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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，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。（要记住，任何人都可以进行预报，但为了证明预报的准确性而不是发布预报，却花费了大多数科学家的时间。）但是，由洛伦茨发现的混饨动力学，虽然原则上排除了做超过一个星期时间的正确天气预报的可能，却原则上不排除可以正确进行长期平均（气候而不是天气）预报。“夏天之后肯定是冬天”，这是显而易见的，季节性的循环就像这种确定性的预言，因此，气候模型可以很好地模拟季节性的循环。 对大气环流模式甚至是长期平均预报不可能完美模拟的另一个解答是：没有人知道如何正确地解那六个复杂的数学方程。它们不像代数方程，如果是那样，我们可以通过一系列直接的运算得到正确的解答。没有任何已知的数学技术能够准确地解这类成对的、非线性偏差方程。就像理查森在本世纪20年代时尝试的那样，我们通过把连续的方程分解成为几个分离的部分（我们叫做格箱）来逼近答案。一个典型的GCM格箱在水平方向上大约有科罗拉多州差不多大小；在垂直方向上，至少平均有几百米大气层那么深。 我已经提到云是非常重要的，云还反射太阳光和捕获产生红外辐射的热。但是，由于我们没有人看到过像科罗拉多那么大小的单个云，我们就面临着一个尺度问题：我们怎样才能处理自然界存在的其尺度小于我们用大的格精逼近技术才能解决的过程？例如，我们无法计算云，因为单个的云在这个格箱中只有圆点那么大小。但是，我们可以提出一些合理的有关云物理学的命题：例如，如果这是一个湿难觅的天气，那么它很可能是多云的；如果气流在上升，那么它也可能是多云的。 这些气候模型可以预言格箱中的平均湿度，以及气流是否稳定—一可能上升或下降。因此我们可以写出～个所谓参数表达式，把我们用格箱解决的大尺度变量（诸如湿度）与没有解决的小尺度过程或现象（诸如单个的云）联系起来。于是，通过这样的参数表达式，我们就得到了格精中有关云的平均的预测。因此，模型既没有忽视云的状况，也不是仅仅解决单个云的情况。相反，模拟者试图得到模拟过程的平均结果，而该过程的尺度无法达到GCM方法中可以明确解决的（格箱）尺度。不管他们使用气候、生态还是经济的模型，发展、检验和估价许多这类参数表达式的性能是模拟者最重要（也是最引起争论）的任务。这把我们带回到地球系统科学中最有深远意义的争论之一，这也是衡量电脑模型有用性和脆弱性的最好例子之一。 温室效应 如果地球吸收来自太阳的辐射而不通过某种方式把同样数量的热能返回空间，那么地球就会持续增温直到总有一天导致海洋沸腾。我们知道海洋并没有沸腾。地表温度计加上卫星也证明地球温度年复～年地保持大致稳定（尽管20世纪有0．SC的增热趋势）。这种接近稳定的趋势要求地球每年以某种方式辐射出的能量与所吸收的能量应该相近。换句话说，地球建立了一种接近平衡的状态或辐射能平衡，这种能量平衡的组成部分对气候起着至关重要的作用。 所有具有温度的物体都释放辐射能。地球释放辐射能的总量相当于一个黑体（物理学家发明的一种代表理想辐射体的虚拟结构），其温度大致为一18C。地球平均表面温度大约为14C，大约比地球黑体温度高32C。这个温热的地表温度与地球平均辐射温度的差值就是众所周知的温室效应。 “温室效应”这个词来自于把气候现象与玻璃温室作典型的类比。在玻璃温室中，玻璃吸收最大尺度的太阳辐射同时捕获大部分的内部热量。但两者的机制是有差异的，因为暖房中的玻璃主要阻止对流气流带走内部的热量。暖房的玻璃基本上不会像地球大气那样通过阻挡内部的红外辐射或使之再辐射使暖房不断增热；相反，玻璃结构主要限制了空气流动的热物理转换。尽管一些大气科学家因此提议要废弃“温室效应”这个有所偏差的词，但这个词一方面已经十分流行而难于更改，另一方面即使不那么准确，但就大气圈捕获地表附近热量的行为而言，毕竟不能算是一个坏的类比。或许有讽刺意味的是，一些环境保护者也提议要废弃这个词，但他们不是因为这是一个不准确的物理类比。相反，他们害怕的是，由于温室对生物是一个温暖友善的场所，因此这个词所蕴含的过于温馨的形象会使人类去强化大气的捕热能力。