地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第10章
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当研究者建立气候模型井速入这类营力和反馈性因素时，他们确实可以在电脑的输出端，重现所观察到的冰川期和间冰川期过渡的锯齿状格局。然而，以模型为基础的成功的古气候模拟，仍然只是全球变暖求证实验的相关的而不是主要的证据，因为我们无法确切地知道，所勾勒的这些机制的混合，在自然界是否以我们在模型中所建构的方式发生作用。例如，在过去80万年间占主导地位的10万年的循环，不可能是由地球轨道的偏心率变化所驱动的，因为这个10万年的循环，对于进入地球的太阳能量只能产生微乎其微的变化。最近有人指出，在地球轨道平面倾斜方面还存在着一个被人长期忽视的变化，这个变化，显示对过去60万年中以10万年为周期的冰川期循环有着很好的匹配关系。但是没有明显的机制，可以使得这种匹配看起来丝毫不像是一种奇怪的巧合。一个有趣的假说认为，较强烈的冰川期（包括过去60万年间10万年为期的循环）与西藏高原的构造上隆有关。很明显，冰I！潮理论还不完善，但是在古气候重建和模型模拟的许多方面已经有足够的一致性。气候的最适条件
我已经提及，天文学家已经显示地球的轨道相对于太阳有一个2万年、4万年和10万年的循环。今天，我们在1月份最接近太阳，但在9万年以前我们却是在7月份较为靠近。从现在起的10万年后，我们会再次逆转。我们知道，地球的轨道变化不会改变地球所接受的太阳照射年总量一个百分点的十分之二三，但是轨道效应可以改变纬度上和季节性的能量分布高达10％，即所谓太阳轨道营力。我们完全确信在9000年前的夏季，有比现在多8％的太阳光进入北半球。
随着电脑模型研究的最新进展，模型研究者现在已经开始模拟和解释过去气候的这些变化。他们可以从我们关于冰盖变化、大气圈中的粒子、二氧化碳、海平面温度，以及来自太阳的能量等方面知道的一切，把所有这些“营力”输入模型，然后，他们可以产生几千年前的气候是什么样的模拟。
研究这些现象的科学家也研究湖泊沉积物中的花粉化石和观察云杉森林如何向北迁移。然后，运用气候模型对古气候变化的预言，加上另一个有关森林如何随温度和降雨变化而变化的模型，他们把气候科学与生态系统科学联系起来。这使得我们能够预言，由模型计算驱动的、温度和降雨随时间变化的生态系统会发生什么变化，并通过将所预言的生态系统变化与野外在花粉化石中发现的东西进行对照，以检验气候模型。一个来自许多地球科学专业的国际科学家工作小组在一个称之为“全新世合作制图计划（CO。HMAP）”的研究计划中已经合作研究有五六年。总体上，他们的许多气候和生态模型与所掌握的资料相比较，在很多方面有着令人鼓舞的相似，但是在个别细节上还不总是完全一致。在一个任意给定的地点和一个任意给定的时间，这些模型在预言某些细节方面还得不到很好的可信性。而且，他们的森林模型，还没有包括冰川期大气圈中的低CO。。浓度对树木生长的直接的生理学效应。
于是，基本问题就成为：对模型预言的变化与16万年的自然变化的广泛对比，可以证实过去100年或未来100年，温度上升和温室气体积聚之间的定量因果关系吗？对此还不能肯定，因为仍然存在其他潜在的解释。但是，一致性已经足以认为这种因果联系是极有可能的，我认为有80％～90％的可能性可以相信，在20世纪地球变热与温室气体营力之间存在着因果联系。（参见第六章 中其他科学家关于这个问题可能性的个人观点。）证据是充分的，但仍然是相关性的因而不是结论性的——一个适合在特殊兴趣的人群中展开争论的条件。
人类引起的气候变化已经发现了吗
我已经提到，温度记录（图3．l）显示20世纪有大约0．5C的增温趋势，同时，CO。、CH。、N对这类温室气体的浓度亦相应增加。许多政策分析者和决策者已经询问：这种伴生关系是一种巧合还是一种因果？简言之，在所观察的温度记录中，是否已经发现了人类引起气候变化的迹象？对这个问题的回答看似简单，但实际上却极其困难——它会引起大量的争论。
首先，“发现”某种信号意味着从一个噪杂的背景中把它检认出来。全球平均温度记录，展示有以年计和以十年计的大约0．2”C的波动。它们仅仅是偶尔的噪声呢？还是对像火山喷发烟雾这类现象产生的反应？我认为答案是两者都有。全球温度在1883年（喀拉喀托）、1963年（阿贡）、1983年（埃尔基琼）、1991年（皮纳图博）火山爆发后的二三年里下降了十分之几度，这种变化很可能包括了对火山引起的平流层尘云的强制性反应；而大多数年复一年的温度波动可能仅仅是“噪声”，即由大气圈、海洋、冰原、土壤和生物群等气候子系统之间交换物质和能量引起的偶然的或随机的振荡。
