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1628年，瑞典國王、瓦薩王朝的古斯塔夫·阿道夫（GUSttVAdolf）急切地想建立自己的造船業，他想要造出一批戰船用來進攻歐洲。 那年8月，第一條名叫“瓦薩號”的船下水了。“瓦薩號”開始其處女航的時候，船上有64門青銅大炮和130位船員。在船离開港口前，突然出現一股暴風把船推向碼頭，結果水從較低的那些炮眼漫進船內。船沉入港口，船桅尚未完全沉沒，旗幟還在那邊飄著。有50位船員喪生。 300多年的時間，“瓦薩號”一直躺在斯德哥爾摩港口30米深、海水微威的波羅的海海底。1961年它被打撈起來時，意外地發現完好如初，因為海水的咸度防止了令人討厭的海蛤對它的損害。安德斯·弗朗茲（Antlers Frame）是幫助挖掘這艘瑞典戰艦的海洋考古學家之一。他在1962年寫到，沒有證据表明“瓦薩號”設計有問題或者航行不當。弗朗茲說：“合理的推測是這場災難起因于大炮、壓艙物和其他重物在船上位置分布不當。” 也許，如果建造“瓦薩號”的工程師們預先造一個縮小的模型，來檢驗它在有風情況下重物處于不同位置的穩定性，它就不會在后來沉沒。這樣一种模型可以揭示，大炮的位置可以在船的重力中心和浮力中心之間產生一种不穩定的關系。今天的造船技術，不僅依賴物理上的船模作實驗室用的測試模型，而且還依賴數學模型用存儲在電腦記憶庫中的方程式來處理船的形狀和重量。這些模型模擬真正的船在海上和出海前的表現。工程師和科學家利用物理和數學的模型，主要用來進行那些過于危險、花費昂貴、或者不可能用實物進行的試驗。 要模擬地球的气候，模擬者需要決定應該包括气候系統的哪些要素，需要考慮哪些變量。如前面已經提到，如果我們選擇模擬冰川期和間冰川期的長期結果，我們的模型，就需要明确包括過去百万年來气候系統中各种重要要素的影響，而這些要素之間又是相互作用的。 地球系統科學家的問題，是要從許多可能的外部因素和內部因素中定量地區分出因果聯系。這是一种充滿爭議的努力，因為有那么多的子系統存在和同時有那么多的因素在起作用。由于這樣一种复雜性，因此如果你不喜歡模擬結果，你就非常容易找出碴儿。但是，如我們將要看到的，盡管有爭論，模型卻可以用現實情況進行檢驗以增加對一般性結論的可信性。 那么，我們怎樣來做到這一點呢？首先，科學家要查看溫度、太陽輻射、臭氧層等變化的觀察資料。這使我們鑒別出變量之間的關系。關系并不必定是因果的，因為一個事件發生在另一事件之后，并不因為前者是由后者引起。對于有把握的气候預報，我們不僅必須說明發生關系，還必須解釋它是怎樣的以及它為什么會發生。特別對于那些無先例可以參考的情況，理論性的而不是純經驗的方法更合乎要求。然而，觀察所得到的變量之間的關系可以產生一個問果性假說，即可以用進一步的觀察資料進行檢驗的“定律”。這种檢驗常常涉及到將電腦數學模型的模擬与各种經驗性的觀察數据（現在的和古气候的）進行比較。 這就是將科學方法典型地應用于气候模型的過程。當一個模型或一組相關的模型的模擬看來可行的時候，它們就會被套用到像預料中的人類對全球變化的影響這類“史無前例”的變化上，并要求對未來的气候、臭氧層、物种滅絕速率等等作出預測。這就叫做“敏感性分析（sensitivity analysis）”，因為這种模型是用來估計气候對于大量的“如果……那么……”事件的敏感性。這些模型成為檢驗各种行星級別試驗的實驗室，我們（我希望）不要讓真正的地球來充當這樣的實驗室。 最全面的天气模擬模型能產生整個地球溫度、風、濕度、云和雨水的三維細節。由這樣的電腦模型（稱為大气環流模式或GCM）產生的天气圖往往看起來很逼真，但它不可能每一個細節都真實無誤。模擬南北半球尺度到次大陸尺度的大規模格局，通常要比模擬區域或局部規模格局的失真性要大些。要做一個電腦產生的天气圖，我們需要解六個描述大气中流体運動和質能守恒定律的偏微分方程。這些方程在气象學中叫做“初始方程”。原則上，這似乎木存在什么問題。因為我們從几百年的實驗中知道這些方程是有效的。這就是說，我們知道這些方程反映了流体運動和質能關系。那么，為什么電腦模型不是大气行為的完美模擬呢？對此有兩個解答。 一個解答是：從一張天气圖（稱為“初始條件”）導出的天气演變不可能确定10天以后的情況，甚至可以說，盡管存在各种商業的長期天气預報，不過原則上根据衛天內的天气情況不可能精确地确定10天以后的情況。