他们宁可使用“地球热陷讲”这个词取而代之。正如他们所说，你不可能让每一个人都感到愉快。 虽然地球表面的大部分以及云层＊常接近一个黑体，但大气中的气体却不是。当地球表面的近黑体辐射向上进入大气圈时，它们就遇到了气体分子和烟雾粒子。水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧和地球气志被盖中的许多其他微量气体，往往是高度选择的（但往往又是高度有效的）地球内部红外辐射的吸收者。 不仅如此，大多数云层也吸收差不多所有增到它们身上的红外辐射，然后它们以云层表面的温度（大多数时间要低于地球表面温度），像黑体似地再次辐射能量。 大气圈传导地球向外红外辐射的能力要小于传导进入地球的太阳辐射的能力，这只是因为大气分子和烟雾粒子（包括云滴）的物理性质，平均看起来倾向于更多地传导太阳辐射而不是地球辐射。这些性质导致了以温室效应为特征的大规模表面增热。通过这种效应，大气圈使得相当数量的太阳辐射渗入到地球表面，然后捕获（更准确地说是以较低的能量拦截和再辐射）来自地球表面和大气圈下层的向上的地球红外辐射。向下的再辐射进一步强化了表面增热，32t？的自然温室效应主要就是由于这个原因而产生的。这不是一个推测性的理论，而是一个已经得到很好理解和充分检验的自然现象。 最重要的温室气体是水蒸气，因为它是最丰富的微量气体，也因为它吸收大部分红外光谱的地球辐射。二氧化碳是另一类主要的微量温室气体。虽然，它吸收和再辐射的红外辐射比水蒸气要少得多，但由于它的浓度与人类活动有关而引起最强烈的关注。如我们已经提及，臭氧、氮氧化物、硫氧化物、某些碳氢化合物，甚至某些像氟利昂这样的人造化合物也都是温室气体。它们对气候影响的程度，取决于它们在大气中的浓度以及这些浓度的变化速率。因此，地球的温度基本上是由地球的辐射平衡决定的，在～年的时间里，地球对太阳辐射的吸收与气候系统向外的地球红外辐射接近抵消。由于两者的数量都是由大气和地球表面的性质所决定，因此已经建立了一系列强调这些性质变化的重要的气候理论。这些理论中有许多仍然是有待证明的气候变化假说。可以肯定的是，自然温室效应毫无疑问他是建立在合理的科学基础上的，正是自然增热使得气候和生命的共同进化发展成为今天这样的情形。当然，人类对自然温室效应的增强（即全球变暖）到何种严重程度是当下的争论话题。 模型可以证实吗 这是一个基本的哲学问题。严格地说，逻辑上的回答是，“不”。正如已经讨论过的，因为人类迫使气候变化的大多数所作所为是没有先例的，因为还没有精确的经验方式，可以证实一个根本就没有经过准确可比性检验的模型。但实践上，仍然有许多事情可以去做——通过检验模型的次级要素和通过检验模型的总体表现。虽然没有经过完备的检验，但它们也决不仅仅是一些允许对模型表现进行主观判断（虽然相关而不是主要）的证据。 目前存在着多种类型的参数化表示程序，但其发生的尺度小于现有模型能够解决的尺度，科学家们正在争论哪一种类型最佳。这是一种准确表示大尺度结果的程序（比我们能够精确处理的尺度要小）吗？因此在预报气候变化中，检验模型参数化表示的有效性非常重要。事实上，我们不容易知道这些参数化表示是否“足够好”。我们必须在实验室检验这些表示。这就是对地球进行古气候研究的价值所在。我们还可以通过进行专门领域或模型研究来检验参数化表示，以理解为大尺度模型强调的某些参数化程序的高分辨能力的细节。 让我们回到美国的腹地。或许你已经去看过内布拉斯加的沙丘？虽然它们大多数今天已经成为青草覆盖的农地。这些山丘在3000年到8000年前却是满目沙土，因为美国平原的这部分那时是非常干旱的。我们今天知道的衣阿华和伊利诺伊湿润的谷物地带那时更为干旱——古气候学家称之为“高草原半岛”，一个几百千米长的极端干旱的狭长陆地。 在全新世以前（大约1．5万年到2万年以前），中西部的任何地方因为气候太冷而根本不可能存在谷物地带。今天在加拿大北方森林北面数百千米发现的具有代表性的云杉树，那时在这个地方是谷物地带占据优势。随着冰盖逐渐向北退却和气候变暖，自然植被的分市发生了变化，迁移、转换并在几百年前发展成为今天这样的格局，即西部平原的草地和东部平原和西北地区的硬木林。 在大约3000年到8000年前，那时的夏天温度可能要比今天高出几个摄氏度，在密西西比河谷可以感受到高草原半岛广泛的干旱。