科学院大气物理研究所研究员周天军和浙江大学地球科学学院教授曹龙，对该报告进行了解读。文章刊发之后，引发不少读者的讨论和质疑，例如，＂在没有工业化和大量温室气体排放的情况下，全球气候也在不断变化，如何确定如今人类活动的影响程度？＂ ＂气候变暖就是有害的吗？＂ ＂面对岌岌可危的气候危机，人类如何自处？＂
　　针对部分讨论，《知识分子》再次邀请两位作者，从实际观测数据和自然科学基础的角度进行回应。两位作者认为，相较于气候冷感，国内舆论场中的气候质疑，或许不失为一种进步，也希望针对具体问题的回应，可以激发更多有价值的思考。
　　毕竟，这与我们每个人的命运息息相关。
　　撰文 | 曹龙（浙江大学）
　　周天军（中科院大气物理研究所）
　　左萌（中科院大气物理研究所）
　　责编 | 冯灏
　　    
　　二氧化碳通过温室作用造成升温是基本的物理理论
　　问：只有亚洲地区的气候变化超出了自然变率的范围吗？为什么亚洲临近海域的海平面上升速率高于其他地区？
　　答： 全球变暖的空间分布不是均匀的，中高纬度特别是北极地区的增暖更强。因此，并不是只有亚洲的气候变化超出了自然变率的范围。关于海平面升高，观测证据显示，在1993-2018年期间，西太平洋地区的海平面升高最快，而东太平洋海平面升高最慢（中等信度） 。这种区域差异和海洋动力学过程有关。
　　问：根据IPCC报告的观测数据（1950-2020年），北大西洋部分海域为什么变冷了？
　　答： IPCC报告明确指出，人类活动已经使大气、陆地、海洋变暖。大气圈、海洋圈、冰冻圈和生物圈已经发生了快速和广泛的变化。但是，大范围变暖不代表所有地区都变暖。在人类活动影响的同时，气候系统的自然变率也会对气候变化产生重要影响，特别是局地尺度的气候变化。图中显示的北大西洋部分海域变冷和 ＂大西洋经向翻转环流＂（AMOC） 的减弱有关。当AMOC正常运作时，循环系统会将墨西哥湾附近热带地区含盐的温暖表层水带到北方的欧洲海岸，并将融冰生成的寒冷淡水带走。
　　伴随每一单位的全球变暖，温度、湿度和土壤湿度的变化在区域尺度上表现得更强 | 图源：文献[1]
　　图a  观测和模拟的年平均温度变化比较，左图为观测值（1950-2020年），右图为模拟值（多模式集合结果），均为伴随全球增暖1ºC时局地温度的变化
　　图b  模拟的相对于1850-1900年基准态当全球增暖1.5ºC、2.0ºC和4ºC时年平均温度变化的空间分布
　　问：近五十年来，南极大气观测二氧化碳浓度呈现升高趋势，但是夏季、冬季地面观测月平均气温呈现线性降低趋势，＂二氧化碳-升温＂理论在南极是不是个例外？
　　答： 二氧化碳通过温室作用造成升温是基本的物理理论，不存在所谓 ＂例外＂。但是，温度不仅仅受到二氧化碳变化的影响，也受到其它外源强迫的影响，特别在区域尺度，自然变率也会起到重要的调节作用。
　　南极的气候变化特征比较复杂，空间上分布不均匀，自1950年以来，南极半岛非常可能在变暖，而东南极的温度变化没有显著趋势。
　　问：二氧化碳是近二百万年浓度最高，为什么气温却并不是近二百万年最高？
　　答： 二氧化碳浓度是一个影响气温的重要因子，但不是唯一的因子。在百万年的时间尺度上，地球绕行太阳的轨道参数的变化、太阳辐射的变化等，都会对地质时间尺度的气候变迁产生重要影响。
　　据最新的气温重建序列，距今200万年处在第四纪更新世早期，气温开始下降，低于当前气候。而距今约300万年的中上新世时期，二氧化碳浓度约400ppm，与当前气候相当，但温度高于当前气候。这是由于当时的气候变化除了受到温室气体的调控，冰盖等外强迫因子也对其有重要影响。
　　除此之外，地质时期的暖期海陆位置、洋流格局、地形和植被等要素都和当前气候存在差异，气候敏感度也与当前不同，并且是气候与温室气体达到长期平衡的结果，而非对温室气体强迫的瞬时响应。因此，不能直接地通过温室气体浓度的高低来比较当前的气候变暖与地质时期暖期的温度高低。
　　谈气候变化，先明确时间尺度
　　问：历史上，在没有工业化和大量温室气体排放的情况下，全球气候也在不断变化，如何确定如今人类活动的影响程度？
　　答： 谈气候变化，一定要先明确时间尺度，不同时间尺度上的变化，背后的驱动因子不同。
　　气候变化包括年代际、百年际、千年甚至更长时间的地质时间尺度。驱动因子可以分成两类，一是自然原因，例如地球绕行太阳的轨道参数的变化、太阳辐射的变化、火山喷发的影响等；二是人为因子，包括人类排放的温室气体、气溶胶、以及土地利用等的变化。
　　地质时间尺度的气候变化，由自然因素决定，例如，在几千万到几亿年的时间尺度，大陆漂移、造山运动、板块运动等地质构造运动对全球气候产生重要的影响。万年到百万年尺度的冰期和间冰期的气候主要受到地球绕行太阳轨道参数变化的影响。
　　人类社会工业化以来这一百多年的气候变化，主要由人为因子驱动，尽管自然因子也有贡献，但是远小于人类活动的贡献。化石燃料燃烧排放的二氧化碳等温室气体的影响起主导作用。
　　如何确定人类活动的影响程度，主要依靠气候模式模拟和观测资料的对比，结果表明，当只考虑自然强迫时，无法模拟出1850年以来的变暖；而当同时考虑人类活动和自然强迫时，可以再现观测中的增暖现象。
　　问：温升跟碳排放呈线性关系，就有因果关系？物换星移，沧海桑田，地质时空的变化哪里是蚍蜉人类能改变的。
　　答： 一，温升和累积碳排放的准线性关系，主要指工业革命以来这100多年间器测资料揭示的观测事实。这种准线性关系的背后是二氧化碳排放、碳循环和温度变化之间的因果物理联系。理论分析和气候系统模拟都揭示了这种关系。
　　二， 关于工业革命以来温室气体和温升的因果关系，不是基于准线性关系推断出来的，而是采用＂检测归因技术＂定量估算的结果。具体作法是：
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　　首先，构建工业化以来100多年的各种强迫场观测数据，既包括自然因子（主要是太阳辐照度和火山气溶胶资料，因为地球轨道参数在这个时间段变化不大），又包括人为因子（含各种温室气体、气溶胶和土地利用变化）；
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　　随后，分别利用这些自然因子和人为因子观测数据来驱动地球气候系统模式（基于数学和物理规律建立的＂地球模拟器＂），在高性能计算计算机上做数值模拟；
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　　接着，利用一种称作＂最优指纹法＂的统计技术，来寻找数值模拟结果和观测结果之间的关系，定量估算不同强迫因子对观测的增暖的贡献。
　　三， 沧海桑田那个时间尺度的气候变化，属于地质时间尺度的气候变化，完全是自然因素作用的结果。例如，地质时期的气候变化，可以用米兰科维奇理论来解释，涉及地球轨道偏心率、黄赤交角和岁差这三大天文因子的变化，其时间尺度是万年到百万年；地质构造运动如大陆漂移、造山运动、板块运动等，也会影响地球气候，其时间尺度是几千万到几亿年。
　　我们关注的全球变暖，主要是针对工业革命以来这100多年间，在此期间，地球轨道偏心率、黄赤交角、岁差、太阳辐照度等自然因子的变化不大；温升主要来自化石燃料使用导致的温室气体排放。
　　而我们之所以关注全球变暖，是因为它事关人类文明，事关我们的生存问题。不管是温度升高还是海平面升高，若速度太快，超出自然生态系统和人类社会的适应能力，结果就将是灾难性的。
　　问：火山爆发可以大规模降温，地球是不是拥有自我保护的功能？
　　答： 火山喷发的确可以暂时给地球降温，例如，1991年的皮纳图博火山喷发在接下来的两年内，导致全球平均温度下降了约0.3度，但其影响也就持续几年。
　　IPCC评估报告指出，根据古气候和历史证据推断，在21世纪，可能至少有一次大规模的火山喷发。这样的火山喷发的确会在年际时间尺度上影响全球气候，在1-3年内降低地表温度和陆地降水，改变季风环流和极端降水，暂时和部分抵消温室气体增加造成的全球变暖，但不能缓解长期暖化效应。
　　过去无法挽回，未来可以改变
　　问：温升对中国就是坏的？中国历史上最繁盛的时代都在温暖期！
　　答： 自1970年以来，全球表面温度的上升速度超过了至少2000年来的任何时候，对应中国历史上的汉唐时期，全球平均温度也低于当前气候。全球增暖已经造成了中国极端高温、极端强降水事件的增加，并在未来预估中进一步加剧，会带来严重的社会经济损失。
　　另一方面，目前的工业社会与历史时期的农业社会在经济发展、人口分布、社会结构等诸多方面有巨大的差异，气候变化对不同的社会形态影响不同，因此，不能用历史时期气候变化对社会的影响简单地类推现在和未来气候变化的影响。
　　问：在其他科研领域，好像每天有新的物理机制被发现、新的材料被合成运用、新的尖端仪器被创造，而在关于大气生态科学的新闻里，1.5度的概念也宣传很久了，但基本还是在阐述问题的严重性和急迫性，较少提到一些实质性的新科学和新技术的发展（如马斯克提到的碳捕获技术），这是为什么呢？
　　答： 应对气候变化的挑战和难度在于这是一个全球性的大范围问题。例如，虽然有些正在发展的二氧化碳移除技术（从大气中直接捕获二氧化碳，然后将捕捉的二氧化碳埋藏在地下） 在局地小尺度上进行实验尝试，但是如果要在大范围实施这些技术，起到显著降低大气二氧化碳浓度的作用，在技术、成本、安全性、对环境影响各方面都面临很大的挑战。
　　同时，也要考虑各种可能的副作用。很多分析研究指出，直接从大气中捕捉二氧化碳的碳捕捉设备都需要很高的运行成本和能耗。
　　问：即使现在立刻实现零排放，也需要万年时间恢复热带雨林和南北极冰川的载量，海水的酸度变化可能是永远不能恢复的。对人类社会来讲，超级台风和短时间大暴雨等极端天气会变成常态，沿海城市会逐渐被放弃…. 在气候危机面前，人类如何自处？
　　答： 我们只有一个地球，无处逃避，只有积极应对。过去无法挽回，未来可以改变。我们今天的行动，决定着地球气候的未来。
　　每多排放一份二氧化碳和其它温室气体，就会增加一份气候变化风险。因此，快速和大规模减排是减缓气候变化的必须。同时，要未雨绸缪，积极做好气候变化应对措施。
　　参考文献
　　[1] IPCC, 2021: Summary for Policymakers.In: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of WorkingGroup I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel onClimate Change [Masson-Delmotte, V., P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C.Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M. I. Gomis, M. Huang, K.Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T. K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi,R. Yu and B. Zhou (eds.)]. Cambridge University Press