地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第8章

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　　内因还是外因

　　在谈及气候变化的原因时，我曾指出需要区分两类基本的原因：内因及外因。“外”意味着由系统外引起，且不大受系统内的变化的影响，但是外部过程并不一定非得在地球之外（如太阳之于地球）发生。如果我们讨论的焦点是一星期时间尺度上的大气变化（天气），那么，产生CO。的海洋、陆地表面、生物群及人类活动都是外因，因为这些过程并不会因为短期内的大气变化而遭受较大影响。但是如果我们讨论的是几十万年尺度的冰川期、间冰）11期旋回，那么，海洋和冰盖就构成内部气候系统的一部分，并且将作为地球气候系统的一个内在组分而发生变化。因此，对一个气候系统来说，何为外因何为内因并非绝对，而是取决于所讨论的现象以及所涉及的时空尺度。

　　以上少数几个例子旨在说明，在电脑模型中，从众多因素中选定某一气候系统的内因及外因是一件复杂的工作。发现混沌理论的先驱者，美国麻省理工学院（MIT）的气象理论学家爱德华·洛伦兹（Edward　Lorenz）在20世纪60年代就认识了这一内、外因之争的重要性。洛伦兹注意到，一个复杂的所谓的非线性系统可以有不同类型的行为。非线性意味着一个系统对某一外力的响应，并不与外力大小成正比关系。例如，假如有这样一个非线性系统，当施以1个单位的外力时，它将作出1个单位的响应；如果外力变成2个单位，系统的响应可能将变为6（或1．5）个单位（或者系统将产生崩溃——这是一个非常非线性的响应）。两片阿斯匹林可以治愈一个人的头痛，但吞下一整瓶的阿斯匹林则将致人于死地—一这是极端的非线性响应！

　　有一种反应方式被称为“确定性的”，它意味着系统对外力的响应是以一种一对一的方式（即使是非线性的）进行的。也就是说，一股特定的推力引起一种特定的响应，假使推力加倍，则产生另一种可以预定的响应：推力和响应之间有直接的因果关系。例如，将l％的太阳能反射回太空的火山尘埃，原则上将会引起一次可以确定的特定降温；如果反射回太空的太阳能增加到2％，则会引起另一次特定降温效应（不一定是线性的，但仍可确定）。

　　另一类系统行为是“随机的”，意指系统按某些统计规律运作。例如，一对骰子是非确定性的，因为不存在一种关系能够准确地预测每次扔骰子的结果：每扔一次，出现任何数字的概率是相等的。至少在原则上可以确定一种“统计分布”，它给出一对骰子各面任何组合的概率。许多天气系统即表现出这样一种随机行为，这一因素构成了天气预报中确定降雨概率的基础。

　　洛伦兹引入的这种新的系统行为类型，后来被数学家们称之为“混沌理论”。他指出，某些非线性系统既不是确定性的，也不是随机性的。这类系统有一种围绕某些被洛伦兹称为“奇异吸引子”的状态聚集的趋向，冰J；D期和；和冰川期就是这样的一些状态。人们还识别出自然界其他许多混沌行为的例子，包括玩具气球在天空中的飞行轨迹及不规则的热津动等等。

　　气候记录是由内在的还是外部的原因引起？气候这一复杂的自然系统是确定的、随机的、混饨的，抑或是在不同的环境下以上三种状态均可出现？科学界围绕这些问题展开了激烈的争论。