如果未来再增温几个摄氏度（这次是作为人类温室效应的结果），内布拉斯加的沙丘会再度沙漠化吗？ 这种戏剧性的变化对中美洲平原现在的农业或对于北半球类似地区的整个经济可能是毁灭性的。科学家想要发现是什么原因引起了最初的增热，以及环境又是怎样对其作出反应的。如果我们知道这些，那么我们是否有可能运用我们用来预报21世纪增强的温室效应的工具，来“事后认识”高草原半岛的干旱呢？ 有可能的是，在距今9000年到6000年前，地球围绕太阳旋转的轨道发生变化，重新分布了冬夏的太阳辐射热量，夏天增加了大约5％的阳光照射，而冬天却减少了5％。这可以解释那时的夏天为什么比今天高出几度。我相信，温室气体增加引起的气候变热（它应该在冬天和夏天同时增热）可能与高草原半岛扩张期温暖的夏季所发生的一切毫无干系。但是，这是否意味着那段时期对21世纪没有任何启示呢？肯定不是！如果我们能够运用我们用来说明未来人类变化的同类气候模型，去研究过去的自然变化，如果该模型看起来能够很好地再现过去变化的方式，那么这个评估程序就有助于我们增加对该模型的可信性。一旦我们就过去大规模的强制性气候变化检验了模型，那么我们就可以用它来较为轻松地预报未来的强制性气候变化。我们在后面还会谈到这个有6000年历史的检验例子。 当地质学家采掘岩石记录时，古生物学家则在野外提取土壤和湖泊沉积物的岩芯，并把它们带回到实验室中去。在实验室，他们鉴别岩芯不同层面上留下的花粉颗粒的类型，通过对这些物质进行“C测定来决定每个层面的年代。 研究者测量出岩芯中树、草或草本植物花的种类和其相对丰度，测定它们的年代。然后，按照不同的种类对冷或热的气候的偏好等因素，从这些相对丰度推断过去的气候可能是怎样变化的。 物种发现的地点与温度、降雨这类宏观尺度环境因素之间的联系，属于“生物地理学”这门学科的一部分。生物地理学家可以绘制出大比例尺（数百千米）的分布图，只要知道某个地点的温度和降雨量，就可以确定这个地方可能会有什么类型的植物组合。 例如，如果夏季温度在10”C以下可以推断是冻土带，如果温度很高和降雨很大可能是热带雨林，如果干旱就是沙漠，等等。遗憾的是，像土壤、生物竞争、草本植物（被动物所吃的植物）这类局部性因素的存在，使得这类生物地理学的“预报”只能得出非常一般的结论或粗略的近似。 研究者还要查看海洋或冰川沉积物，其中化石、岩石、贝壳、冰川的化学成分可以用来作为温度和海平面的代表性指标。通过从许多地点采样，古气候学家可以寻找相关的变化模式的迹象。这些模式对于古气候重建的准确定量是必要的。正是以上述这些方式，研究者已经能够推断在美国中西部有过一个广辽的大平原半岛，它与全新世中期的情况相一致，同时在世界上还发生许多其他的变化。例如，今天非洲和印度沙漠中的土壤化石显示，印度和非洲的季节性降雨地带在5000年和9000年前之间，比它们现在以及比它们在冰）11期时要潮湿得多。虽然6000年前在湿热地带相对现在没有很大的变化，但在今天的干热地带却有过重要的变化。5000年到9000年前，中非北部的河流流量和湖泊水面也比今天要高出许多。 冰川期的发生与消失 如果我们查看最近的地质时间，比如说70万年前到现在，一系列气候循环是非常明显的。每10万年左右就有一个持续1万年到2万年的间冰川期，然后通过过渡进入一个持续几万年的寒冷的冰川期。 在间冰川期和最冷的冰川期之间的大多数时间，气候比现在要冷。间冰川期往往较为缓慢地演变成为最大的冰川期：首先是一个8万年左右的波动的冰川积累期，然后是一个1万年的冰川高峰期，最后是一个非常快的冰川退化期（它们在一个完整的间冰川期到来之前在大约1万年左右时间内退去）。古气候学家把这个称之为锯齿状模式。关于什么原因引起冰川的缓慢积累以及最后较快的消退，存在着很大的争论。下例是一个可能发生的事件序列。 最后一次冰川期以来冰川的覆盖范围是什么？1万年到1．1万年以前，不列颠岛的北半部为冰川所覆盖，然而到8000年前已经见不到这一冰川了。在北美洲，冰川曾经从长岛延伸到威斯康星以及横跨加拿大的大部分地区。它的大多数直到6000年前才消失。 怎样才能积累起足够的冰川以形成一个冰川期呢？许多古气候学家认为（他们用模型支持自己的观点）是米兰科维奇机制左右了这些循环：地球轨道的变化改变了地轴的倾斜，从而调整了冬夏之间和赤道与两极之间太阳的照射量。