現(xiàn)在大家都在談?wù)撐磥須夂驅(qū)?huì)怎樣變化，而要對(duì)氣候變化做出準(zhǔn)確的預(yù)測，首先必須了解氣候變化及其成因。本文主要根據(jù)有關(guān)資料和論文介紹目前有關(guān)氣候變化問題的一些科學(xué)認(rèn)識(shí)。有興趣的讀者請(qǐng)參閱文后所附參考文獻(xiàn)。
討論氣候變化首先要了解氣候與天氣的差別，天氣和氣候不是一回事。天氣是指某一特定時(shí)間和地點(diǎn)大氣狀態(tài)（用溫度、氣壓、濕度、云量、降水和風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素表示），大多數(shù)地方天氣時(shí)時(shí)、天天、月月在變化。公眾日常關(guān)心的是每天的天氣如何。而氣候則是指某一地區(qū)天氣的平均狀況，通常由距某一時(shí)期的平均值的差值（氣象上稱距平值）表征。一般氣候變化緩慢。經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的決策者和經(jīng)濟(jì)計(jì)劃的制定者，更關(guān)心氣候狀況，特別是未來的氣候。我們討論氣候變化時(shí)不要把天氣異常和氣候變化混為一談。例如在7月份的某一天，我們問："廣州天氣怎么樣？"你可以回答："前幾天都很涼爽，但今天很悶熱。"另一方面，我們問："夏天廣州氣候怎么樣？"你可以正確回答："夏天很悶熱。"事實(shí)上，夏季某幾天廣州涼爽，并不表示廣州的氣候已經(jīng)發(fā)生了變化。同是7月第一周，多數(shù)年份可能很熱，但有些年份則可能很涼爽。它屬于一年一年之間的年際自然變化。多年平均來說，7月第一周的平均溫度是比較穩(wěn)定。碰到某年夏天特別熱，人們往往議論氣候反常了，很容易將它與一年一年的年際自然變化混淆起來，應(yīng)該將一個(gè)地方天氣的年際變化與氣候變化區(qū)別開來。
關(guān)于全球氣候變暖的研究已經(jīng)在世界范圍紛紛揚(yáng)揚(yáng)地進(jìn)行了二十多年。1979年召開的第一次世界氣候大會(huì)（FWCC），揭開了氣候變暖研究的序幕。隨之建立了世界氣候計(jì)劃（WCP）。由于氣候變暖問題已經(jīng)不再局限于科學(xué)研究的范疇，1988年由世界氣象組織（WMO）、聯(lián)合國環(huán)境署（UNEP）等機(jī)構(gòu)聯(lián)合建立了政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）。先后發(fā)表了第1次（1990年），第2次（1995年）與第三次（2001年）科學(xué)評(píng)估報(bào)告。在2001年9月發(fā)表的第三次評(píng)估報(bào)告中，IPCC得到的結(jié)論是"有新的和更有力的證據(jù)表明，過去50年來觀測到的絕大部分變暖是人類活動(dòng)的結(jié)果"。但是，也有一些科學(xué)家向這種主流觀點(diǎn)提出挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)往往言詞激烈，論據(jù)偏頗，也確實(shí)有一些錯(cuò)誤的見解和不事實(shí)求是的結(jié)論，但是其中有許多問題是值得深入討論的。
首先我們來看看世紀(jì)地球表面溫度的上升。全球氣候的變暖，最重要的證據(jù)就是直接溫度觀測。但是，要證明全球變暖并不簡單，有觀測資料問題，也有分析方法問題。首先，就是如何處理單站氣溫觀測，得到一個(gè)代表全球的氣溫序列。在過去的研究中曾經(jīng)有大約三十多位作者作了這方面的嘗試。經(jīng)過時(shí)間的考驗(yàn)最后到20世紀(jì)80年末到90年代初，形成了英國（Jones）、美國(Hansen)及俄國（Vinnikov）三家。后來又增加了Peterson的序列，但是這是在Hansen的基礎(chǔ)上作了一些修改得到的。盡管原始資料差不多，這4個(gè)序列的結(jié)果卻并不完全一致。例如1998年這4個(gè)序列所給出來的氣溫距平卻不相同，分別是0.77℃、0.55℃、0.59℃及0.87℃，可見差異還是不小的。IPCC第三次氣候變化評(píng)價(jià)報(bào)告指出，全球平均地表溫度自1861年以來一直在增高,20世紀(jì)增加了 0.6±0.2℃。2 0世紀(jì)增幅最大的兩個(gè)時(shí)期為1910～1945年和1976～2000年。全球范圍內(nèi),2 0世紀(jì)90年代是最暖的10年,而1998年是最暖的年份，20世紀(jì)可能是過去1000年增溫最大的100年，平均來說,1950～1993年間,逐日夜間地表最低氣溫每10年增加0.2℃,而逐日白天陸面最高氣溫每10年增加0.1℃,而此間海面溫度的增幅大約是平均陸面氣溫增幅的一半。
我們?cè)賮砜礆夂蜃兣钠渌C據(jù)：海洋溫度:世界海洋的最上層300m在1998年 比1950年代中期溫度上升了0.3±0.15℃。2、大氣溫度:探空資料顯示對(duì)流層低層1958年以來有0.1℃/10a增溫趨勢。而1979年以來的衛(wèi)星微波探測則顯示增溫趨勢為0.05℃/10a。3、鉆孔溫度: 200～1000m深的地下溫度在20世紀(jì)上升了0.5℃。大約80%鉆孔的溫度是上升的。4、陸地雪蓋：1966年以來的北半球年平均雪蓋面積有減少趨勢。1980￠s中以來約減少10%。5、海冰：1973年以來衛(wèi)星觀測北極的海冰面積也有下降趨勢。自1978年至今，北極海冰面積可能減少2.8%。6、冰川：冰川的前進(jìn)后退是氣候變化的良好指標(biāo)。根據(jù)世界范圍冰川資料，20世紀(jì)之前只有緩慢的后退，20世紀(jì)初后退加速，到20世紀(jì)末不少冰川后退了1～3公里。近20年熱帶雪線上升約100m，這大約相當(dāng)溫度上升0.5℃。
從以上所列舉的證據(jù)來看，20世紀(jì)氣候變暖已是一個(gè)無可爭辯的事實(shí)。而且變暖在20世紀(jì)的最后20多年時(shí)間里是加速了。20世紀(jì)地面增溫0.6℃有一半發(fā)生在最近的四分之一個(gè)世紀(jì)里。氣候變暖在雪蓋、海冰及山岳冰川的變化上均有反映，深海、深層陸地及對(duì)流層大氣也有增溫，只是增溫幅度均小于地球表面溫度變化。
經(jīng)典氣候?qū)W通常只對(duì)大氣資料去研究氣候狀態(tài)，因此難以從本質(zhì)上弄清楚氣候變化的原因。隨著研究的深入，人們認(rèn)識(shí)到氣候變化并不僅僅是大氣自身的孤立演變。它和海洋、冰雪圈、陸地表面（巖石圈）、生物圈等是相互作用的，這就是當(dāng)代氣候?qū)W中"氣候系統(tǒng)"的概念。氣候的形成和變化是氣候系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)相互反饋?zhàn)饔玫目傮w表現(xiàn)。因此當(dāng)代氣侯學(xué)已成為氣象學(xué)、海洋學(xué)、地球物理學(xué)和生物學(xué)等多學(xué)科相互滲透的交*科學(xué)。