　　外在因素及系统的确定性意味着可预见性。例如，位于太平洋大岛夏威夷海拔逾3000米处的冒纳罗亚（Manna　Loa）天文台，有一个太阳光检测器。一般情况下，检测器观测到实际上有93．5％侵入到大气圈顶层的太阳辐射能最终抵达该处地表。然而在1963年，抵达冒纳罗亚天文台的太阳能数量有一显著的降低——下跌了几个百分点。这事实上是巴厘岛的阿贡火山喷发所致，火山喷发将SO带入平流层，SO。在平流层中通过光化学作用转变为硫酸微粒，扩散至全球，然后在大约8年时间内缓慢降落。这一尘埃在大气层下层将这一部分太阳能反射回太空。地球因此将变得更冷，事实上这确实降低了十分之几摄氏度（见图3．二）。回落时分，由于高空烟雾颗粒的作用，天空重新变亮，添以浓浓的紫红色，使日落时的火山壮观醒目。1983年，墨西哥境内的一座名叫奇切思的火山发生喷发，将火山顶部相当大的岩块掀走。火山灰本身并不会引起明显的气候变化，因为它在几星期内即可从大气圈下层降落地表，从而给当地居民带来灾难。引起气候变化的真正因素，是火山喷发带人平流层的SO。。

　　或许是1991年菲律宾皮纳图博火山喷发的一个结果，1992年和1993年，全球平均地表温度比往年要低0ZC。事实上，1992年是此前连续6年来第一年没有出现破高温天气的记录。随着火山尘埃消散殆尽，1994年和1995年的地表温度又恢复新高。

　　土地利用是另一个必须加以说明的外部气候育力。例如，如果人类对亚马孙河西林区以一个较快的速率进行森林滥伐，气候将会因之产生何种影响？对此，人们目前正在进行许多模拟研究来试图加以确定。由于树木具有可将水分吸至土壤深处的根部的功能，森林地区比不毛之地要蒸发更多的水分。树叶通过微小的气孔呼吸CO。、O。及水蒸气。树叶的气孔张开时吸进光合作用所需之CO。，然后呼出水分和O。。植物的蒸腾作用是大气圈水分的一个重要供给来源，森林滥伐则改变了蒸腾作用的速率。大气圈本身的CO。含量多少决定树叶气孔张开时间的长短，而这又影响着蒸腾作用。如果森林滥伐伴随着大规模的焚烧，燃烧产生的烟雾将会改变温度、降雨量和云的多少。如果人类活动或自然过程改造了地表及生物群，这又将决定这些生物群赖以生存的天气的性质。这就是所谓的“生物地球物理反馈（biogeophysical　feedback）”，它代表的是在地球系统的模拟中另一个必须予以澄清的内部过程。

　　他表的水土流失与森林滥伐有关。北卡罗来纳州的实测结果表明，该地区在森林滥伐后出现更多的水土流失，这是由于土壤固结并因而导致保持土壤水分的植被减少了。此外，由于裸露的土壤或草地相对森林而言，其蒸腾作用减弱，这又使更多的水得以流失。其结果可以导致下游的洪水灾害，特别是当有足够多的土壤被侵蚀而使水土流失急剧增加时，更是如此。然而，非线性的气候系统是非常复杂的。例如，如果森林滥伐在一足够大的规模上进行，即使森林滥伐使降水量中流失的成分增加，它也可以使蒸腾作用减弱到使降水量减少的程度，因此将导致水土流失总量的降低。人们曾将这一机制应用于亚马孙河。森林所无偿提供的所谓生态系统服务功能之一就是控制洪水，其他功能包括控制自然害虫数量、废物再循环以及营养成分循环等。

　　我业已指出，碳循环以多种方式与大多数的外部和内在因素相联系。它涉及温室效应、光合作用、呼吸作用等自然过程。当然，矿物燃料的燃烧及森林滥伐是直接影响碳循环的一些全球变化。气候调节着碳的储集和流动，而人类在此扮演着非常重要的角色。毋庸置疑的证据表明，正如南北两极的冰芯所揭示的自工业革命以来CO。。含量的增加（25％）是由人类活动引起一样，冒纳罗亚天文台及其他一些远离两极的地点所直接观察到的CO。含量，自1957年以来的增加值（10％），也是由人类活动所致（见图2．3）。

　　在所有这些外部和内在因素中，何者对气候产生最重要的影响呢？

　　很显然，诸如土壤中的碳这类非常缓慢的循环的变化，不至于会对来年的天气产生影响，因为后者与诸如海洋表层水温模式等更为迅速的变化有关。对1一2年的全球平均温度来说，一次火山喷发是一个5「常重要的外部因素。但对一个世纪的时间尺度（大致相当于人类使CO。含量翻一番或使自然森林消失所需的时间）来说，火山尘埃似乎只是一些短期的干扰。因此，上述问题的答案将难以令人满意：“它既取决于某种气候营力尺度下最为主导的影响因素，也与地球系统内部各个子系统的特征的响应时间有关。”此外，地球系统对各种人类干扰的响应，可以是一些不同因素之间的任意组合。

　　以上所有讨论说明了气候预报为什么仍是不准确的一项工作。我们所讨论的系统，在不同的时间段里遭受无数种不同方式的影响。对一确定时间段的系统来说，我们自认对其外部和内在的各种变量已有相当程度的了解，但对于每个变量是如何影响系统，我们并不完全了解。我们知道气候具有非线性成分，但我们并不了解系统的各个方面在多大程度上是决定性的、随机的或混饨的。火山尘埃和（可能的）温室气体引起的大多是一些确定性的系统响应。四季变换是对地球轨道几何形状变化的一种响应，基本上是确定性的且可预测的，但对于一个特定的冬季来说，它与长时期冬季平均情况的差别，最多也只能部分地进行预测。

　　由于大气圈的混沌的、不可预测的性质，目前要预报一星期或两星期之后的天气，原则上是比较困难的。现有的气候模型常招来批评者的嘲笑。某些反对者提出的一个典型的指责就是：“如果你连两周后的天气都无法予以准确预报，你又怎敢预报未来20年的气候（长时期天气的平均情况介”然而，虽然将一对骰子掷了许多次之后仍无法可靠地预测此后每掷一次的结果，但这并不能阻止我们对两粒骰子各面组合的概率巧妙地进行预测，如果我们使用灌铅骰子并且知道如何操纵它们，那么我们还可以可靠地预测上述概率事件的替代事件。电脑模拟技术是我们所拥有的用以进行“假如……那么……”这类实验的唯一有效的手段，人类对未来气候的影响（此处相当于“气候骰子”）就是这类实验之一。地球气候系统既有众多的不确定之处，也有大量得到广泛承认的事实。因此不难明白在系统中出现错误是一件微妙而容易的事。但全球变化营力的飞快速率并没有留给我们多少选择余地，我们只有利用这些以已知的物理学和生物学原理为基础的不断更新的手段，来增进我们的认识，改善我们的预测技术，并将那些将对下一世纪的地球生命产生影响的可能后果告知决策部门。








第四章　模拟人类引起的全球气候变化

　　1628年，瑞典国王、瓦萨王朝的古斯塔夫·阿道夫（GUSttVAdolf）急切地想建立自己的造船业，他想要造出一批战船用来进攻欧洲。

　　那年8月，第一条名叫“瓦萨号”的船下水了。“瓦萨号”开始其处女航的时候，船上有64门青铜大炮和130位船员。在船离开港口前，突然出现一股暴风把船推向码头，结果水从较低的那些炮眼漫进船内。船沉入港口别之一。认为世界之本原为客观存在的“自性”（本），其中，船桅尚未完全沉没，旗帜还在那边飘着。有50位船员丧生。

　　300多年的时间，“瓦萨号”一直躺在斯德哥尔摩港口30米深、海水微威的波罗的海海底。1961年它被打捞起来时，意外地发现完好如初，因为海水的咸度防止了令人讨厌的海蛤对它的损害。安德斯·弗朗兹（Antlers　Frame）是帮助挖掘这艘瑞典战舰的海洋考古学家之一。他在1962年写到，没有证据表明“瓦萨号”设计有问题或者航行不当。弗朗兹说：“合理的推测是这场灾难起因于大炮、压舱物和其他重物在船上位置分布不当。”

