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全球變暖,一樁事先張揚(yáng)的謀殺案?

2021/10/10
導(dǎo)讀
如果我們?cè)敢庾龅木褪亲源龜溃强茖W(xué)家不斷發(fā)展更精準(zhǔn)的模式預(yù)測(cè)有什么意義?
    10.11
知識(shí)分子
The Intellectual

如果我們?cè)敢庾龅木褪亲源龜?,那科學(xué)家不斷發(fā)展更精準(zhǔn)的模式預(yù)測(cè)有什么意義?| 圖源:pixabay.com

 導(dǎo)  讀

關(guān)于全球變暖的科學(xué)事實(shí),人類進(jìn)行了兩百余年的探索;關(guān)于全球變暖將給人類社會(huì)帶來的災(zāi)難,科學(xué)共同體持續(xù)發(fā)聲也有三十余年。2021年,真鍋淑郎克勞斯·哈塞爾曼因?yàn)?span style="color: rgb(68, 62, 62);font-family: -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;font-size: 14px;letter-spacing: 2px;text-indent: 28px;background-color: rgb(255, 255, 255);">“對(duì)地球氣候的理建模,量化變化和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖“分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的。
1996年,因發(fā)現(xiàn)氯氟碳化合物對(duì)臭氧層的破壞而或諾貝爾獎(jiǎng)的大氣化學(xué)家舍伍德-羅蘭(Sherwood Rowland)曾經(jīng)說到:如果我們?cè)敢庾龅木褪亲源龜溃强茖W(xué)家不斷發(fā)展更精準(zhǔn)的模式預(yù)測(cè)有什么意義 [23]?

按照諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)給出的頒獎(jiǎng)理由,這次物理學(xué)獎(jiǎng)是授予有關(guān)“復(fù)雜科學(xué)研究”的,而全球變暖領(lǐng)域是復(fù)雜性研究領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)例。復(fù)雜系統(tǒng)特別行非線性過程的研究從來也不是一個(gè)小眾的方向,一直是物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)和工程應(yīng)用等諸多學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域,只不過是這個(gè)領(lǐng)域的研究難度非常大,很難有一個(gè)普適的非線性理論解決所有學(xué)科中的非線性問題,所以在這方面獲獎(jiǎng)的研究成果并不是特別多。我個(gè)人并不認(rèn)為這標(biāo)志著物理學(xué)的新進(jìn)展和可能性,但是有可能標(biāo)志著諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員未來可能會(huì)重視物理學(xué)應(yīng)用方面的研究成果。


但是,與幾十年前真鍋淑郎2.93攝氏度的結(jié)果相比,其實(shí)并未相差太多。這也讓許多科學(xué)家開始懷疑,如此不厭其煩地重復(fù)已知的結(jié)論到底還有沒有必要

按照諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)給出的頒獎(jiǎng)理由,這次物理學(xué)獎(jiǎng)是授予有關(guān)“復(fù)雜科學(xué)研究”的,而全球變暖領(lǐng)域是復(fù)雜性研究領(lǐng)域的一個(gè)個(gè)例。復(fù)雜系統(tǒng)特別行非線性過程的研究從來也不是一個(gè)小眾的方向,一直是物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)和工程應(yīng)用等諸多學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域,只不過是這個(gè)領(lǐng)域的研究難度非常大,很難有一個(gè)普適的非線性理論解決所有學(xué)科中的非線性問題,所以在這方面獲獎(jiǎng)的研究成果并不是特別多。我個(gè)人并不認(rèn)為這標(biāo)志著物理學(xué)的新進(jìn)展和可能性,但是有可能標(biāo)志著諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員未來可能會(huì)重視物理學(xué)應(yīng)用方面的研究成果。


馬爾克斯在《一樁事先張揚(yáng)的兇殺案》里,描述了一樁本可以避免的謀殺案,如何在各種巧合以及旁觀者的不作為下,最終得以實(shí)施。應(yīng)對(duì)全球變暖,人類可能面對(duì)同樣的道德困境。由于時(shí)間尺度過長(zhǎng),道德責(zé)任被群體分散,每個(gè)人都在看著這場(chǎng) “謀殺” 一步步迫近,卻無所行動(dòng)。 

撰文 | 汪亞(中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所) 
責(zé)編 | 馮灝



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2021年8月,IPCC第六次評(píng)估報(bào)告《自然科學(xué)基礎(chǔ)》發(fā)布,這是科學(xué)共同體在現(xiàn)有的認(rèn)識(shí)范圍內(nèi)對(duì)于氣候變化最全面而有力的呈現(xiàn)。然而,盡管IPCC已持續(xù)發(fā)聲三十余年,但全球公眾對(duì)于氣候變化的事實(shí)、因果仍有諸多質(zhì)疑。


在很大程度上,公眾的質(zhì)疑是由于對(duì)科學(xué)共同體如何研究氣候變化缺乏了解。要知道,IPCC強(qiáng)而有力的結(jié)論并非空中樓閣,而是基于一場(chǎng)伴隨著無數(shù)質(zhì)疑的科學(xué)接力。

 

本文旨在分享有關(guān)氣候變化科學(xué)探索的歷史——那些基本物理理論的構(gòu)建、觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累、數(shù)值模擬的推演……以及,所有科學(xué)結(jié)論背后,氣候?qū)W家們的探索、榮光與無奈。

 


1


出人意料的諾貝爾和平獎(jiǎng)

 

氣候?qū)W家約翰·霍頓(Houghton)也許不會(huì)想到,自己曾長(zhǎng)期擔(dān)任聯(lián)合主席的科學(xué)組織——聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)——有一天會(huì)派代表赴挪威奧斯陸,領(lǐng)取諾貝爾和平獎(jiǎng)獎(jiǎng)?wù)隆?/span>

 

2007年,因 “在構(gòu)建及傳播人為氣候變化知識(shí)上所付出的努力,以及在制定應(yīng)對(duì)此類天氣的措施方面奠定基礎(chǔ)” [1],IPCC和美國(guó)政治家阿爾·戈?duì)?/span>(Gore)共同獲得諾貝爾和平獎(jiǎng)。

 

戈?duì)栐趽?dān)任美國(guó)副總統(tǒng)時(shí),積極推動(dòng)時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)克林頓簽署人類歷史上第一個(gè)具有法律約束力的減排文件《京都協(xié)議書》,而其制作并出演的氣候紀(jì)錄片《難以忽視的真相》,在不少國(guó)家引起巨大反響。[2]

 

與戈?duì)柕膯螛屍ヱR不同,IPCC是一個(gè)有著四千多名共同作者、評(píng)審專家、組織人員的科學(xué)機(jī)構(gòu)。

 

該機(jī)構(gòu)的核心——全球范圍內(nèi)的頂尖科學(xué)家們,負(fù)責(zé)評(píng)審和評(píng)估海量的氣候變化研究,形成一份關(guān)于氣候變化的 “自然科學(xué)基礎(chǔ)” “影響、適應(yīng)和脆弱性” 以及 “減緩措施” 的龐大報(bào)告。

 

在奧斯陸,諾獎(jiǎng)委員會(huì)說:IPCC讓越來越多的人共同認(rèn)識(shí)到人類活動(dòng)和全球變暖之間的關(guān)聯(lián),“20世紀(jì)80年代,全球變暖似乎只是一個(gè)有趣的假設(shè),而20世紀(jì)90年代,IPCC的一系列科學(xué)報(bào)告則提供了更為有力的證據(jù)支持” [3]。

 

這一年,距第一次IPCC報(bào)告發(fā)布,已過去整整18年 [4],而霍頓等科學(xué)家們也已向人類社會(huì)吶喊、預(yù)警多年——?dú)夂蜃兓瘯?huì)改變并威脅地球上絕大多數(shù)人的生活,加劇資源競(jìng)爭(zhēng),激化國(guó)家內(nèi)部和國(guó)家之間的矛盾,造成更多的暴力沖突甚至戰(zhàn)爭(zhēng)。他們的依據(jù),來自于科學(xué)共同體在氣象觀測(cè)、物理機(jī)制、模式模擬等方面所做的巨大努力。

 

追溯這一歷史,時(shí)針可以撥回到19世紀(jì)早期。

 


2


全球變暖歸因研究:
長(zhǎng)達(dá)兩百年的科學(xué)接力
 

1820年,通過計(jì)算和思想實(shí)驗(yàn),法國(guó)數(shù)學(xué)家約瑟夫·傅里葉(Joseph Fourier)提出,太陽光能穿過地球大氣,但紅外輻射不能 [5-6],這一工作被廣泛認(rèn)為最早提出 “溫室效應(yīng)” 的概念。今天來看,傅里葉的結(jié)論很粗糙,計(jì)算也存在諸多錯(cuò)漏,比如,他假設(shè)太空溫度應(yīng)大致相當(dāng)于北極夜間溫度(200開爾文),這使他大大高估了太空輻射對(duì)地球溫度的影響。此外,盡管他曾試圖計(jì)算,但傅里葉并沒有得出在沒有大氣情況下的地球溫度。

 

很大程度上,傅里葉對(duì)大氣作用的理解依賴于某種直覺。在他看來,大氣就像一種單面鏡,可見光可以透過,但紅外輻射無法射出。但是,對(duì)其研究成果的過分苛求并不恰當(dāng)。在熱力學(xué)的草創(chuàng)年代,傅里葉的科學(xué)探索難能可貴。更重要的是,他以一個(gè)物理學(xué)家的卓越眼光,將行星溫度估計(jì)、大氣輻射效應(yīng)等關(guān)鍵問題帶入了主流科學(xué)界的視野。

 

三十年后,受傅里葉等人工作的啟發(fā),愛爾蘭物理學(xué)家約翰·丁達(dá)爾(John Tyndall)開始關(guān)注這一問題,并成功測(cè)量了空氣中不同成分吸收的紅外輻射熱量 [7]。通過一套復(fù)雜精巧的試驗(yàn)裝置,丁達(dá)爾測(cè)量出大氣的主要成分(如氧氣、氮?dú)猓?/span>對(duì)紅外輻射的吸收極弱,而水蒸氣、二氧化碳等能夠大量吸收紅外輻射 [8]。

 

丁達(dá)爾用來測(cè)量大氣主要成分輻射效應(yīng)的儀器 | 圖源:文獻(xiàn)[8]


至此,溫室效應(yīng)的物理理論基礎(chǔ)已經(jīng)堅(jiān)實(shí)。而工業(yè)革命以來二氧化碳上升,讓先見者意識(shí)到,全球溫度可能持續(xù)升高。

 

比如英國(guó)蒸汽工程師蓋伊·卡倫德(Callendar),他利用業(yè)余時(shí)間收集了19世紀(jì)以來的溫度觀測(cè)數(shù)據(jù),挖掘和評(píng)估其時(shí)的二氧化碳濃度測(cè)量值,得出結(jié)論,1900年至1936年,二氧化碳濃度增加了6%。1938年,卡倫德斷言,二氧化碳上升可以解釋觀測(cè)到的變暖現(xiàn)象。[9]


卡倫德文章中的溫度序列(相對(duì)于氣候平均狀態(tài)的差值),做十年滑動(dòng)平均處理 | 圖源:文獻(xiàn)[9]

 

而在大洋彼岸,美國(guó)科學(xué)家查爾斯·大衛(wèi)·基林(Keeling)于1950年代開發(fā)出了第一臺(tái)可靠測(cè)量大氣二氧化碳濃度的科學(xué)儀器,并在夏威夷的莫納羅亞建起觀測(cè)站,對(duì)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè) [10]。日后,這一測(cè)站以世界上時(shí)間最長(zhǎng)的大氣二氧化碳連續(xù)記錄,有利地論證了地球二氧化碳濃度的快速增加。

 

基林曲線,橫軸為時(shí)間,縱軸為二氧化碳累計(jì)濃度 | 圖源:美國(guó)Scripps海洋研究所
 

3


從未消失的質(zhì)疑

 

百年以來,基林們的觀測(cè)不斷被證實(shí)——隨著二氧化碳濃度持續(xù)增加,全球平均溫度已上升1攝氏度。但自上世紀(jì)40年代開始,也就是卡倫德斷言全球增暖趨勢(shì)的幾年之后,全球平均溫度曾經(jīng)歷過一段下降期。1961年,美國(guó)氣象學(xué)家小約翰·默里·米切爾(John Murray Mitchell Jr)發(fā)文,指出1940年以來,全球溫度不僅未升,反而有所下降 [11],這種 “全球變冷” 的論調(diào)直到70年代仍大有市場(chǎng) [12],也使卡倫德等人全球升溫的結(jié)論備受質(zhì)疑。


米切爾文中的全球平均溫度時(shí)間序列,橫軸為時(shí)間,縱軸為溫度變化 | 圖源:文獻(xiàn)[11]

 

以今觀之,上世紀(jì)40年代到70年代的溫度波動(dòng),只不過是變暖大勢(shì)中的小插曲。但和卡倫德一樣,氣候?qū)W家的工作總是和質(zhì)疑相伴,其中,最為公眾熟知的就是2009年底的 “氣候門事件”。在《京都協(xié)議書》締約大會(huì)的幾個(gè)星期以前,黑客入侵了英國(guó)東英吉利大學(xué)氣候研究中心的服務(wù)器,并將該校氣候?qū)W者的一千多封電子郵件和數(shù)據(jù)文件公開,指責(zé)這些科學(xué)家涉嫌偽造和扭曲數(shù)據(jù),刻意夸大全球變暖 [13]。

 

一時(shí),全球輿論洶洶。

 

為平息質(zhì)疑,多家科學(xué)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了獨(dú)立調(diào)查,并發(fā)聲認(rèn)為這一指控不實(shí) [14]。與此同時(shí),“氣候門” 對(duì)科學(xué)界產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,直接促使物理學(xué)家理查德·穆勒(Muller)等人推行伯克利地面溫度(Berkeley Earth Surface Temperature,BEST)計(jì)劃,希望利用更多的測(cè)站資料、更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)段,“基于數(shù)據(jù)分析的透明方法” 獨(dú)立驗(yàn)證,最終得到了和英國(guó)東英吉利大學(xué)幾乎一致的結(jié)果。

 

不同國(guó)際機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)集給出的1850-2020年全球平均地表溫度變化 | 圖源:Berkeley Earth 2020年全球氣溫報(bào)告

 

通過兩百年來的物理基礎(chǔ)、百年來的觀測(cè)資料,科學(xué)家們得出明確結(jié)論,二氧化碳會(huì)導(dǎo)致全球平均溫度的持續(xù)上升。但是,全球平均溫度的變化,多大程度上可以歸因于人類活動(dòng)?

 

氣候研究的時(shí)空尺度和研究對(duì)象,決定了它無法使用實(shí)驗(yàn)室的對(duì)照實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。然而,數(shù)值模式的發(fā)展,使得氣候?qū)W家可以回答這一問題。



4


數(shù)值模式的寂靜革命:
從新生到成為氣候研究的新范式
 

得益于經(jīng)典物理學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)和大氣動(dòng)力學(xué)的逐步發(fā)展和持續(xù)積累,自上世紀(jì)50年代以來,數(shù)值模式如同經(jīng)歷了一場(chǎng)寂靜的革命,已發(fā)展成為現(xiàn)代氣候?qū)W最重要的研究工具,也是所有物理科學(xué)中影響最大的領(lǐng)域之一 [15]。

 

早在二十世紀(jì)初,氣象學(xué)家皮耶克尼斯(Bjerknes)就提出,物理學(xué)定律可用于預(yù)報(bào)天氣。納維斯托克斯方程、質(zhì)量連續(xù)性方程、熱力學(xué)第一定律和理想氣體方程共同構(gòu)成大氣預(yù)報(bào)方程,對(duì)這些偏微分方程進(jìn)行數(shù)值求解,就可以預(yù)測(cè)未來的天氣。但由于當(dāng)時(shí)既沒有足夠的算力(計(jì)算機(jī)),也缺乏足夠的觀測(cè)資料,更重要的是,大氣在大尺度層面的運(yùn)動(dòng)尚未構(gòu)建出完整的理論,數(shù)值預(yù)報(bào)的早期嘗試均以失敗告終。


局地直角坐標(biāo)系下大氣運(yùn)動(dòng)的基本方程組 | 圖源:TED Institute


直到一位叫朱爾·查尼(Jule G. Charney)的年輕人橫空出世。

 

在完成他那篇著名的關(guān)于斜壓不穩(wěn)定的博士論文 [16] 之后,在芝加哥氣象學(xué)派創(chuàng)始人羅斯貝(Carl-Gustaf Rossby)的介紹下,查尼赴普林斯頓高研院參加馮·諾依曼( John von Neumann)組織的會(huì)議,討論如何利用電子計(jì)算機(jī)來預(yù)報(bào)天氣。這次會(huì)議具體討論了些什么已不得而知,但其最大的意義,或許在于讓查尼和馮·諾依曼相識(shí)。

 

查尼意識(shí)到,馮·諾依曼對(duì)物理問題有很好的品味和熱情,而一個(gè)關(guān)于大氣大尺度運(yùn)動(dòng)的合理理論一定會(huì)在普林斯頓大受歡迎,且極有可能會(huì)被用于新生的電子計(jì)算機(jī)中預(yù)報(bào)天氣。這讓查尼無比興奮?;氐街ゼ痈绾螅炔患按亟o馮·諾依曼寫信,表達(dá)想去普林斯頓開展研究的愿望。但這封信一直沒有寄出 [17]

 

時(shí)機(jī)尚未成熟。

 

早在20世紀(jì)20年代,查尼的前輩、理論氣象學(xué)家理查德森(Lewis Fry Richardson)就曾嘗試?yán)梦锢矸匠踢M(jìn)行預(yù)報(bào),但以失敗告終。這很大程度上是由于高頻波動(dòng)如聲波、重力波等的干擾 [17]。如果想要發(fā)展一套理論在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行天氣預(yù)報(bào),就必須要解決這一問題。

 

但其實(shí)并沒有花太久,查尼就解決了這個(gè)問題。1947年,在寫給湯普森(Thompson)的信中,查尼提到了這一后來被稱為 “準(zhǔn)地轉(zhuǎn)理論” 的工作,它可以很好地描述大氣大尺度運(yùn)動(dòng),避免高頻波的干擾。

 

時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。1948年,馮·諾依曼邀請(qǐng)查尼領(lǐng)導(dǎo)其計(jì)算機(jī)項(xiàng)目的氣象小組。他的進(jìn)展非???,很快完成了基于線性方程的預(yù)報(bào)。查尼和諾依曼興奮不已,準(zhǔn)備使用非線性方程正式進(jìn)行預(yù)報(bào)。為此,諾依曼還特地向軍方申請(qǐng)到了ENIAC計(jì)算機(jī)的使用權(quán) [17]

 

1950年4月,第一個(gè)基于非線性方程的預(yù)報(bào)在ENIAC計(jì)算機(jī)正式運(yùn)行。查尼等人全天候待命,但由于ENIAC的故障,這一次24小時(shí)的預(yù)報(bào),花費(fèi)還是超過了24小時(shí)。好在結(jié)果很理想,查尼很快將其在雜志上發(fā)表,并將之寄給理查德森,這位在幾十年前就曾嘗試?yán)脭?shù)學(xué)物理方程進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的先驅(qū)。這也讓理查德森非常興奮,他承認(rèn),這一結(jié)果相對(duì)于自己幾十年前的預(yù)測(cè),是科學(xué)上巨大的進(jìn)步 [17]。


1950年查尼小組開展了人類歷史上首次成功的數(shù)值天氣預(yù)報(bào),最右為查尼,左二為馮諾依曼 | 圖源:加州理工學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院

 

自此,無數(shù)氣象學(xué)家、計(jì)算流體力學(xué)家前赴后繼地投入數(shù)值模式的發(fā)展中來,致力于以更完備的方程、更好的數(shù)值方案,更準(zhǔn)確地對(duì)天氣、氣候狀況進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)、預(yù)估。而當(dāng)時(shí)間進(jìn)入70年代,隨著氣候問題越來越得到關(guān)注,氣象學(xué)家意識(shí)到,全球的大氣環(huán)流模式對(duì)于全球變暖的歸因至關(guān)重要。

 

同樣在普林斯頓,二十多年后,美國(guó)地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)的大氣動(dòng)力學(xué)家真鍋淑郎(Syukuro Manabe)發(fā)展了一個(gè)理想海陸分布下墊面的三維大氣環(huán)流模式,并模擬了二氧化碳加倍情景下氣候狀況的變化。根據(jù)他的模擬,二氧化碳若增加一倍(300ppm加至600ppm),全球平均溫度將上升2.93攝氏度 [18]。

 

這一結(jié)論為日后的IPCC第一次評(píng)估報(bào)告提供了重要論據(jù)。1988年,霍頓作為主要作者,組織全球科學(xué)家編寫第一次的IPCC報(bào)告。而就在此前一年,因?qū)σu擊英國(guó)南部的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)不佳,群情憤怒,《太陽報(bào)》的讀者蜂擁投票,要求開除時(shí)任英國(guó)氣象局長(zhǎng)霍頓。晚年記憶模糊的霍頓,對(duì)此仍然印象深刻 [19]。預(yù)報(bào)不準(zhǔn),是所有預(yù)報(bào)員的噩夢(mèng)。

真鍋淑郎用于大氣環(huán)流模式計(jì)算的Univac 1108計(jì)算機(jī) | 圖源:文獻(xiàn)[6]

 

根據(jù)IPCC第一次評(píng)估報(bào)告,當(dāng)二氧化碳濃度相較于工業(yè)革命前增加一倍,全球平均溫度將上升1.5-4攝氏度 [13]這里1.5-4的置信區(qū)間,是由于不同模式之間存在的差異。而差異可能來自于對(duì)方程進(jìn)行時(shí)空離散化的方案(動(dòng)力框架)的不同,也可能來自于對(duì)不可解析過程參數(shù)化的差異,還可能來自于不同的輻射強(qiáng)迫等。如果模式足夠多,且相對(duì)獨(dú)立,那么就能更好地對(duì)不同模式進(jìn)行分析和比對(duì),同時(shí)多模式平均還可以消除單個(gè)模式偏差。

 

在這種背景下,“模式比對(duì)計(jì)劃” 應(yīng)運(yùn)而生。

 

IPCC第一次報(bào)告引用的數(shù)值模式,中國(guó)采用的模式來自于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 | 圖源:文獻(xiàn)[20]

1995年,世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)推出第一次國(guó)際耦合模式比較計(jì)劃CMIP1,該計(jì)劃致力于氣候模式性能評(píng)估、對(duì)氣候進(jìn)行歷史模擬和未來預(yù)估。二十多年來,CMIP與IPCC相輔相成、互相推動(dòng),取得了巨大發(fā)展。CMIP1僅有10個(gè)模式參與,而到CMIP6,已有來自全球33個(gè)單位的100個(gè)以上的模式參與 [21]。

 

毫無疑問,對(duì)于全球溫升的模擬和歸因,CMIP是成功的。

 

我們知道,地球氣候狀況受氣候系統(tǒng)自身非線性過程(如厄爾尼諾,太平洋年代際振蕩;一般稱為內(nèi)部變率)外部因子(外部強(qiáng)迫)的共同影響。而外部因子又分為自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫,自然強(qiáng)迫也就是自然產(chǎn)生的,如火山爆發(fā)、太陽黑子變化等;人為強(qiáng)迫由人類活動(dòng)引起,如人為溫室氣體排放、人為氣溶膠排放等。

 

海氣耦合模式以及后來的地球系統(tǒng)模式的歷史模擬,對(duì)主要的強(qiáng)迫因子,如溫室氣體、火山活動(dòng)、太陽黑子變化、氣溶膠等等因素通盤加以考慮。這些因子通過輻射效應(yīng)等參與模型中的物理過程,隨著物理數(shù)值模型不斷向前積分,最終,可以得到某種分辨率(取決于具體模型)的地球三維空間的巨量時(shí)空?qǐng)鰯?shù)據(jù)。

 

對(duì)其中的溫度數(shù)據(jù)求取全球平均數(shù),就得到全球平均溫度序列;而如果在一開始,將各個(gè)影響因子分離,做單一因子強(qiáng)迫的實(shí)驗(yàn),再如法炮制,就可以分別得到溫室氣體、氣溶膠等因子各自影響下的全球溫度序列。

 

全球平均地表溫度時(shí)間異常(相對(duì)于平均狀態(tài)態(tài)的差)序列。黑色線為觀測(cè)值,紅色、藍(lán)色粗實(shí)線分別為CMIP5和CMIP3的多模式平均,藍(lán)色和黃色細(xì)線分別為CMIP3和CMIP5的各個(gè)模式結(jié)果。上圖為兩次比較計(jì)劃CMIP3和CMIP5自然強(qiáng)迫(包括火山、太陽黑子等)實(shí)驗(yàn)的溫度序列;下圖為同時(shí)考慮自然強(qiáng)迫和人為強(qiáng)迫(人為排放的溫室氣體和氣溶膠等)的序列 | 圖源:文獻(xiàn)[22]


從上圖不難看出,僅考慮火山、太陽黑子等自然因子的變化(上圖上部分),無法復(fù)現(xiàn)觀測(cè)的溫升現(xiàn)象。而考慮人類活動(dòng)后(上圖下部分),所有模式全球平均溫度序列(藍(lán)色、黃色細(xì)實(shí)線)的趨勢(shì)均與觀測(cè)(黑色線)一致。而不同模式的平均(藍(lán)色、紅色粗實(shí)線),減少了單個(gè)模式的偏差,可以非常好地復(fù)現(xiàn)觀測(cè)到的溫度序列,無論是趨勢(shì),還是量級(jí)。這種接近不是偶然,盡管還存在或多或少的偏差(如對(duì)云的模擬)但目前的模式對(duì)于地球氣候系統(tǒng)物理過程的描述已有相當(dāng)?shù)木取?/span>

 

此外,對(duì)全球溫度趨勢(shì)的模擬,不光在時(shí)間趨勢(shì),在空間分布上同樣非常一致。


1951–2010觀測(cè)到的增暖趨勢(shì)(黑色)及各因子的貢獻(xiàn)。不同的外部因子的效應(yīng),具體而言,溫室氣體強(qiáng)迫表現(xiàn)為溫升效應(yīng)(GHG;綠色箱線),而主要成分是氣溶膠的其他人為強(qiáng)迫主要表現(xiàn)為降溫效應(yīng)(OA;黃色箱線),自然強(qiáng)迫在長(zhǎng)時(shí)間尺度上影響較?。∟AT;藍(lán)色線)。不同的模式之間在具體的數(shù)值上存在一定差異,但結(jié)論基本一致 | 圖源:文獻(xiàn)[22]

 

幾乎所有的模型都表明,近百年來的全球平均溫度上升主要?dú)w因于人類排放的溫室氣體。換言之,人類排放溫室氣體導(dǎo)致全球升溫這一因果關(guān)系,在所有數(shù)值模式中都能得到驗(yàn)證。如果不考慮人為排放的溫室氣體的作用,就無法解釋近百年來觀測(cè)到的增暖現(xiàn)象。

 