覆蓋在地球表面的薄層大氣是氣候系統(tǒng)中最重要也是最活躍的部分，其他子系統(tǒng)往往是通過與大氣的相互作用來影響氣候變化的。大氣運(yùn)動(dòng)的根本能量是太陽輻射。但由于大氣本身的物理特性，它不能吸收短波的太陽輻射，只有當(dāng)短波的太陽輻射被地球表面吸收，并以一定溫度下的長波輻射返回大氣時(shí)，大氣才能吸收長波輻射并加熱自己。由于地球表面分布的差異（有高山、平原、湖泊及海洋等），大氣受到的加熱并不均勻。這種不均勻加熱通過對(duì)流擴(kuò)散及水平輸送等一系列物理過程使大氣運(yùn)動(dòng)起來，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的范圍較大時(shí)就稱為大氣環(huán)流。大氣環(huán)流形勢往往直接決定全球或區(qū)域的氣候類型及其變化，氣候異常通常同大氣環(huán)流的某種持續(xù)異常有關(guān)，但目前還沒有完全弄清楚大氣環(huán)流持續(xù)異常的成因。此外 大氣中各種成分（如臭氧、二氧化碳等）的變化對(duì)氣候的影響也是不能忽視的。大氣中的臭氧主要存在于10－50公里的高度區(qū)內(nèi)，其含量雖然不高，但作用卻很大，臭氧層對(duì)太陽紫外線輻射的吸收可導(dǎo)致平流層氣溫向上遞增，影響到平流層的大氣環(huán)流。進(jìn)而影響到整個(gè)大氣的氣候狀態(tài)。大氣中的二氧化碳等溫室氣體通過影響大氣的輻射過程，使得地表輻射溫度增高。這種作用即是溫室效應(yīng)。近百年來 受人類活動(dòng)的影響，大氣中二氧化碳的含量迅速增加，溫室效應(yīng)的作用越來越大，對(duì)溫度、降水及土壤溫度都有明顯的影響。此外太陽的黑子活動(dòng)，火山噴發(fā)形成的大量微粒都會(huì)改變大氣的輻射平衡過程，進(jìn)而影響到氣候的變化。
另一方面，地球表面大約71％的地區(qū)是被海洋覆蓋的，特別在赤道地區(qū)海洋所占的面積比例就更大了。太陽輻射總量的70％左右被海水所吸收。由于海水的物理屬性和空氣不一樣，海水的密度比空氣大一個(gè)量級(jí)，比熱比空氣大4倍多，所以海洋是一個(gè)巨大的能量源，這些能量將以潛熱、感熱和長波輻射的形式輸送給大氣，驅(qū)動(dòng)大氣的運(yùn)動(dòng)。因此，海洋熱狀況的變化將時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要的影響，從而引起氣候變化。反過來大氣又通過風(fēng)應(yīng)力作用于海洋表面，驅(qū)動(dòng)海洋運(yùn)動(dòng)形成海洋環(huán)流。它們之間是相互影響相互作用的。最近二十年的研究紀(jì)結(jié)果表明，海洋與大氣之間的相互作用（ENSO）現(xiàn)象就是其中之一。 所謂ENSO實(shí)際上是厄爾尼諾（Elnino）和南方濤動(dòng)（SO）的簡稱。厄爾尼諾指的是發(fā)生在赤道東太平洋附近的海水異常增暖現(xiàn)象，而南方濤動(dòng)則是指赤道東太平洋上空大氣壓力場呈現(xiàn)出的一種蹺翹板變化的現(xiàn)象。它是氣候變化的重要內(nèi)容，對(duì)于幾年到幾十年時(shí)間尺度的氣候變化和預(yù)測只有在充分了解海洋與大氣相互作用的基礎(chǔ)上才可能得到解決。但海洋和大氣作為一個(gè)非線性的耦合系統(tǒng)，其相互作用的過程是極為復(fù)雜的，到目前為止這種相互作用的機(jī)制仍然不是十分清楚。
同海洋一樣，陸地和冰雪圈的變化也會(huì)對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化產(chǎn)生重要的影響，而大氣環(huán)流和氣候變化反過來也會(huì)影響陸地和冰雪圈的變比。陸地和雪蓋主要通過影響地表反照率及土壤濕度和溫度而對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化起作用。大氣環(huán)流和氣候變化則通過云、降水和氣溫的變化對(duì)陸地和冰雪圈起作用。冰雪的主要作用是增大地表反照率，當(dāng)冰雪面積大時(shí)，由于更多的太陽輻射被反射，地面空氣溫度將會(huì)降低，這又造成冰雪面積的擴(kuò)大，對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)起到冷卻的作用。同時(shí)由于其融化時(shí)要吸收熱量，可使季節(jié)升溫變慢。海冰除了同雪蓋一樣通過地表反照率和感熱交換等過程影響大氣環(huán)流和氣候變比外，它還對(duì)海洋鹽度產(chǎn)生影響，進(jìn)一步間接影響氣候變化。
生物圈對(duì)氣候變化非常敏感，植物可以隨著溫度、降水及反射的變化而發(fā)生自然變化。不同的氣候帶因降水量和氣溫的不同而用擁有不同的生物群落，如熱帶雨林，中緯度草原等。但有植被覆蓋的地方，其地表反射率一般比裸地小許多，從而吸收太陽輻射就比較多。植物冠部有較高的蒸發(fā)能力，植物根系可以把深層土壤的水分抽吸到葉莖上，從而改變土壤含水量和地下水循環(huán)。此外，植物還可以通過光合作用調(diào)節(jié)大氣中二氧化碳的含量，部分減少由于溫室效應(yīng)造成的升溫。另一方面，植被的存在還使地表粗造度增大，使地表摩擦及地面和大氣之間的交換過程發(fā)生變化，這些過程都會(huì)影響到氣候的變化。
我們已經(jīng)知道過去的氣候發(fā)生過變化，但這種變化是自然的原因造成的，而前述最近自1860年開始儀器觀測以來全球平均溫度上升，在很大程度上是人類活動(dòng)引起的。事實(shí)上，觀測到的變暖與大氣中溫室氣體濃度的增加有關(guān)。主要的溫室氣體二氧化碳，從1750年的大約280ppmv(容積百萬分之一)增加到2001年底的370 ppmv，增加的比率為32%。同一時(shí)期，大氣中甲烷和二氧化氮的濃度分別增加了151%和17%。大氣中二氧化碳增加的觀測結(jié)果，使WMO在1976年第一次發(fā)表了關(guān)于溫室氣體在大氣層中累積增加對(duì)我們未來氣候造成的潛在影響的權(quán)威陳述。
氣候變化能否預(yù)測？氣候系統(tǒng)如此復(fù)雜，上述氣候變化成因還有待進(jìn)一步研究。但氣候?yàn)?zāi)害頻繁發(fā)生的現(xiàn)實(shí)卻使人們期望能夠準(zhǔn)確預(yù)測未來的氣候變化。那么，氣候變化能不能預(yù)測，或者說能夠有多大程度上預(yù)測未來的氣候變化。這是目前人們十分關(guān)心的問題。
隨著流體力學(xué)的發(fā)展，人們找到了控制大氣和海洋這類流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程組，人們開始用數(shù)學(xué)語言來描述大氣的運(yùn)動(dòng)過程，并嘗試通過求解這些動(dòng)力學(xué)方程來預(yù)報(bào)大氣變化。但直到二十世紀(jì)五十年代中期，由Charney等人在美國普林斯頓大學(xué)利用一個(gè)簡化的正壓渦度方程制作出了世界上第一張數(shù)值天氣預(yù)報(bào)圖后，才真正開始了數(shù)值預(yù)報(bào)大氣運(yùn)動(dòng)的時(shí)代。從那以后，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)取得了長足的發(fā)展。今天，一個(gè)星期內(nèi)的短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率已經(jīng)令人滿意。在短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)方面取得的成績使人們自然而然地想，如果將預(yù)報(bào)的時(shí)間延長到月、季、年并充分考慮到氣候系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的相互作用不就可以作氣候預(yù)報(bào)了嗎？但嘗試的結(jié)果令人沮喪，原因到底是什么呢？氣象學(xué)家Lorenz發(fā)現(xiàn)，像大氣這樣的非線性方程的解對(duì)初始值非常敏感，當(dāng)初始值有微小的變化時(shí)，非線性方程的解有非常大為變化。他進(jìn)而指出氣候變化是不可預(yù)測的，Lorenz也由此成為混沌學(xué)的開創(chuàng)人之一。