（要記住，任何人都可以進行預報，但為了證明預報的准确性而不是發布預報，卻花費了大多數科學家的時間。）但是，由洛倫茨發現的混飩動力學，雖然原則上排除了做超過一個星期時間的正确天气預報的可能，卻原則上不排除可以正确進行長期平均（气候而不是天气）預報。“夏天之后肯定是冬天”，這是顯而易見的，季節性的循環就像這种确定性的預言，因此，气候模型可以很好地模擬季節性的循環。 對大气環流模式甚至是長期平均預報不可能完美模擬的另一個解答是：沒有人知道如何正确地解那六個复雜的數學方程。它們不像代數方程，如果是那樣，我們可以通過一系列直接的運算得到正确的解答。沒有任何已知的數學技術能夠准确地解這類成對的、非線性偏差方程。就像理查森在本世紀20年代時嘗試的那樣，我們通過把連續的方程分解成為几個分离的部分（我們叫做格箱）來逼近答案。一個典型的GCM格箱在水平方向上大約有科羅拉多州差不多大小；在垂直方向上，至少平均有几百米大气層那么深。 我已經提到云是非常重要的，云還反射太陽光和捕獲產生紅外輻射的熱。但是，由于我們沒有人看到過像科羅拉多那么大小的單個云，我們就面臨著一個尺度問題：我們怎樣才能處理自然界存在的其尺度小于我們用大的格精逼近技術才能解決的過程？例如，我們無法計算云，因為單個的云在這個格箱中只有圓點那么大小。但是，我們可以提出一些合理的有關云物理學的命題：例如，如果這是一個濕難覓的天气，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。 這些气候模型可以預言格箱中的平均濕度，以及气流是否穩定—一可能上升或下降。因此我們可以寫出∼個所謂參數表達式，把我們用格箱解決的大尺度變量（諸如濕度）与沒有解決的小尺度過程或現象（諸如單個的云）聯系起來。于是，通過這樣的參數表達式，我們就得到了格精中有關云的平均的預測。因此，模型既沒有忽視云的狀況，也不是僅僅解決單個云的情況。相反，模擬者試圖得到模擬過程的平均結果，而該過程的尺度無法達到GCM方法中可以明确解決的（格箱）尺度。不管他們使用气候、生態還是經濟的模型，發展、檢驗和估价許多這類參數表達式的性能是模擬者最重要（也是最引起爭論）的任務。這把我們帶回到地球系統科學中最有深遠意義的爭論之一，這也是衡量電腦模型有用性和脆弱性的最好例子之一。 溫室效應 如果地球吸收來自太陽的輻射而不通過某种方式把同樣數量的熱能返回空間，那么地球就會持續增溫直到總有一天導致海洋沸騰。我們知道海洋并沒有沸騰。地表溫度計加上衛星也證明地球溫度年复∼年地保持大致穩定（盡管20世紀有0．SC的增熱趨勢）。這种接近穩定的趨勢要求地球每年以某种方式輻射出的能量与所吸收的能量應該相近。換句話說，地球建立了一种接近平衡的狀態或輻射能平衡，這种能量平衡的組成部分對气候起著至關重要的作用。 所有具有溫度的物体都釋放輻射能。地球釋放輻射能的總量相當于一個黑体（物理學家發明的一种代表理想輻射体的虛擬結构），其溫度大致為一18C。地球平均表面溫度大約為14C，大約比地球黑体溫度高32C。這個溫熱的地表溫度与地球平均輻射溫度的差值就是眾所周知的溫室效應。 “溫室效應”這個詞來自于把气候現象与玻璃溫室作典型的類比。在玻璃溫室中，玻璃吸收最大尺度的太陽輻射同時捕獲大部分的內部熱量。但兩者的机制是有差异的，因為暖房中的玻璃主要阻止對流气流帶走內部的熱量。暖房的玻璃基本上不會像地球大气那樣通過阻擋內部的紅外輻射或使之再輻射使暖房不斷增熱；相反，玻璃結构主要限制了空气流動的熱物理轉換。盡管一些大气科學家因此提議要廢棄“溫室效應”這個有所偏差的詞，但這個詞一方面已經十分流行而難于更改，另一方面即使不那么准确，但就大气圈捕獲地表附近熱量的行為而言，畢竟不能算是一個坏的類比。或許有諷刺意味的是，一些環境保護者也提議要廢棄這個詞，但他們不是因為這是一個不准确的物理類比。相反，他們害怕的是，由于溫室對生物是一個溫暖友善的場所，因此這個詞所蘊含的過于溫馨的形象會使人類去強化大气的捕熱能力。他們宁可使用“地球熱陷講”這個詞取而代之。正如他們所說，你不可能讓每一個人都感到愉快。 雖然地球表面的大部分以及云層＊常接近一個黑体，但大气中的气体卻不是。當地球表面的近黑体輻射向上進入大气圈時，它們就遇到了气体分子和煙霧粒子。