正如IPCC第五次評(píng)估報(bào)告所言,人類活動(dòng)非常有可能(extremely likely)主導(dǎo)了1951-2010年來的全球平均溫度上升。這里的 “非常有可能”,并非虛指,而是被量化的。世界各國(guó)幾十個(gè)模式的比對(duì)表明,人類活動(dòng)主導(dǎo)全球溫升的概率是95%~100% [22]

 

2021年,IPCC第六次報(bào)告《自然科學(xué)基礎(chǔ)》發(fā)布。報(bào)告引用了14000多篇論文,共有來自66個(gè)國(guó)家的234位作者參與。這次的報(bào)告再次確認(rèn)了人類活動(dòng)與全球溫升之間的因果關(guān)系。同時(shí),估計(jì)二氧化碳濃度加倍(相較于工業(yè)革命前),全球平均溫度將上升2.5~4攝氏度,不確定性范圍被進(jìn)一步縮小。

 

但是,與幾十年前真鍋淑郎2.93攝氏度的結(jié)果相比,其實(shí)并未相差太多。這也讓許多科學(xué)家開始懷疑,如此不厭其煩地重復(fù)已知的結(jié)論到底還有沒有必要 [23]

 

1996年,因成功解釋氯氟碳化合物(CFCs)破壞地球臭氧層的機(jī)理而獲諾貝爾獎(jiǎng)的大氣化學(xué)家舍伍德-羅蘭(Sherwood Rowland)曾經(jīng)說到:如果我們?cè)敢庾龅木褪亲源龜?,那科學(xué)家不斷發(fā)展更精準(zhǔn)的模式預(yù)測(cè)有什么意義 [23]?

 

而今天,面對(duì)全球變暖,這句話仍然適用。

 

對(duì)于人類活動(dòng)和全球變暖的因果關(guān)系,霍頓們已經(jīng)講了三十多年,質(zhì)疑仍然如影隨形,行動(dòng)仍然遲緩。全球變暖的原因和后果,幾十年前就已被預(yù)警。但是,就像一樁事先張揚(yáng)的 “謀殺案”,人類眼睜睜看著這場(chǎng)災(zāi)難,一步步臨近眼前。

 

就在IPCC第六次報(bào)告編寫期間,因一場(chǎng)和全球變暖一樣的全球性災(zāi)難——新冠疫情,霍頓——這位人類的烏鴉和花拉子模信使,離開了這個(gè)日益燥熱的世界。

 

他的孫女回憶到:“終其一生,掮客和資本始終在干擾他的工作,質(zhì)疑他的動(dòng)機(jī),企圖分散公眾對(duì)證據(jù)的注意。但是,我對(duì)他另一份恒久的記憶,是他畢生服務(wù)于上帝,服務(wù)于他深愛的這個(gè)世界的深切信念?!?[19]


陳昱同、唐顥蘇、顧樂天對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)。

 參考資料(上下滑動(dòng)可瀏覽)

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3.https://www.nobelprize.org/prizes/peace/2007/summary/

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10.https://earthobservatory.nasa.gov/images/5620/the-keeling-curve

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20.周天軍, 鄒立維, 吳波,等. 中國(guó)地球氣候系統(tǒng)模式研究進(jìn)展:C MIP計(jì)劃實(shí)施近20年回顧[J]. 氣象學(xué)報(bào), 72(5):16.

21.Eyring, V., Bony, S., Meehl, G. A., Senior, C. A., Stevens, B., Stouffer, R. J., and Taylor, K. E.: Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization, Geosci. Model Dev., 9, 1937-1958, doi:10.5194/gmd-9-1937-2016, 2016

22.Bindoff, N.L., P.A. Stott, K.M. AchutaRao, M.R. Allen, N. Gillett, D. Gutzler, K. Hansingo, G. Hegerl, Y. Hu, S. Jain, I.I.Mokhov, J. Overland, J. Perlwitz, R. Sebbari and X. Zhang, 2013: Detection and Attribution of Climate Change: from Global to Regional. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.

23.https://cosmosmagazine.com/earth/climate/new-ipcc-report-global-climate-change-warning/


制版編輯 盧卡斯



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