　　也许，如果建造“瓦萨号”的工程师们预先造一个缩小的模型，来检验它在有风情况下重物处于不同位置的稳定性，它就不会在后来沉没。这样一种模型可以揭示，大炮的位置可以在船的重力中心和浮力中心之间产生一种不稳定的关系。今天的造船技术，不仅依赖物理上的船模作实验室用的测试模型，而且还依赖数学模型用存储在电脑记忆库中的方程式来处理船的形状和重量。这些模型模拟真正的船在海上和出海前的表现。工程师和科学家利用物理和数学的模型，主要用来进行那些过于危险、花费昂贵、或者不可能用实物进行的试验。

　　要模拟地球的气候，模拟者需要决定应该包括气候系统的哪些要素，需要考虑哪些变量。如前面已经提到，如果我们选择模拟冰川期和间冰川期的长期结果，我们的模型，就需要明确包括过去百万年来气候系统中各种重要要素的影响，而这些要素之间又是相互作用的。

　　地球系统科学家的问题，是要从许多可能的外部因素和内部因素中定量地区分出因果联系。这是一种充满争议的努力，因为有那么多的子系统存在和同时有那么多的因素在起作用。由于这样一种复杂性，因此如果你不喜欢模拟结果，你就非常容易找出碴儿。但是，如我们将要看到的，尽管有争论，模型却可以用现实情况进行检验以增加对一般性结论的可信性。

　　那么，我们怎样来做到这一点呢？首先，科学家要查看温度、太阳辐射、臭氧层等变化的观察资料。这使我们鉴别出变量之间的关系。关系并不必定是因果的，因为一个事件发生在另一事件之后，并不因为前者是由后者引起。对于有把握的气候预报，我们不仅必须说明发生关系，还必须解释它是怎样的以及它为什么会发生。特别对于那些无先例可以参考的情况，理论性的而不是纯经验的方法更合乎要求。然而，观察所得到的变量之间的关系可以产生一个问果性假说，即可以用进一步的观察资料进行检验的“定律”。这种检验常常涉及到将电脑数学模型的模拟与各种经验性的观察数据（现在的和古气候的）进行比较。

　　这就是将科学方法典型地应用于气候模型的过程。当一个模型或一组相关的模型的模拟看来可行的时候，它们就会被套用到像预料中的人类对全球变化的影响这类“史无前例”的变化上，并要求对未来的气候、臭氧层、物种灭绝速率等等作出预测。这就叫做“敏感性分析（sensitivity　analysis）”，因为这种模型是用来估计气候对于大量的“如果……那么……”事件的敏感性。这些模型成为检验各种行星级别试验的实验室，我们（我希望）不要让真正的地球来充当这样的实验室。

　　最全面的天气模拟模型能产生整个地球温度、风、湿度、云和雨水的三维细节。由这样的电脑模型（称为大气环流模式或GCM）产生的天气图往往看起来很逼真，但它不可能每一个细节都真实无误。模拟南北半球尺度到次大陆尺度的大规模格局，通常要比模拟区域或局部规模格局的失真性要大些。要做一个电脑产生的天气图，我们需要解六个描述大气中流体运动和质能守恒定律的偏微分方程。这些方程在气象学中叫做“初始方程”。原则上，这似乎木存在什么问题。因为我们从几百年的实验中知道这些方程是有效的。这就是说，我们知道这些方程反映了流体运动和质能关系。那么，为什么电脑模型不是大气行为的完美模拟呢？对此有两个解答。

　　一个解答是：从一张天气图（称为“初始条件”）导出的天气演变不可能确定10天以后的情况，甚至可以说，尽管存在各种商业的长期天气预报，不过原则上根据卫天内的天气情况不可能精确地确定10天以后的情况。（要记