水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧和地球气志被蓋中的許多其他微量气体，往往是高度選擇的（但往往又是高度有效的）地球內部紅外輻射的吸收者。 不僅如此，大多數云層也吸收差不多所有增到它們身上的紅外輻射，然后它們以云層表面的溫度（大多數時間要低于地球表面溫度），像黑体似地再次輻射能量。 大气圈傳導地球向外紅外輻射的能力要小于傳導進入地球的太陽輻射的能力，這只是因為大气分子和煙霧粒子（包括云滴）的物理性質，平均看起來傾向于更多地傳導太陽輻射而不是地球輻射。這些性質導致了以溫室效應為特征的大規模表面增熱。通過這种效應，大气圈使得相當數量的太陽輻射滲入到地球表面，然后捕獲（更准确地說是以較低的能量攔截和再輻射）來自地球表面和大气圈下層的向上的地球紅外輻射。向下的再輻射進一步強化了表面增熱，32t？的自然溫室效應主要就是由于這個原因而產生的。這不是一個推測性的理論，而是一個已經得到很好理解和充分檢驗的自然現象。 最重要的溫室气体是水蒸气，因為它是最丰富的微量气体，也因為它吸收大部分紅外光譜的地球輻射。二氧化碳是另一類主要的微量溫室气体。雖然，它吸收和再輻射的紅外輻射比水蒸气要少得多，但由于它的濃度与人類活動有關而引起最強烈的關注。如我們已經提及，臭氧、氮氧化物、硫氧化物、某些碳氫化合物，甚至某些像氟利昂這樣的人造化合物也都是溫室气体。它們對气候影響的程度，取決于它們在大气中的濃度以及這些濃度的變化速率。因此，地球的溫度基本上是由地球的輻射平衡決定的，在∼年的時間里，地球對太陽輻射的吸收与气候系統向外的地球紅外輻射接近抵消。由于兩者的數量都是由大气和地球表面的性質所決定，因此已經建立了一系列強調這些性質變化的重要的气候理論。這些理論中有許多仍然是有待證明的气候變化假說。可以肯定的是，自然溫室效應毫無疑問他是建立在合理的科學基礎上的，正是自然增熱使得气候和生命的共同進化發展成為今天這樣的情形。當然，人類對自然溫室效應的增強（即全球變暖）到何种嚴重程度是當下的爭論話題。 模型可以證實嗎 這是一個基本的哲學問題。嚴格地說，邏輯上的回答是，“不”。正如已經討論過的，因為人類迫使气候變化的大多數所作所為是沒有先例的，因為還沒有精确的經驗方式，可以證實一個根本就沒有經過准确可比性檢驗的模型。但實踐上，仍然有許多事情可以去做——通過檢驗模型的次級要素和通過檢驗模型的總体表現。雖然沒有經過完備的檢驗，但它們也決不僅僅是一些允許對模型表現進行主觀判斷（雖然相關而不是主要）的證据。 目前存在著多种類型的參數化表示程序，但其發生的尺度小于現有模型能夠解決的尺度，科學家們正在爭論哪一种類型最佳。這是一种准确表示大尺度結果的程序（比我們能夠精确處理的尺度要小）嗎？因此在預報气候變化中，檢驗模型參數化表示的有效性非常重要。事實上，我們不容易知道這些參數化表示是否“足夠好”。我們必須在實驗室檢驗這些表示。這就是對地球進行古气候研究的价值所在。我們還可以通過進行專門領域或模型研究來檢驗參數化表示，以理解為大尺度模型強調的某些參數化程序的高分辨能力的細節。 讓我們回到美國的腹地。或許你已經去看過內布拉斯加的沙丘？雖然它們大多數今天已經成為青草覆蓋的農地。這些山丘在3000年到8000年前卻是滿目沙土，因為美國平原的這部分那時是非常干旱的。我們今天知道的衣阿華和伊利諾伊濕潤的谷物地帶那時更為干旱——古气候學家稱之為“高草原半島”，一個几百千米長的极端干旱的狹長陸地。 在全新世以前（大約1．5万年到2万年以前），中西部的任何地方因為气候太冷而根本不可能存在谷物地帶。今天在加拿大北方森林北面數百千米發現的具有代表性的云杉樹，那時在這個地方是谷物地帶占据优勢。隨著冰蓋逐漸向北退卻和气候變暖，自然植被的分市發生了變化，遷移、轉換并在几百年前發展成為今天這樣的格局，即西部平原的草地和東部平原和西北地區的硬木林。 在大約3000年到8000年前，那時的夏天溫度可能要比今天高出几個攝氏度，在密西西比河谷可以感受到高草原半島廣泛的干旱。如果未來再增溫几個攝氏度（這次是作為人類溫室效應的結果），內布拉斯加的沙丘會再度沙漠化嗎？ 這种戲劇性的變化對中美洲平原現在的農業或對于北半球類似地區的整個經濟可能是毀滅性的。科學家想要發現是什么原因引起了最初的增熱，以及環境又是怎樣對其作出反應的。