长达一个世纪的0．5C的增温趋势怎么样呢？它可能会是噪声吗？这相当于问：掷一对骰子出现两个一点（每36次才有一次这种机会则4是否纯属偶然？我们大多数人都想要掷上一阵子来检验这种机会。但在地球及其气候问题的情况下，我们并没有长达100多年的覆盖全球的温度测量，因此，并没有告诉我们“气候骰子”可能性的直接测量数据。在这种情况下，长达百年的0．SCC的增温趋势是一种偶然的事件。从数学上讲，为了弄清05C的增温趋势是不是可以同这种自然噪声进行比较（或比其要大），我们需要知道长期的自然变异性（自然噪声）。如果比自然噪声为大，那么我们可以比较确信，20世纪的地球变暖不是一个偶然事件（我们把此过程称为“气候信号发现”）。然而，即便我们已经发现气候很可能发生了变化，但要把这种变化归之于人类活动，仍然有许多的工作要做（我们把此称为“气候信号归因”）。
由于我们没有全球表面温度趋势的观察数据，比如说2000年间（一个含有20个百年周期的时段），某些人已经提出迄今为止不存在气候变化的直接证据。虽然严格讲起来是对的，这却是一个高度误导的论断，因为还存在着大量间接的证据。例如，树木年轮的宽度就是气候变化的指示物，科学家已经取得了数千个覆盖全球数干年历史的树木年轮序列。其他的指示性“温度计”，包括冰川运动引起的地形变化、湖泊沉积物中的花粉浓度变化、冰川早期雪层中的化学成分等。虽然木是精确的全球温度指标，但这些指示物综合起来表明：0．st 的全球增温（或全球变冷）是一个完全非自然的事件。或许在我们最近的间冰川期历史中，平均算起来1000年才发生～次。这个间接证据强烈地支持我们认为：在20世纪的温度记录中，已经发现了一个真正的气候变化，这就是我80％到90％他相信这不是一个典型的自然波动的原因。但是怎样确定这种典型的增热趋势的原因呢；
如果暗示由于人类温室气体的增加引起了地球增热，那么需要排除其他的潜在原因（如像太阳辐射热变化或火山喷发）。还有，太阳能量输出的直接证据只出现在一个相当短的时期：即太空探测仪对大气圈反常效应做过测量观察的过去20年。这些测量结果表明，在为期11年的太阳黑子循环中，太阳辐射只有非常小的变化（低于0·5％），这个变化不足以解释大多数所观察到的全球温度记录。当然，在我们有可靠的太空探测仪测量数据之前，太阳释放的能量或许有过更大的变化。这种可能性已经导致了喧闹的争论．温室效应怀疑者认为太阳的变异性可能引起了所见到的地球增热（尽管他们没有直接的证据）。虽然，我和我的大多数同事，不相信单单一个太阳能解释过去100年的气候变化，但我们也不能以99％的不可能性来排除这个设想。我认为，如果要非常肯定把所观察到的长达百年的增热的具体比例，归之于人类活动，还要再花10年到20年的时间，去观察太阳辐射和地球表明增热（199年是又一个有记录的热年）。这就是说，如果我们只用地球平均表面温度作为测量变化的依据，则要花数十年时间才能得到较确切的原因。
观察发现几个嫌疑人没有不在现场的证据，但却无法给他们定罪。于是必须寻找直接的证据，特别是指纹。那么是否也存在着“气候指纹”？例如，二氧化碳捕热作用引起气候模型的全球平均温度增加，但此外平流层温度降低，北半球温度比南半球温度趋热，极地温度增热比热带要大，因为融化的冰雪使得更多的阳光被吸收，从而强化了高纬度的气候变化信号。因此，在CO。。增加1倍的模划中，可以发现变化的或“气候指纹”的类型。于是，气候学家拍寻观察记录，以了解模型产生的这种“指纹”是否在自然中发生。搜寻结果综合如下：当然，观察到增热是存在的，但是南半球的增热并不比北半球逊色，外加的极地变热也不与模型的演示匹配。平流层确实在冷却，但比模型根据温室气体增加所作的预言要多。
