全球变暖是真的吗？| 气候大会特别策划

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编者按

在人类应对气候变化的历史上，2019年注定会成为载入史册的一年。

11月4日，全球第二大碳排放国美国正式宣布启动退出《巴黎协定》的法律程序，人类应对气候变化的共同决心遭遇了一次重大危机。

更早的时候，全球数百万青年学生走上街头，抗议大人们在应对气候变化上的虚与委蛇正在将年轻人的未来推向危险的边缘。气候变化问题在世界范围内得到了前所未有的曝光、关注和讨论，越来越多的人开始意识到，人类活动正在将气候变化一步步推向不可逆转的临界点。

亚马孙雨林的大火、南极冰川的断裂、欧洲的致命热浪、中国云南的大旱，这些相隔万里、似乎毫无关联的事件，并非表面上看起来那样孤立——气候变化是所有这些事件背后共同的推手。

11月27日，《自然》在其网站上刊出的评论文章指出：“证据正在不断增加，这些事件比人们此前所想的更有可能发生，并且在不同的生物物理系统中造成严重的影响，可能会将世界导向长期不可逆的变化之中。”

几个小时之后，第25次联合国气候变化大会将在西班牙马德里召开，我们关注这场关乎人类未来命运走向的大会，并将在接下来的一个月里陆续推出“气候大会特别策划”系列文章，呼应这个时代人类正在遭遇的最为深刻而又剧烈的变化之一。

我们挑选了数个有关气候变化的问题，约稿多位研究气候变化的专家、媒体人，希望借由回答这些问题，让中文世界的读者能够对气候变化有更加深入的认识。

第一篇文章将会回答关于气候变化最根本的问题：全球变暖到底是不是真的？

撰文 | 成里京（中国科学院大气物理研究所）
责编 | 夏志坚
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1975年8月，《科学》杂志发表了一篇题为《气候变化: 我们是否正处于全球变暖的边缘？》的论文，“全球变暖”这个词首次在科学文献中出现（Broecker等，1975）。44年过去了，全球变暖的事实逐渐被发现，原因慢慢被揭露，其对人类、生态系统、地球各圈层的以负面为主的影响也不断显现。科学家们逐渐建立起了以 “人类活动排放的二氧化碳等温室气体造成了百余年来的全球变暖” 为核心的全球变暖理论。
与此同时，全球变暖在媒体中的出镜率不断攀升，但其始终伴随着一些质疑之声，比如全球变暖是真的吗？人类是罪魁祸首吗？
正如福尔摩斯探案需要一系列证据链才能令人信服地找出凶手，理解全球是否变暖以及变暖是否由人类造成，也需要一系列科学事实和因果逻辑的支撑，从而形成有说服力的证据链。因此，本文将顺着全球变暖的物理基础、事实、影响、未来这个逻辑顺序，一起探一探全球变暖是否存在、“真凶”是谁以及这个 “凶手” 造成的后果。
1. 温室效应与被打破的能量平衡
海纳百川、风雨雷电、冷暖交替、气象万千，这些都描述了不断变动中的天气和气候。气候系统运作的主要能量来源是太阳：地球吸收来自太阳的短波辐射，这些能量驱动了大气和海洋环流、促成了光合作用、推动了地球的水分和物质循环。
在吸收太阳辐射的同时，地球也在向太空中散失能量（主要为长波辐射），从而使地球系统进和出的能量基本保持一致，这就是地球系统的能量平衡（Trenberth等，2014）（图1）。地球系统的能量平衡维持了气候系统处于较为稳定的状态，不至于不断系统性的变冷或变热。
维持地球系统的能量平衡离不开大气中的温室气体。温室气体能够强烈地吸收地面释放出的长波辐射（图1），像 “棉被” 一样保持住地球系统的能量，使近地表附近是一个温暖的环境。目前全球地表平均温度约为15℃，如果没有温室气体，地表温度可能比现在低约30℃。这种 “保温” 的效应被称为 “温室效应”。大气中起温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、臭氧（O3）、一氧化二氮（N2O）、氟里昂以及水汽等。
图1. 地球系统能量收支示意图：黄色箭头为地球从太阳吸收和反射的短波辐射；红色箭头为地球向外释放以及被温室气体吸收的长波辐射。图自：https://science-u.org/experiments/solar-oven-smores.html。
对温室效应的认识可以追溯到19世纪的著名数学家傅里叶，他描述到：大气层就像一个玻璃罩子一样，对太阳光透明，但对长波辐射有阻挡作用（胡永云，2017）。到上世纪五六十年代，随着物理学对气体分子结构及其吸收谱的理解、气象学对大气基本结构和运动的了解以及计算机科学中第一台计算机的诞生，日裔美国科学家Manabe等人在普林斯顿大学用理论模型首次模拟出较为真实的地球系统辐射平衡，为全球变暖的提出奠定了理论基础（Manabe 和 Wetherald，1967）。Manabe 等所构建的模型也是现代气候模型的基础，用于气候模拟和预估。
地球经过了长期的演化，形成了较为稳定的大气成分。近80万年以来，大气中的CO2 仅在170~300ppm之间波动，高值从未超过300ppm（图2），该波动主要受到地球轨道变动的影响：轨道变动导致地球接收的太阳辐射发生微小变化，改变了大气和海洋温度，由于CO2在海洋中的溶解度与海水温度密切相关，CO2在大气和海洋中分配的动态平衡因此不断发生改变，海洋或从大气吸收CO2，或向大气释放CO2，由于温室效应的存在，大气中CO2的增减会对地表温度产生提升或降低的作用，大气和海洋温度因此被进一步改变，大气和海洋中CO2的浓度也会相应变化，如此循环直到重新达到新的平衡状态。
工业革命前（约1750-1850年），全球平均的CO2浓度仅为约280ppm（图2）。在这之后，大量化石燃料和有机质的燃烧造成大气中温室气体的浓度不断上升（图2）。2019年5月，大气中的CO2浓度超过415ppm，比工业革命前增加了约48%。这种增加的幅度和速率，至少在地球近80万年的历史中是前所未有的。以化石燃料为代表的工业革命，推动了人类历史上最为快速的发展阶段，极大地丰富了生产力，但也不可逆转地改变了大气成分，改变了地球环境。
图2. 近80万年以来大气CO2浓度的变化：1958年前数据来自于冰芯数据，之后的数据来自于夏威夷Mauna Loa观测站。图自Scripps海洋研究所。
以CO2为代表的温室气体浓度增加使得地球系统“保温”能力越来越强，向外释放的长波辐射不断减少，然而太阳辐射在百余年变动不大，这就导致了地球系统的能量平衡被打破，造成地球系统有净能量摄入，结果就是地球的平均温度正变得越来越高。
2. 失衡的气候系统与气候敏感度
地球系统的能量失衡驱使了气候系统进行调整，来达至新的平衡。这种调整过程涉及到很多气候要素的反馈和调整。最直接的反馈为全球地表温度上升（图3a），因为温度较高的物体释放的长波辐射更强，可以将过剩的辐射释放出地球，这个过程使得能量失衡得到缓解（负反馈）。
图3a. 全球平均气温变化。图自英国气象局。
其余的反馈包括：更暖的地表加剧了水分蒸发，使得大气中水汽含量增加，由于水汽也是主要温室气体，其会加剧 “保温” 效应，加剧能量失衡（正反馈）。再比如，地球能量增加会加热冰川和冰盖，使之融化，由于冰雪表面近乎白色，就像镜面一样，能比普通陆地和海洋表面更有效率地反射太阳辐射能量到太空中，一旦其开始消融，地球反射的能量将减少，吸收的太阳辐射将增多，加剧气候系统的能量失衡（正反馈）。另外，由于海洋比热容比空气和土地大，其储热能力是陆地和空气的上千倍，体量庞大的海洋因此吸收了绝大多数地球系统接收的净能量，这使得海洋变暖，而较暖的海洋吸收CO2能力减弱，从而加剧能量失衡（正反馈）。
由于气候系统调整和反馈的复杂性——各个反馈或者叠加、或者部分抵消——科学家们抽象出一个量值来量化地表温度对温室气体的净响应幅度：如果大气中的CO2浓度加倍，地表将会升温多少？这个数值我们简单称之为 “气候敏感度”。
自上世纪60年代以来，众多研究通过古气候学、现代观测记录、气候模型等多种方法寻找 “气候敏感度”（图3）。基于大量研究，2013年联合国发布的《国际政府间气候变化专门委员会第五次评估报告》（IPCC-AR5）认为，气候敏感度在1.5~4.5℃范围内（IPCC, 2013）：即如果大气中的CO2相对于工业革命前浓度加倍，全球平均气温会上升1.5~4.5℃（图3）。
图3. 本世纪以来对“气候敏感度”的估算。每一个点都是一项独立研究的估算，误差棒为估算的误差范围。不同颜色代表不同类型的方法。图自Carbon Brief (2018)。
基于对气候系统内部规律和反馈的理解，科学家们建立起了以CO2为代表的温室气体与地表温度上升的因果关系。与此同时，科学家们也排除了其余因素的影响：太阳辐射变化、火山爆发、地球系统自然波动、人类活动排放的大气气溶胶等等，这些因素在一定程度上可调节地表温度，但都不足以解释百年来的全球不断变暖现象（IPCC, 2013）。2013年发布的IPCC-AR5指出：1951年来，至少一半以上的地表气温上升可以归因于人类影响。
3. 全球变暖：系统性的气候变异
大气中越来越多的温室气体导致的地球能量失衡，是百年以来全球气温上升的主要驱动力。然而，气温仅仅是气候系统的一个要素，温室气体其实驱动了气候系统的系统性变异，了解这些系统性变异才能知晓全球变暖的全貌：