如果我們知道這些，那么我們是否有可能運用我們用來預報21世紀增強的溫室效應的工具，來“事后認識”高草原半島的干旱呢？ 有可能的是，在距今9000年到6000年前，地球圍繞太陽旋轉的軌道發生變化，重新分布了冬夏的太陽輻射熱量，夏天增加了大約5％的陽光照射，而冬天卻減少了5％。這可以解釋那時的夏天為什么比今天高出几度。我相信，溫室气体增加引起的气候變熱（它應該在冬天和夏天同時增熱）可能与高草原半島擴張期溫暖的夏季所發生的一切毫無干系。但是，這是否意味著那段時期對21世紀沒有任何啟示呢？肯定不是！如果我們能夠運用我們用來說明未來人類變化的同類气候模型，去研究過去的自然變化，如果該模型看起來能夠很好地再現過去變化的方式，那么這個評估程序就有助于我們增加對該模型的可信性。一旦我們就過去大規模的強制性气候變化檢驗了模型，那么我們就可以用它來較為輕松地預報未來的強制性气候變化。我們在后面還會談到這個有6000年歷史的檢驗例子。 當地質學家采掘岩石記錄時，古生物學家則在野外提取土壤和湖泊沉積物的岩芯，并把它們帶回到實驗室中去。在實驗室，他們鑒別岩芯不同層面上留下的花粉顆粒的類型，通過對這些物質進行“C測定來決定每個層面的年代。 研究者測量出岩芯中樹、草或草本植物花的种類和其相對丰度，測定它們的年代。然后，按照不同的种類對冷或熱的气候的偏好等因素，從這些相對丰度推斷過去的气候可能是怎樣變化的。 物种發現的地點与溫度、降雨這類宏觀尺度環境因素之間的聯系，屬于“生物地理學”這門學科的一部分。生物地理學家可以繪制出大比例尺（數百千米）的分布圖，只要知道某個地點的溫度和降雨量，就可以确定這個地方可能會有什么類型的植物組合。 例如，如果夏季溫度在10”C以下可以推斷是凍土帶，如果溫度很高和降雨很大可能是熱帶雨林，如果干旱就是沙漠，等等。遺憾的是，像土壤、生物競爭、草本植物（被動物所吃的植物）這類局部性因素的存在，使得這類生物地理學的“預報”只能得出非常一般的結論或粗略的近似。 研究者還要查看海洋或冰川沉積物，其中化石、岩石、貝殼、冰川的化學成分可以用來作為溫度和海平面的代表性指標。通過從許多地點采樣，古气候學家可以尋找相關的變化模式的跡象。這些模式對于古气候重建的准确定量是必要的。正是以上述這些方式，研究者已經能夠推斷在美國中西部有過一個廣遼的大平原半島，它与全新世中期的情況相一致，同時在世界上還發生許多其他的變化。例如，今天非洲和印度沙漠中的土壤化石顯示，印度和非洲的季節性降雨地帶在5000年和9000年前之間，比它們現在以及比它們在冰）11期時要潮濕得多。雖然6000年前在濕熱地帶相對現在沒有很大的變化，但在今天的干熱地帶卻有過重要的變化。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許多。 冰川期的發生与消失 如果我們查看最近的地質時間，比如說70万年前到現在，一系列气候循環是非常明顯的。每10万年左右就有一個持續1万年到2万年的間冰川期，然后通過過渡進入一個持續几万年的寒冷的冰川期。 在間冰川期和最冷的冰川期之間的大多數時間，气候比現在要冷。間冰川期往往較為緩慢地演變成為最大的冰川期：首先是一個8万年左右的波動的冰川積累期，然后是一個1万年的冰川高峰期，最后是一個非常快的冰川退化期（它們在一個完整的間冰川期到來之前在大約1万年左右時間內退去）。古气候學家把這個稱之為鋸齒狀模式。關于什么原因引起冰川的緩慢積累以及最后較快的消退，存在著很大的爭論。下例是一個可能發生的事件序列。 最后一次冰川期以來冰川的覆蓋范圍是什么？1万年到1．1万年以前，不列顛島的北半部為冰川所覆蓋，然而到8000年前已經見不到這一冰川了。在北美洲，冰川曾經從長島延伸到威斯康星以及橫跨加拿大的大部分地區。它的大多數直到6000年前才消失。 怎樣才能積累起足夠的冰川以形成一個冰川期呢？許多古气候學家認為（他們用模型支持自己的觀點）是米蘭科維奇机制左右了這些循環：地球軌道的變化改變了地軸的傾斜，從而調整了冬夏之間和赤道与兩极之間太陽的照射量。對冰川期一間冰川期循環的一個理論性解釋是這樣的：出現一個有异乎尋常大雪（在夏天也不會完全融化）的冬天是因為地球軌道要素在起作用（意味著在北緯地帶几乎沒有什么夏季太陽光照）。