对冰川期一间冰川期循环的一个理论性解释是这样的：出现一个有异乎寻常大雪（在夏天也不会完全融化）的冬天是因为地球轨道要素在起作用（意味着在北纬地带几乎没有什么夏季太阳光照）。2所反射掉的太阳热量，要比树、草和土壤可以反射的多得多，结果导致温度急剧下降和下一年的夏季变得更冷——一个典型的正反馈系统。最终，雪积聚起来并压实成为冰，冰原随着变冷的气候向南推进。5万年左右以后，冰川越过北极发展到英格兰，从加拿大发展到了威斯康星。冰川的巨大重量压迫着其下的地壳。随着海水在陆地上成为冰原，海平面下降了100米。 冰川期怎样才能扭转呢7较为可能的思路是：由于气候是如此之冷，以致北纬地带不再能形成大雪，从而停止了冰川的增长。冰川的重量使其下的基岩下沉，从而降低了冰原的高度，使它裸露给相对较热的空气。地球轨道再一次发生变化，从而增加了夏季的太阳光照。所有这些，结合起来就导致了冰川期的消退。随着更多的赤裸的陆地露出地面和植物开始回生，地球吸收了更多的热，这种正反馈把地球很快地导入（因此出现锯齿状模式）间冰川期。1万年到2万年以后又汗始一轮新的循环。 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。这个微冰川期被称为新仙女水期（YoungerDryas），位于仙女木（一种生长在冻原的花卉）广泛出现之后。它在温暖、稳定的全新世最终来临之前持续了大约500年。是什么事情发生了呢？ 当然，我们今天无法确切地知道详情，但有一些不错的假说。此外，所谓新仙女木气候信号主要是一种区域性变化：整个北大西洋，包括加拿大东北部和欧洲大部分地区。但是在这个时期看到了戏剧性的为期几十年的生态折返，整个地区表现的是类冰川期的植物和动物。从全球上看，虽然存在着同时变化的证据，但变化的戏剧性要小得多。地质史上的这个时期，在南极洲冰芯中没有证据发现显著的气候变化。对北大西洋沉积物中浮游生物残骸化石的研究表明，温暖的海湾洋流要偏向南方许多纬度，深海大洋环流（有时候叫做海洋传送带）的整体结构仅仅几十年就回复到类冰川期的形式——～种在人的一生中就可以测度的戏剧性的气候变化。 对新仙女木期的最有可能的假说是：有过一次淡水进入北大西洋的快速脉冲。由于淡水比盐水远为容易冻结，因此很快形成了海上冰盖，这也许可以解释大约1．2万前欧洲出现的戏剧性的寒冷问题。但是这种突如其来的淡水来自何方呢？最有可能的解释是哥伦比亚大学的地球化学家华莱土·布罗克（WallaceBroecker）提出来的：来自快速变暖的北美冰原的融化水积聚在一个其东岸是冰原残余的巨大的湖泊中（地质学家把这个湖叫做阿加西斯湖）；随后冰原残余的东岸破裂，一股戏剧性的“融化水洪流”泄入圣劳伦斯河谷进入了北大西洋。 最近，一些非常有争论的发现表明，至少在格陵兰，在大约13万年前的前一个间冰川期里，几度出现过温度（数十年内5“C）和CO。的戏剧性波动。直到现在，一般相信这个时期的平均气温要热一些（2℃），相对于我们所在的间冰川期（全新世）来说也较为稳定。解释这个13万年前波动的最流行的假说是：北大西洋传送带环流的变动。这些仍然有争论的奇异气候变化已经引出了一个明显关键性的问题：如果我们把温室气体或氧化硫这类人类干扰加入气候系统，会使今天的传送带洋流发生快速的变化吗？人类引起的ZaC的地球变暖（可以作为未来数十年的一个好的赌注），会促发像13万年以前增热ZaC的间冰川期在北大西洋区域曾经发生过的那种奇异的气候不稳定现象吗？ 我们评估人类对气候快速影响引起的风险的最好方式是，把气候模型和古资料进行比较以弄清过去发生的事情，从中估计某些重要的事情再度发生的可能性的大小。此外，未来奇异现象的形式和可能性是，基于虽未确证但却可能的分析之上的推测。但是，对意料之外气候现象其破坏作用的普遍悬念和担忧，足以催促我们要加快我们的知识更新，减慢我们迫使自然变化的速率，或者最好（按照我的价值观系统）是同时做这两件事。这会产生多少代价或者谁应该支付这个代价将在后面简单论述。首先让我们考虑气候变化会对人类其他干扰行为作出如何反应，以及这种全球变化会怎样影响自然生态系统。 |
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