  • 海洋变暖。海洋储热力更强，地球净能量摄入一定会主要储存在海洋中。近几十年的观测证实（图4d），海洋储存了90%以上的净能量摄入（Rhein等2013），表现为海水温度加速上升：1993-2018年的海洋变暖速率是1970-1993年期间的至少2倍！

  • 极端热浪事件加剧。变暖导致发生在陆地和海洋中（图4c）的极端热浪事件都已经加剧，1982年以来海洋热浪频率增加了2倍！

  • 大气中水汽含量增加。变热导致蒸发加剧使大气中水汽含量增加：气温每升高1℃，大气水汽含量约升高7%。和水相关的极端事件也因此加重：干旱的区域将更为干旱，湿润的地区将更为湿润，极端降水、洪水等都会加剧。

  • 冰雪消融。格陵兰冰盖、南极冰盖、冻土和山地冰川已经开始加速消融（图4e-g，j-i）。2007-2016年南极冰盖的质量损失量是1997-2006年间的3倍。格陵兰冰盖质量损失是1997-2006年间的2倍。极地已经是全球气候变暖最为剧烈的地区：近几十年来北极表层气温上升趋势是全球平均的2倍！

  • 海平面上升。我们已经观测到了海平面在加速上升：2006-2015年间全球海平面上升趋势是1901-1990年间速度的2.5倍（图4m）。总海平面上升的30%~40%由海水升温膨胀引起；另外60%~70%是因为消融冰盖和冰川使得淡水流入大海导致。

  • 海水酸化。人类排放在大气中的CO2，其实有约20~30%将溶解入海洋，这虽然在客观上降低了大气中温室气体的浓度，缓解了全球气候变化，但却使海水酸化。目前已经观测到了海水的持续酸化：1980年之后海表pH值平均每十年下降0.017~0.027个pH单位（图4h），由于pH是负对数值，这意味着海洋的酸度平均每十年会增加约4%~6%。

  • 海水中的氧含量降低。变暖的海水使得海水中溶解的氧释放，1970年之后海洋溶解氧下降了约0.5~3.3%，而海水溶解氧是绝大部分海洋生物赖以生存的生命之源（图4i）。

虽然并不能面面俱到，但上述例子体现了气候系统变异的一些侧面，这些事实组成了环环相扣的自恰的证据链，提供了全球变暖的系列证据。事实上，到目前为止，除了温室气体导致全球变暖这一理论以外，没有任何一个别的理论可以完整解释工业革命以来观测到的气候系统变异（USGCRP, 2017；IPCC）。
图4. 观测到的（紫色）和气候模型模拟的（黄色）1950-2018年部分气候要素的变化。基于未来的大气温室气体浓度，气候模型也可给出未来气候变化的预估。这里给出在低温室气体浓度情景下（RCP2.6，蓝色）和高温室气体浓度情景下（RCP8.5，红色）的未来气候变化。在RCP2.6情景下，人类可将21世纪大气CO2浓度控制在450ppm以内；RCP8.5情景下，由于没有气候政策，大气CO2浓度不断增加，在2100年达到约900ppm。图中阴影为误差范围。图来自IPCC(2019)。
4. 全球变暖，好事还是坏事？
全球变暖不仅仅是 “变暖”，而且是全球多圈层的系统性气候变异，是可波及地球每一个生命体、每一个角落的快速环境变化。其带来的最大的问题是：变化太快而超过了人类和很多生命的适应速度。
目前已经观测到了全球变暖对人和生态系统造成的众多负面影响（IPCC，2019）。在空调不普及的法国，2019年夏天的热浪造成了上千人丧生；由于极端高温，2014-2017年间，全球70%以上的珊瑚礁都受到了破坏，珊瑚大规模白化事件已经屡见不鲜（IPCC，2018；2019）。珊瑚礁虽然只占了全球海洋面积的0.1%，但其是25%的海洋生物赖以生存的环境，是海洋中的 “热带雨林”。珊瑚礁系统的破坏会对海洋生态系统和生物多样性造成毁灭性的打击。
由于全球变化增加了大气中的水汽、提高了海洋温度，使得台风的能量和水汽供应更加充足，其降水更多、强度也更强。2017年登陆美国东海岸的飓风“哈维”，造成了美国本土有史以来最强的降水。同时由于应对不完善，损失达数千亿美元，超过百人丧生（Trenberth等，2018）。不仅如此，海平面上升、极端气候事件和人类不合理的开发建造活动还使得近岸洪水发生频次显著增加，就在2019年11月，威尼斯发生了史上最严重的洪水。
对于广大的干旱和半干旱地区，增温和人类活动对植被的破坏会抑制土壤碳储力，释放更多CO2 进入大气，同时加剧区域干旱化，未来干旱半干旱区将加速扩张（Huang等，2016）。此外，冰川融化和多年冻土融化会释放污染物（尤其是汞），这会对山地和高纬度区域的水质造成直接影响（IPCC，2019）。
不可否认，对于一些群体或区域，全球变化可能带来一些益处。例如：北极夏季海冰消失后，打开了“北极航道”，降低了国际贸易和航运成本；随着海洋变暖和洋流的变化，一些鱼类种群的栖息地发生了改变，这会增加一些区域的捕渔量，从而开辟新的渔场；对许多植物来说，大气中CO2的增加在一定范围内会促进生长。
尽管如此，众多研究和综合评估报告表明：全球变暖的负面影响远远大于正面影响（IPCC报告;USGCRP, 2017；历次《气候变化国家评估报告》），地球生命共同体正在面临气候危机。
5. 未来将如何？
对气候变化规律的认识使得科学家们可以预估未来的气候变化，图4也给出了用全球几十个气候模型预估的21世纪气候要素。可以看到，随着温室气体增加，未来气候系统将持续的变化，且变化幅度基本取决于未来的温室气体浓度。未来如果能控制温室气体排放（即图4中蓝色RCP2.6情景），气候变化幅度将会比维持高温室气体排放（图4红色RCP8.5情景）小得多。因此，未来减排越多，气候变化幅度将越小，负面影响也会越小。
正因为科学界基本厘清了全球变暖的起因、影响和未来，2015年，包括中国在内的170多个国家政府共同审议通过了《巴黎协定》：目标是努力把全球平均气温上升幅度控制在2℃以内（即图4蓝色的线展示的未来），并为全球平均温升控制在1.5℃以内付出努力。工业革命至今，地球平均气温已经上升了约1℃，如果要实现2℃控温目标，未来我们仅有1℃的变暖额度。
1℃的变暖额度对应于只能再排放约1170 Gt的碳（IPCC, 2018）。所以，《巴黎协定》事实上已经限定了在目前未对温室气体进行处理的发展方式下，未来人类能够用掉多少化石燃料，排放多少碳，限定了未来人类基于化石燃料的经济发展量。
正因为此，全球气候变暖已不是单纯的科学问题（事实上在科学上早就没有争议了），而是成为国际社会和各国政府所关心的政治问题——各个国家有各自的政治立场以及经济发展需要。因此从人类发展的角度来看，《巴黎协定》的意义在于将世界上几乎所有国家都纳入了呵护地球生态、确保人类发展的命运共同体当中。
然而，较为悲观的是，即使在21世纪能够实现《巴黎协定》使地表气温增长不超过2℃的目标，海洋和冰雪圈的变化依然会继续：海洋会持续变暖、海平面会不断上升、两极冰盖会继续缩小（图4），这是由于海洋和冰雪圈对温室气体的响应具有 “延迟” 和 “缓慢” 的特性（IPCC，2019）。
尽管人类对地球系统的影响事实上已经不可逆转，但 “减排越多，变化越小，影响越低” 的原则依然适用，适应变化和降低风险将会成为未来的主旋律。同时，积极进行经济转型和政策调整，加强对温室气体的再利用、吸收和封存，加强对化石燃料更加精细的生产加工，也是未来发展的主要方向。
不论如何，全球变暖已不可逆转，其影响和风险仍将持续至少数千年的时间，人类已经处于需要不断适应气候变化的 “人类世”，地球各个圈层的生命也将在急速变异的 “人类世” 环境下求生存、求发展。作为地球生物链顶端的人类，是否应该承担对人类个体和群体、对其他生命体的义务，构建 “地球生命共同体” 呢？

 参考文献：

1. Broecker, W. S. (1975): ClimaticChange: Are We on the Brink of a Pronounced Global Warming? Science, 189 (4201),460–463. https://doi.org/10.1126/science.189.4201.460

2. Manabe, S. and R.T. Wetherald (1967):Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of RelativeHumidity. J. Atmos. Sci., 24, 241–259, https://doi.org/10.1175/1520-0469(1967)024<0241:TEOTAW>2.0.CO;2

3. IPCC(2019). Summary for Policymakers. In: IPCC Special Report on the Ocean andCryosphere in a Changing Climate. [H.- O. Pörtner, D.C. Roberts, V.Masson-Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E. Poloczanska, K. Mintenbeck, M. Nicolai,A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N. Weyer (eds.)]. 2019, in press.

4. IPCC,(2018): Summary for Policymakers, Masson-Delmotte et al., Eds., Global Warmingof 1.5°C. An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°Cabove Pre-Industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas EmissionPathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat ofClimate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty,World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, 32 pp.

5. IPCC.Climate Change (2013): The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel onClimate Change (Stocker, T.F., et al. (eds.)), Cambridge University Press,Cambridge, United Kingdom., 2013

6. RheinM, Rintoul S R, Aoki S, et al. Observations: Ocean. In: Climate Change (2013):The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., et al. (eds.)].Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.,2013.

7. USGCRP,(2017): Climate Science Special Report: Fourth National Climate Assessment,Volume I [Wuebbles, D.J., et al., (eds.)]. U.S. Global Change Research Program,Washington, DC, USA, 470 pp, doi: 10.7930/J0J964J6.

8. TrenberthK, Fasullo J, Balmaseda M. (2014): Earth’s Energy Imbalance. Journal of Climate,27(9): 3129-3144.

9.  Carbon Brief, (2018): Explainer:How scientists estimate 'climate sensitivity’, https://www.carbonbrief.org/explainer-how-scientists-estimate-climate-sensitivity.

10. 《气候变化国家评估报告》http://book.sciencereading.cn/shop/book/Booksimple/show.do?id=BA376BD9E955841B297C685DCC66A1695000

11.  Trenberth K. E., L.Cheng, J. T. Fasullo, Y. Zhang, (2018):Hurricane Harvey links to Ocean Heat Content and Climate Change Adaptation.Earth'sFuture, EFT2427, https://doi.org/10.1029/2018EF000825.

12. Huang,J., Yu, H., Guan, X. et al. (2016): Accelerated dryland expansion under climatechange. Nature Clim Change 6, 166–171 doi:10.1038/nclimate2837

制版编辑 | 皮皮鱼
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