2所反射掉的太陽熱量，要比樹、草和土壤可以反射的多得多，結果導致溫度急劇下降和下一年的夏季變得更冷——一個典型的正反饋系統。最終，雪積聚起來并壓實成為冰，冰原隨著變冷的气候向南推進。5万年左右以后，冰川越過北极發展到英格蘭，從加拿大發展到了威斯康星。冰川的巨大重量壓迫著其下的地殼。隨著海水在陸地上成為冰原，海平面下降了100米。 冰川期怎樣才能扭轉呢7較為可能的思路是：由于气候是如此之冷，以致北緯地帶不再能形成大雪，從而停止了冰川的增長。冰川的重量使其下的基岩下沉，從而降低了冰原的高度，使它裸露給相對較熱的空气。地球軌道再一次發生變化，從而增加了夏季的太陽光照。所有這些，結合起來就導致了冰川期的消退。隨著更多的赤裸的陸地露出地面和植物開始回生，地球吸收了更多的熱，這种正反饋把地球很快地導入（因此出現鋸齒狀模式）間冰川期。1万年到2万年以后又汗始一輪新的循環。 當研究者建立气候模型井速入這類營力和反饋性因素時，他們确實可以在電腦的輸出端，重現所觀察到的冰川期和間冰川期過渡的鋸齒狀格局。然而，以模型為基礎的成功的古气候模擬，仍然只是全球變暖求證實驗的相關的而不是主要的證据，因為我們無法确切地知道，所勾勒的這些机制的混合，在自然界是否以我們在模型中所建构的方式發生作用。例如，在過去80万年間占主導地位的10万年的循環，不可能是由地球軌道的偏心率變化所驅動的，因為這個10万年的循環，對于進入地球的太陽能量只能產生微乎其微的變化。最近有人指出，在地球軌道平面傾斜方面還存在著一個被人長期忽視的變化，這個變化，顯示對過去60万年中以10万年為周期的冰川期循環有著很好的匹配關系。但是沒有明顯的机制，可以使得這种匹配看起來絲毫不像是一种奇怪的巧合。一個有趣的假說認為，較強烈的冰川期（包括過去60万年間10万年為期的循環）与西藏高原的构造上隆有關。很明顯，冰I！潮理論還不完善，但是在古气候重建和模型模擬的許多方面已經有足夠的一致性。气候的最适條件 我已經提及，天文學家已經顯示地球的軌道相對于太陽有一個2万年、4万年和10万年的循環。今天，我們在1月份最接近太陽，但在9万年以前我們卻是在7月份較為靠近。從現在起的10万年后，我們會再次逆轉。我們知道，地球的軌道變化不會改變地球所接受的太陽照射年總量一個百分點的十分之二三，但是軌道效應可以改變緯度上和季節性的能量分布高達10％，即所謂太陽軌道營力。我們完全确信在9000年前的夏季，有比現在多8％的太陽光進入北半球。 隨著電腦模型研究的最新進展，模型研究者現在已經開始模擬和解釋過去气候的這些變化。他們可以從我們關于冰蓋變化、大气圈中的粒子、二氧化碳、海平面溫度，以及來自太陽的能量等方面知道的一切，把所有這些“營力”輸入模型，然后，他們可以產生几千年前的气候是什么樣的模擬。 研究這些現象的科學家也研究湖泊沉積物中的花粉化石和觀察云杉森林如何向北遷移。然后，運用气候模型對古气候變化的預言，加上另一個有關森林如何隨溫度和降雨變化而變化的模型，他們把气候科學与生態系統科學聯系起來。這使得我們能夠預言，由模型計算驅動的、溫度和降雨隨時間變化的生態系統會發生什么變化，并通過將所預言的生態系統變化与野外在花粉化石中發現的東西進行對照，以檢驗气候模型。一個來自許多地球科學專業的國際科學家工作小組在一個稱之為“全新世合作制圖計划（CO。HMAP）”的研究計划中已經合作研究有五六年。總体上，他們的許多气候和生態模型与所掌握的資料相比較，在很多方面有著令人鼓舞的相似，但是在個別細節上還不總是完全一致。在一個任意給定的地點和一個任意給定的時間，這些模型在預言某些細節方面還得不到很好的可信性。而且，他們的森林模型，還沒有包括冰川期大气圈中的低CO。。濃度對樹木生長的直接的生理學效應。 于是，基本問題就成為：對模型預言的變化与16万年的自然變化的廣泛對比，可以證實過去100年或未來100年，溫度上升和溫室气体積聚之間的定量因果關系嗎？對此還不能肯定，因為仍然存在其他潛在的解釋。但是，一致性已經足以認為這种因果聯系是极有可能的，我認為有80％∼90％的可能性可以相信，在20世紀地球變熱与溫室气体營力之間存在著因果聯系。（參見第六章 中其他科學家關于這個問題可能性的個人觀點。）證据是充分的，但仍然是相關性的因而不是結論性的——一個适合在特殊興趣的人群中展開爭論的條件。 人類引起的气候變化已經發現了嗎 我已經提到，溫度記錄（圖3．l）顯示20世紀有大約0．5C的增溫趨勢，同時，CO。、CH。、N對這類溫室气体的濃度亦相應增加。許多政策分析者和決策者已經詢問：這种伴生關系是一种巧合還是一种因果？簡言之，在所觀察的溫度記錄中，是否已經發現了人類引起气候變化的跡象？對這個問題的回答看似簡單，但實際上卻极其困難——它會引起大量的爭論。 首先，“發現”某种信號意味著從一個噪雜的背景中把它檢認出來。全球平均溫度記錄，展示有以年計和以十年計的大約0．2”C的波動。它們僅僅是偶爾的噪聲呢？還是對像火山噴發煙霧這類現象產生的反應？我認為答案是兩者都有。全球溫度在1883年（喀拉喀托）、1963年（阿貢）、1983年（埃爾基瓊）、1991年（皮納圖博）火山爆發后的二三年里下降了十分之几度，這种變化很可能包括了對火山引起的平流層塵云的強制性反應；而大多數年复一年的溫度波動可能僅僅是“噪聲”，即由大气圈、海洋、冰原、土壤和生物群等气候子系統之間交換物質和能量引起的偶然的或隨机的振蕩。 長達一個世紀的0．5C的增溫趨勢怎么樣呢？它可能會是噪聲嗎？這相當于問：擲一對骰子出現兩個一點（每36次才有一次這种机會則4是否純屬偶然？我們大多數人都想要擲上一陣子來檢驗這种机會。但在地球及其气候問題的情況下，我們并沒有長達100多年的覆蓋全球的溫度測量，因此，并沒有告訴我們“气候骰子”可能性的直接測量數据。在這种情況下，長達百年的0．SCC的增溫趨勢是一种偶然的事件。從數學上講，為了弄清05C的增溫趨勢是不是可以同這种自然噪聲進行比較（或比其要大），我們需要知道長期的自然變异性（自然噪聲）。如果比自然噪聲為大，那么我們可以比較确信，20世紀的地球變暖不是一個偶然事件（我們把此過程稱為“气候信號發現”）。然而，即便我們已經發現气候很可能發生了變化，但要把這种變化歸之于人類活動，仍然有許多的工作要做（我們把此稱為“气候信號歸因”）。 由于我們沒有全球表面溫度趨勢的觀察數据，比如說2000年間（一個含有20個百年周期的時段），某些人已經提出迄今為止不存在气候變化的直接證据。雖然嚴格講起來是對的，這卻是一個高度誤導的論斷，因為還存在著大量間接的證据。例如，樹木年輪的寬度就是气候變化的指示物，科學家已經取得了數千個覆蓋全球數干年歷史的樹木年輪序列。其他的指示性“溫度計”，包括冰川運動引起的地形變化、湖泊沉積物中的花粉濃度變化、冰川早期雪層中的化學成分等。雖然木是精确的全球溫度指標，但這些指示物綜合起來表明：0．st 的全球增溫（或全球變冷）是一個完全非自然的事件。或許在我們最近的間冰川期歷史中，平均算起來1000年才發生∼次。這個間接證据強烈地支持我們認為：在20世紀的溫度記錄中，已經發現了一個真正的气候變化，這就是我80％到90％他相信這不是一個典型的自然波動的原因。但是怎樣确定這种典型的增熱趨勢的原因呢； 如果暗示由于人類溫室气体的增加引起了地球增熱，那么需要排除其他的潛在原因（如像太陽輻射熱變化或火山噴發）。還有，太陽能量輸出的直接證据只出現在一個相當短的時期：即太空探測儀對大气圈反常效應做過測量觀察的過去20年。這些測量結果表明，在為期11年的太陽黑子循環中，太陽輻射只有非常小的變化（低于0·5％），這個變化不足以解釋大多數所觀察到的全球溫度記錄。當然，在我們有可靠的太空探測儀測量數据之前，太陽釋放的能量或許有過更大的變化。這种可能性已經導致了喧鬧的爭論．溫室效應怀疑者認為太陽的變异性可能引起了所見到的地球增熱（盡管他們沒有直接的證据）。雖然，我和我的大多數同事，不相信單單一個太陽能解釋過去100年的气候變化，但我們也不能以99％的不可能性來排除這個設想。我認為，如果要非常肯定把所觀察到的長達百年的增熱的具体比例，歸之于人類活動，還要再花10年到20年的時間，去觀察太陽輻射和地球表明增熱（199年是又一個有記錄的熱年）。這就是說，如果我們只用地球平均表面溫度作為測量變化的依据，則要花數十年時間才能得到較确切的原因。 觀察發現几個嫌疑人沒有不在現場的證据，但卻無法給他們定罪。于是必須尋找直接的證据，特別是指紋。那么是否也存在著“气候指紋”？例如，二氧化碳捕熱作用引起气候模型的全球平均溫度增加，但此外平流層溫度降低，北半球溫度比南半球溫度趨熱，极地溫度增熱比熱帶要大，因為融化的冰雪使得更多的陽光被吸收，從而強化了高緯度的气候變化信號。因此，在CO。。增加1倍的模划中，可以發現變化的或“气候指紋”的類型。于是，气候學家拍尋觀察記錄，以了解模型產生的這种“指紋”是否在自然中發生。搜尋結果綜合如下：當然，觀察到增熱是存在的，但是南半球的增熱并不比北半球遜色，外加的极地變熱也不与模型的演示匹配。平流層确實在冷卻，但比模型根据溫室气体增加所作的預言要多。 溫室效應怀疑論者及其政治同盟軍大聲宣稱模型不适合，是因為觀察記錄中根本沒有清晰的“指紋”。但正如一些气候科學家（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樣的一組外部營力所驅動，那么唯一合理的做法是，把自然中的气候變化模式与气候模型中的模式作比較。換句話說，模型不僅需要受到溫室气体增加的驅動，而且還必須包括燃燒高硫質的煤和油所產生的煙霧這類潛在重要的區域性冷卻效應的影響（在其他的營力中，特別要考慮臭氧變化和生物量燃燒，盡管它們的絕對意義9不如前者）。最近由全球規模溫室气体增加和區域規模含硫煙霧雙重驅動的模型，顯示了完全不同于僅僅由溫室气体驅動或僅僅由太陽能量輸出變化驅動的“指紋”（气候變化模式）。這些工業形成的煙霧大多數存在于北半球。因此，它們反射掉了一些太陽的能量（特別是在夏季），從而降低了气溫。由此可以預料，這些煙霧多少抵消了由溫室气体引起的增熱程度，而這种抵消大多數發生在北半球。确實，最近在英國哈得萊中心和加利福尼亞勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，用CO。和煙霧營力結合所作的模型顯示：在南半球有稍微高一點的增熱，高緯地區則稍弱一些。平流層仍然在降熱——如果把臭氧損耗同時考慮在內就和觀察所見相接近。這個“气候指紋”模式，非常接近1960年∼1990年間區域性和季節性气候變化的觀察模式。這一令人鼓舞的一致，使得政府間气候變化專家小組（IPCC）的几百個科學家在1995年謹慎地斷定，現在已經可以說發現了一個真正的气候變化，并且至少它的某些方面可以歸之于人類活動。盡管承認還存在許多不确定性，IPCC的總結報告（在為下面這句話的言詞表達爭論了好几天后）說到：“然而，綜合的證据顯示人類對气候有著可辨別的影響”。僅僅几個小時的辯論就達到了對“可辨別的”這個詞的選擇，這個詞距离我在1976年《創世戰略》一書中使用的“可證實的”一詞已為時不遠。 這個新的“指紋”證据是否為确鑿證据，還是僅僅是個不可能的巧合，會引起今后多年的爭論。同時，地球這個實驗室會繼續發掘出答案（實驗意義上的）。 在气候發現与歸因問題上還需要強調最后一個話題。直到最近，气候模型研究者還沒有足夠的電腦能力，對气候變化隨時間演化的過程進行日常計算，以提供几個不同的有關溫室气体和煙霧濃度未來發展的故事。這就是，他們沒有做過所謂瞬時的气候沉變化說明。（當然，真正的地球正在經歷瞬時的實驗。）相反，模型習慣于估計，在CO。被人為翻番和保持相對固定，而不是隨時間增長而增加之后（就像它在實際中或在一個較為真實的瞬時模型演示中出現的那樣），地球气候最終看起來是怎么樣（即平衡模擬）。 因為巨大海洋的高效儲熱能力，瞬時模型模擬要比平衡模擬較少展示直接的變暖。然而，這种沒有實現的變熱在數十年后會最終表現出來。這种熱衰變（會誘使我們對气候變化的長期積累產生錯誤的理解）現在正在用大气圈、海洋、冰川、土壤和生物圈的耦合模型進行解釋（所謂地球系統模型，ESM）。早期的用ESM做的這种瞬時計算顯示了与地球气候觀察資料的更好的一致性。當美國哈得萊中心和德國漢堡馬克思·普朗克研究所的瞬時模型，還由溫室气体和含硫煙霧兩者驅動時，這些隨時間變化的模擬，得到了人類對气候影響的更為真實的“指紋”。需要有更多的這類電腦模擬來提供建立對气候模型的絕對的自信，但是科學家現在正在對目前的工作不是批評者一再聲稱的十足幻想這一點，開始表現出日益增長的自信。 然而，像ESM這种非常复雜的耦合系統，在CO。和煙霧等外部干扰，使得它發生非常快的變化時，可能會有不可預料的結果。确實，某些涉及上下數百年的瞬時模型，展現出基本气候狀態的戲劇性變化（例如全球洋流中的快速變化）。1982年，我和湯姆森用非常簡單的瞬時模型，研究了隨時間變遷的气候變化模式是否依賴于CO。濃度增加的速率。對于一個緩慢增加的CO。積累，模型預言：溫度增加在兩极要大于赤道。 赤道一兩极溫度差异的任何變化都將導致區域气候發生改變，因為溫度差异影響大規模的大气气流模式。然而，對于一個非常快的CO。濃度增加，我們發現在南半球的赤道一兩极差异出現了逆轉。如果這种情形持續數十年，就會在本世紀內引起不可預言的气候情況，或者因此導致气候向新的平衡狀態進行調整。換句話說，我們對自然的影響越快越厲害，出現意料之外事情的可能性就越大（其中某些可能是會令人類感到不快的）。 經過15年的工作之后，IPCC用下面這段話總結了它的報告： 未來不可預料的、大而快速的气候系統變化（像過去曾經發生的那樣）就其性質而言是難以預測的。這意味著未來的气候變化還可能會導致形成“意料之外的事情”。這种情況特別會由气候系統的非線性性質引起。當受到快速干扰時，非線性系統特別會出現不可預料的行為。可以通過研究气候系統的非線性過程和次級要素來取得進展。這种非線性行為的例子，包括北大西洋的快速洋流變化和与地球生態系統變化相關的反饋。 當然，如果我們選擇某种政策來放慢人類活動影響大气圈的速率，气候系統就會較少受到干扰。我將把這個有爭論的問題放到本書的最后去展開。 奇异气候現象 大約1．2万年前，在溫帶動物群經過長期的冰川期返回到北歐和北大西洋之后，在不足100年的時間里有過一次戲劇性的向類冰川期狀態的折返。這個微冰川期被稱為新仙女水期（YoungerDryas），位于仙女木（一种生長在凍原的花卉）廣泛出現之后。它在溫暖、穩定的全新世最終來臨之前持續了大約500年。是什么事情發生了呢？ 當然，我們今天無法确切地知道詳情，但有一些不錯的假說。此外，所謂新仙女木气候信號主要是一种區域性變化：整個北大西洋，包括加拿大東北部和歐洲大部分地區。但是在這個時期看到了戲劇性的為期几十年的生態折返，整個地區表現的是類冰川期的植物和動物。從全球上看，雖然存在著同時變化的證据，但變化的戲劇性要小得多。地質史上的這個時期，在南极洲冰芯中沒有證据發現顯著的气候變化。對北大西洋沉積物中浮游生物殘骸化石的研究表明，溫暖的海灣洋流要偏向南方許多緯度，深海大洋環流（有時候叫做海洋傳送帶）的整体結构僅僅几十年就回复到類冰川期的形式——∼种在人的一生中就可以測度的戲劇性的气候變化。 對新仙女木期的最有可能的假說是：有過一次淡水進入北大西洋的快速脈沖。由于淡水比鹽水遠為容易凍結，因此很快形成了海上冰蓋，這也許可以解釋大約1．2万前歐洲出現的戲劇性的寒冷問題。但是這种突如其來的淡水來自何方呢？最有可能的解釋是哥倫比亞大學的地球化學家華萊土·布羅克（WallaceBroecker）提出來的：來自快速變暖的北美冰原的融化水積聚在一個其東岸是冰原殘余的巨大的湖泊中（地質學家把這個湖叫做阿加西斯湖）；隨后冰原殘余的東岸破裂，一股戲劇性的“融化水洪流”泄入圣勞倫斯河谷進入了北大西洋。 最近，一些非常有爭論的發現表明，至少在格陵蘭，在大約13万年前的前一個間冰川期里，几度出現過溫度（數十年內5“C）和CO。的戲劇性波動。直到現在，一般相信這個時期的平均气溫要熱一些（2℃），相對于我們所在的間冰川期（全新世）來說也較為穩定。解釋這個13万年前波動的最流行的假說是：北大西洋傳送帶環流的變動。這些仍然有爭論的奇异气候變化已經引出了一個明顯關鍵性的問題：如果我們把溫室气体或氧化硫這類人類干扰加入气候系統，會使今天的傳送帶洋流發生快速的變化嗎？人類引起的ZaC的地球變暖（可以作為未來數十年的一個好的賭注），會促發像13万年以前增熱ZaC的間冰川期在北大西洋區域曾經發生過的那种奇异的气候不穩定現象嗎？ 我們評估人類對气候快速影響引起的風險的最好方式是，把气候模型和古資料進行比較以弄清過去發生的事情，從中估計某些重要的事情再度發生的可能性的大小。此外，未來奇异現象的形式和可能性是，基于雖未确證但卻可能的分析之上的推測。但是，對意料之外气候現象其破坏作用的普遍懸念和擔憂，足以催促我們要加快我們的知識更新，減慢我們迫使自然變化的速率，或者最好（按照我的价值觀系統）是同時做這兩件事。這會產生多少代价或者誰應該支付這個代价將在后面簡單論述。首先讓我們考慮气候變化會對人類其他干扰行為作出如何反應，以及這种全球變化會怎樣影響自然生態系統。 |
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