但是，實(shí)際大氣觀測結(jié)果和數(shù)學(xué)描述的結(jié)論并不十分符合。例如一年中四個(gè)季節(jié)總是交替出現(xiàn)的，每個(gè)季節(jié)大氣的多年統(tǒng)計(jì)平均值總是在一定的幅度內(nèi)波動(dòng)，即便發(fā)生氣候異常，其對(duì)多年統(tǒng)計(jì)平均值的偏差也不會(huì)太大。這種客觀事實(shí)的存在，重新樹立起人們對(duì)長期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的信心，也促使人們改變?cè)瓉淼念A(yù)報(bào)觀念，不再拘泥于對(duì)未來氣候確定狀況的預(yù)測，而是將預(yù)測的重點(diǎn)放在未來氣候的變化傾向上（如溫度的偏高或偏低，而不再頂預(yù)測具體的溫度值），即形勢場的概率預(yù)報(bào)上。這種基于動(dòng)力學(xué)模式集合預(yù)報(bào)的概率預(yù)測方法是目前較好的預(yù)測氣候方法。利用這種方發(fā)曾成功預(yù)測出1997／98年Elnino事件的發(fā)生。此外，在選擇了合適的影響氣候變化的權(quán)重因子后，利用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法也能對(duì)某些氣候異常事件做出預(yù)測。如對(duì)1998年長江流域特大洪澇災(zāi)害的準(zhǔn)確預(yù)測。但就目前的氣候預(yù)測水平而言，每一種預(yù)測方法的準(zhǔn)確率都有待提高。
根據(jù)目前科學(xué)認(rèn)識(shí)水平所做的預(yù)測，IPCC第三次評(píng)估報(bào)告指出，全球平均地表溫度將在1990到2100年期間提高1.4～5.8℃。這一預(yù)測的變暖比率較20世紀(jì)觀測到的變化要大得多，而且很可能在過去至少10000年里是沒有先例的。估計(jì)海平面高度在1990到2100年期間上升9～88厘米。這將會(huì)由于低島、海港、部分農(nóng)田、淡水資源、旅游地和發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)受到威脅而產(chǎn)生重要的社會(huì)-經(jīng)濟(jì)影響。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)降水將要增加。在低緯的某些地區(qū)降水量會(huì)減少，而在其他地區(qū)則會(huì)增加。在中高緯地區(qū)，降水會(huì)增加。干旱和洪澇將更為普遍。目前預(yù)測今后100年厄爾尼諾事件的幅度不會(huì)變化或變化很小，但由于溫度的升高，與厄爾尼諾事件相關(guān)的旱澇極端事件會(huì)更為嚴(yán)重。另外，亞洲季風(fēng)降水變率可能會(huì)加大。
從全球平均結(jié)果和長期變化趨勢來說，這些預(yù)測有一定可信度；但因溫室氣體排放情景是假設(shè)的，使用的資料不完整，模式物理過程不完備（如云和輻射的作用），降水模擬和區(qū)域氣候模擬誤差比較大，使預(yù)測結(jié)果帶有不確定性。為了更深入了解氣候變化成因，作出更加可信的預(yù)測，必須進(jìn)一步開展氣候系統(tǒng)的外場觀測，加強(qiáng)氣候變化過程研究，努力改進(jìn)模擬水平，弄清對(duì)氣候變化預(yù)測中固有的不確定性問題。
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