温室效应怀疑论者及其政治同盟军大声宣称模型不适合，是因为观察记录中根本没有清晰的“指纹”。但正如一些气候科学家（包括我自己）在回答中指出的，如果模型是由自然界所承受的同样的一组外部营力所驱动，那么唯一合理的做法是，把自然中的气候变化模式与气候模型中的模式作比较。换句话说，模型不仅需要受到温室气体增加的驱动，而且还必须包括燃烧高硫质的煤和油所产生的烟雾这类潜在重要的区域性冷却效应的影响（在其他的营力中，特别要考虑臭氧变化和生物量燃烧，尽管它们的绝对意义9不如前者）。最近由全球规模温室气体增加和区域规模含硫烟雾双重驱动的模型，显示了完全不同于仅仅由温室气体驱动或仅仅由太阳能量输出变化驱动的“指纹”（气候变化模式）。这些工业形成的烟雾大多数存在于北半球。因此，它们反射掉了一些太阳的能量（特别是在夏季），从而降低了气温。由此可以预料，这些烟雾多少抵消了由温室气体引起的增热程度，而这种抵消大多数发生在北半球。确实，最近在英国哈得莱中心和加利福尼亚劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，用CO。和烟雾营力结合所作的模型显示：在南半球有稍微高一点的增热，高纬地区则稍弱一些。平流层仍然在降热——如果把臭氧损耗同时考虑在内就和观察所见相接近。这个“气候指纹”模式，非常接近1960年～1990年间区域性和季节性气候变化的观察模式。这一令人鼓舞的一致，使得政府间气候变化专家小组（IPCC）的几百个科学家在1995年谨慎地断定，现在已经可以说发现了一个真正的气候变化，并且至少它的某些方面可以归之于人类活动。尽管承认还存在许多不确定性，IPCC的总结报告（在为下面这句话的言词表达争论了好几天后）说到：“然而，综合的证据显示人类对气候有着可辨别的影响”。仅仅几个小时的辩论就达到了对“可辨别的”这个词的选择，这个词距离我在1976年《创世战略》一书中使用的“可证实的”一词已为时不远。
这个新的“指纹”证据是否为确凿证据，还是仅仅是个不可能的巧合，会引起今后多年的争论。同时，地球这个实验室会继续发掘出答案（实验意义上的）。
在气候发现与归因问题上还需要强调最后一个话题。直到最近，气候模型研究者还没有足够的电脑能力，对气候变化随时间演化的过程进行日常计算，以提供几个不同的有关温室气体和烟雾浓度未来发展的故事。这就是，他们没有做过所谓瞬时的气候沉变化说明。（当然，真正的地球正在经历瞬时的实验。）相反，模型习惯于估计，在CO。被人为翻番和保持相对固定，而不是随时间增长而增加之后（就像它在实际中或在一个较为真实的瞬时模型演示中出现的那样），地球气候最终看起来是怎么样（即平衡模拟）。
因为巨大海洋的高效储热能力，瞬时模型模拟要比平衡模拟较少展示直接的变暖。然而，这种没有实现的变热在数十年后会最终表现出来。这种热衰变（会诱使我们对气候变化的长期积累产生错误的理解）现在正在用大气圈、海洋、冰川、土壤和生物圈的耦合模型进行解释（所谓地球系统模型，ESM）。早期的用ESM做的这种瞬时计算显示了与地球气候观察资料的更好的一致性。当美国哈得莱中心和德国汉堡马克思·普朗克研究所的瞬时模型，还由温室气体和含硫烟雾两者驱动时，这些随时间变化的模拟，得到了人类对气候影响的更为真实的“指纹”。需要有更多的这类电脑模拟来提供建立对气候模型的绝对的自信，但是科学家现在正在对目前的工作不是批评者一再声称的十足幻想这一点，开始表现出日益增长的自信。
然而，像ESM这种非常复杂的耦合系统，在CO。和烟雾等外部干扰，使得它发生非常快的变化时，可能会有不可预料的结果。确实，某些涉及上下数百年的瞬时模型，展现出基本气候状态的戏剧性变化（例如全球洋流中的快速变化）。1982年，我和汤姆森用非常简单的瞬时模型，研究了随时间变迁的气候变化模式是否依赖于CO。浓度增加的速率。对于一个缓慢增加的CO。积累，模型预言：温度增加在两极要大于赤道。
赤道一两极温度差异的任何变化都将导致区域气候发生改变，因为温度差异影响大规模的大气气流模式。然而，对于一个非常快的CO。浓度增加，我们发现在南半球的赤道一两极差异出现了逆转。如果这种情形持续数十年，就会在本世纪内引起不可预言的气候情况，或者因此导致气候向新的平衡状态进行调整。换句话说，我们对自然的影响越快越厉害，出现意料之外事情的可能性就越大（其中某些可能是会令人类感到不快的）。
经过15年的工作之后，IPCC用下面这段话总结了它的报告：
未来不可预料的、大而快速的气候系统变化（像过去曾经发生的那样）就其性质而言是难以预测的。这意味着未来的气候变化还可能会导致形成“意料之外的事情”。这种情况特别会由气候系统的非线性性质引起。当受到快速干扰时，非线性系统特别会出现不可预料的行为。可以通过研究气候系统的非线性过程和次级要素来取得进展。这种非线性行为的例子，包括北大西洋的快速洋流变化和与地球生态系统变化相关的反馈。
当然，如果我们选择某种政策来放慢人类活动影响大气圈的速率，气候系统就会较少受到干扰。我将把这个有争论的问题放到本书的最后去展开。
奇异气候现象
大约1．2万年前，在温带动物群经过长期的冰川期返回到北欧和北大西洋之后，在不足100年的时间里有过一次戏剧性的向类冰川期状态的折返。这个�
