温室效应及其对气候的影响

书籍:现代科技综述大辞典上 更新时间:2018-11-16 22:26:30

出处:按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第554页(6798字)

CO2的正式观测开始于1958年,但从极冰气泡中的气体,可以测得十几万年以来大气中CO2浓度。

分析表明,近千年来CO2浓度相当稳定,约变化于270~290μl/L之间。所以,一般人们把工业化之前的CO2浓度取为280μl/L。

1958年的观测值为315μl/L,1990年估计为353μl/L,相对于工业化之前已经增加了79μl/L以上,约占工业化之前浓度的四分之一左右。

大气中CO2浓度增加的主要原因,是砍伐森林及燃烧矿物燃料。

工业化之前,从19世纪中开始大量砍伐森林,开垦荒地。由于单位面积未开发森林比农业用地含碳量大20~100倍,因此砍伐森林向大气中排放大量碳、燃烧矿物燃料(煤、石油及天然气)向大气排放碳的数量,在二次世界大战之后呈指数形式增加。

最迅速时排放量每年增加4%。目前由于砍伐森林每年排放到大气中的碳为1.9±1.1Gt,燃烧化石燃料每年排放5.7±0.5Gt,合计每年排放7.6±1.6Gt。

每排放2.12Gt的碳约相当大气中CO2增加1μl/L。但排放到大气中的碳仅有40%左右存留在大气中,其余大部分被海洋吸收。所以,目前大气中CO2浓度的年增量为1.8μl/L。

过去人们研究温室效应时,常用CO2浓度加倍时气候变化作为标准。

一般取600μl/L,即对1990年前后的300μl/L加倍,但也有人严格取工业化前280μl/L加倍,即560μl/L来进行气候模拟。后来发现除CO2外,大气中其它温室气体如甲烷、一氧化二氮、特别是氯氟烃(CFCs)温室效应也很强,甚至按分子计算一个CFCs分子的作用相当一个CO2分子的1万多倍。所以一段时期内人们经常把其它温室气体的温室效应也折合为CO2,讨论整个温室气体相当CO2浓度加倍的情况。但这也不很方便。所以在IPCC报告中对温室效应一律用加热率(W.m-2)表示。用加热率而不用可能造成的温度变化表示,还避免了气候模式不确定性。

未来加热率的变化,决定于温室气体的排放量。IPCC设计了4种排放方案:①称为正常排放方案,煤为主要燃料,无限制地砍伐森林,照常排放甲烷及一氧化二氮,部分国家参加蒙特利尔议定书。

②改用低碳燃料,严格控制一氧化二碳,禁止砍伐森林,所有参加国都履行蒙特利尔议定书。③改用可更新能源,21世纪后半期用核能代替,逐步淘汰CFC,并限制农业排放量。④改用可更新能源,21世纪前半期用核能代替,到21世纪中期CO2排放量减少到1985年的50%。

下面给出工业化前(取作1765年)到2000年、2050年及2100年各种方案得到的加热率(W.m-2):

一般认为,大气中CO2浓度加倍所造成的加热率为4W·m-2

因此,看来无论如何到21世纪中之前,大气中各种温室气体的总温室效应已相当CO2浓度加倍。

近年来,人们一直用各种气候模式估计大气中CO2加倍后的气候变化。到目前为止,一般公认大气环流模式是最好的工具。20世纪80年代以来,人们普遍接受CO2加倍时地球表面气温上升1.5~4.5℃,或者3.0℃±1.5℃。

但是最近的模拟结果表明升温在3.5~4.0℃之间;接近过去估计的上限。同时,也逐渐认识到这个估计有非常大的不确定性。

例如英国气象局的模式,只是改变了对冰云与水云的描述,CO2加倍时的增温就从5.2℃下降到1.9℃。海洋则是一个更大的不确定性的根源。

在目前的大气环流模式中,仅考虑了50~60m深的浅层海水。

初步研究表明,海洋对温室效应的延缓作用可能达50a(GFDL模式)或甚至75~100a(OSU模式)。因此,可能实现的变暖要大大低于平衡模式所得到的结果。

据IPCC报告估计,按①方案,21世纪可能每10年平均增温0.3℃(0.2~0.5℃之间)。

这样到2025年气温比现在上升1℃,到2100年上升3℃。但按②、③、④方案,则10年平均增温可能只有0.2℃,0.1~0.2℃及0.1℃。

大气中CO2至今比工业化前已增加了四分之一左右,其它温室气体也有明显增长。应该已经造成了相应的气候变暖。

因此,近百年来的气候变化可以成为温室效应理论的试金石。由于温室效应是全球性的,所以要用全球平均气温来进行检验。

然而,建立一个对全球或半球有代表性的气温序列是非常困难的。主要困难来自3个方面:(1)资料覆盖面问题;(2)城市热岛效应;(3)观测技术的改变。自1961年Mitchell第1次建立了近百年比较可靠的全球及半球平均气温序列以来,有30多位作者在这方面进行了研究。

现在看来比较好的序列有3个:(1)苏联地球物理观象总台维尼柯夫等,从20世纪70年代就绘制出版了北半球月平均气温距平图,手绘等距平线,对经纬度格点值读数,再按纬圈平均、加权求北半球平均。过去这份资料由于各单站求距平时所用平均时间不一致,因此受到批评。1987年又重新统一计算了距平,并用最优插值法内插经纬度格点值,并把序列向前推到1841年,成为至今最长的观测序列。

但可惜只是北半球平均。(2)英国东安吉利亚大学气候研究中心的琼斯等,在20世纪80年代建立了可能包括资料最完全的全球及北半球平均气温序列。大约用2000个陆地测站的1亿个数据及6000万个海洋观测数据,并注意尽力排除城市热岛效应及观测方法改变带来的误差。

计算方法是先插补格点值,然后按纬圈面积加权,求半球及全球平均。

这个序列最大的缺点是早期资料覆盖面不全。因为,虽有海上记录,但受航线影响,大部分海上特别是大洋中部及南半球仍是空白。

所以,至今仍有一些人认为这个序列主要反映的还是陆地上的气温变化。(3)美国宇航局(NASA)的汉森等,近几年用不同的方法建立了全球的气温序列。他们把全球分为面积相等的80个区。每个区再分为100个副区,取距每个副区中心1200km以内的站,按记录长短排列。

然后,以距中心距离为权重,逐个合并求平均,得到每个副区的平均,再按副区的面积大小加权求区平均。对区加权求纬圈平均,权重为每个区有记录的副区数。

这3个序列得到的北半球结果相当一致,但全球平均,美国的序列在1940~1965年期间气温下降,而英国的序列则下降不明显。但近百年总的趋势都是变暖,1880年以来气温上升0.5~0.6℃。

分析近100多年来的气温变化,究竟有哪些事实支持温室效应理论,又有哪些事实与其相违背呢?根据琼斯等的序列,自19世纪80年代到20世纪80年代全球平均气温上升0.6℃,而且南、北两个半球大体一致,从这点来看似乎有利于认为增暖是温室效应造成的。此外,还有一个有力的证据,就是海平面高度上升。经过仔细分析的资料表明,在近100多年中,全球海平面平均每10年上升1~2cm。这个数量级与根据海水膨胀及冰川融化所作的估计一致。因此,应该说全球气候变暖还是有一定证据的。

尽管如此,也还有人对变暖的趋势提出怀疑,例如R.S.Lindzen就举出微波探测结果,认为从卫星得到的全球平均气温变化,与根据地面观测得到的不一致,可能是地面观测覆盖面不足造成的。因为,卫星观测与美国同时的气温变化就很一致。

不过,即使承认全球的变暖趋势,变暖的步调却与温室效应有所不同。因为,无论从那一个序列都可以看出,过去百年中全球或半球的变暖主要发生在两段时期,即1920~1940年期间及1975年以后。1975年之后大约升温0.2℃。

所以,近百年来的变暖有三分之二发生在1940年以前。但是,大气中CO2增加四分之一,却有一多半发生在1940年之后。

如果再考虑有些强烈的温室气体、如CFCs主要是在近几十年才迅速增长,这个矛盾就更突出了。

第2个矛盾是从50年代到70年代,北半球气温下降。

根据汉森等的资料甚至全球都有所下降。显然,这不能用持续增加的CO2的温室效应来解释。

第3个矛盾是变暖的地理分布。根据所有的大气环流模式,CO2加倍时,极区、冬季应该增暖最明显,但事实是北极地区的温度在30年代达到最高,此后,到60年代显着变冷。80年代稍有回升,但仍低于30年代的高峰。按照温室效应理论应该变暖最明显的地区的温度变化,却与温室气体的增长不一致。这不能不说是对这种理论的一个挑战。

第4个矛盾是历史性的。

气温观测记录开始于19世纪后半期,愈来愈多的资料证明,这时仍处于小冰河期的冷期中,或者说是在冷期的后期,因此,从那时起到20世纪中气候的变暖,可能有一部分属于自然变化。这样,认为近百年由于温室效应气温上升0.5~0.6℃,可能估计偏高。

20世纪以来,中国气温也有变暖的趋势,这是与北半球及全球一致的。但中国从50年代到70年代气温的下降则更为突出。

以1920~1949年与1950~1979年,两个30年对比,气温下降了0.45℃,比北半球气温下降明显。20世纪前半期的变暖则比北半球早。20年代北半球气温正处于激烈上升的过程中,但在中国已成为近百年第2个最暖的10年,仅次于40年代;另外,80年代的变暖也不如北半球强烈。从70年代到80年代,北半球平均气温上升0.24℃,全球平均上升0.23℃,但中国仅上升0.13℃。

而且由于70年代气温低,因此80年代虽较前10年有所变暖,但气温仍低于前70年代(1910~1979)平均,而不像北半球或全球,80年代成为近百年最暖的10年。显然,类似的局地性气温变化,也不是温室效应能轻易解释的。

检测温室效应,就是要设法证明信号的存在,一般用噪燥比来度量。凡信号强度超过噪声,可证明信号在一定程度上是可靠的。

这里检测的是温室效应,所以与温室效应有关的气温变化是信号,而其它原因造成的低频变化则作为噪声。

因为气候模式有很大的不确定性,所以确定信号的强度很不容易。但目前也不是不可能的。

例如为了考虑海洋对温室效应的巨大延缓作用,可以采用热平衡模式,或称为“箱-涌升-扩散模式”。这样能估计不同气候敏感度情况下的温室效应。气候敏感度即CO2加倍可能产生的温室变化。

取敏感度为1℃,2℃……5℃,得到温度变化曲线。与近百年的观测序列比较,敏感度为1℃及2℃的曲线与实况较为接近,当然这仅是检测信号的一种方法。工作本身也说明信号检测的不确定性是很大的。

至于噪声,即指低频自然变化。

检测噪声的方法有两种:一种是根据观测资料来分析,但这就要设法区分信号与噪声;另一种是用大气环流模式进行长时间的数值模拟,例如用地球物理流体动力学实验室(GFDL)的海气环流对气温变化做了模拟。200年的模拟表明,在固定边界条件下可以得到与观测相比较的10年到百年尺度变化,但未出现气候趋势。

而用热平衡模式,在随机辐射强迫下,模拟出10年尺度的低频年际变化,这反映了海洋热惯性的重要作用。这两种模拟都表明,目前观测到的温度变化与自然变化有相同数量级。

在这种情况下用单一要素来检测温室效应是比较困难的。因此,建议采作“指纹法”,即用多种要素来综合检测。

例如,除全球或半球平均气温之外,可以分析对流层、平流层温度变化,全球降水量变化,全球大气中水汽含量变化以及海平面变化等。可惜,这些要素大部分没有足够长的序列,或者很难求全球平均。所以只有海平面高度尚能提供一些较为可靠的信息。

从另一个角度看,如果能对气候的自然变率有所认识,亦可以帮助我们检测温室效应。

这就关系到自然变率产生的原因。一般认为对10年到百年尺度的气候变化来讲,其自然变化的原因主要有两个,太阳辐射变化及火山活动。

虽然,人们早就怀疑太阳常数不是一个真正的常数,但一直不能得到证实,因为观测到的太阳常数变化与观测及计算误差属于同一数量级~1%。所以直到80年代初,雨云7号卫星上安装了空腔辐射仪,使太阳常数的观测精度提高到0.05%,才解决了这个140年以来悬而未决的问题。

证明太阳常数确实不是真的常数,而且太阳黑子逐日变化的峰值与太阳常数的谷值相对应,黑子与太阳常数为负相关。但是,这个结果与大多数气候学家及天文学家的观点是矛盾的。例如有人认为蒙德利尔极小是小冰河期形成的原因,黑子与太阳常数应为正相关。近来的研究认为,高频的(逐日)黑子变化太快,可能对气候影响不大。但太阳黑子多时,光斑及太阳活动区辐射强。已经发现,由于光斑增加的辐照度,高于黑子冷却造成的辐照度下降。

因此,太阳黑子与辐照度可能成正相关。1980~1986年期间太阳黑子减少,辐照度减少了大约1W.m-2,就是一个很好的证明。可惜辐照度观测序列太短,是否如一些作者假定在同11年周期外包线平行的80年周期,尚需进一步证实。

但是,即使存在这一周期,也同变暖的步调不完全一致。

因为全球变暖在40年代应达到峰值,而太阳活动在50年代末才达到200多年的最高值。

至于火山活动,虽然已经证明,如1963年的阿贡火山爆发及1982年的厄、、奇冲火山爆发均使太阳直接辐射下降20%~30%,但由于散射辐射几乎增加一倍,所以太阳总辐射仅下降6%左右。

近来的研究表明,强烈的火山爆发造成的降温一般也不超过0.5℃。持续时间最多1~2年。然而,气候变暖的20年代到40年代,正好是火山活动的沉寂时期,以后到50年代火山活动又逐渐加强。

这个变化趋势是3个因素(太阳辐射、火山活动及温室效应)中与温度变化趋势最相似的一个。

不过也有矛盾之处,从70年代末到80年代,全球剧烈变暖,但火山活动并未明显减少。

从过去100多年的气候变化来看,以上3个因素没有哪一个能独立解释各时期的温度变化,因此,大多数人同意,至少到目前为止,温室效应还没有超过其它两个因素的作用,亦即信号与噪声处于同一数量级。不少用以上3个因素拟合温度变化、作统计方法检测温室效应的研究表明,由于温室效应主要影响趋势变化,因此在拟合过去百年来温度变化的总方差中不占主要地位,在拟合的方差中,火山活动占50%,太阳活动占30%,CO2只占20%。但前两个因素主要拟合高频的变化(这只是统计分析)。

物理分析的结果表明,前两个因素所能造成的加热率均不大。由于目前温室效应还不十分强,因此,其它两个因素可能抵消或加强温室效应则是无疑的。至少到20世纪末及21世纪初仍可维持这种情况,但到21世纪中期,温室效应已大大加强。那时,特别对低频变化,温室效应将占绝对优势。

虽然大多数科学家都不否认人类活动排放的CO2及其它微量气体可能造成气候变暖,但其中未解决的问题还很多。甚至从工业化前到现在是否全球变暖也有人怀疑。或者至少未能肯定证明近百年约0.5℃左右的变暖在多大程度上是温室效应的结果。至于温室效应对一个地区气候的影响,不确定性就更大了。

在这种情况下,我们不仅要开展对全球的研究,更要注意对中国的研究。例如,中国温室气体排放的研究虽已开始,但还有许多事情要做,不仅要测定、估算各种温室气体的排放量,各种源汇以及大气中的浓度,还要研究探讨各种减少排放的方案。

温室效应,或者说全球变暖可能对中国气候的影响还研究得很少,对农业、水利、交通、能源乃至对生态环境系统的影响的研究也需要逐步开展。在温室效应本身的研究方面,温室效应的检测是一个重要课题,不仅可以通过气候变化的时空结构进行检测,也可以通过对气候变化物理原因的分析进行检测。

检测研究对改进、完善温室效应的理论有重要意义。

(北京大学博士生导师王绍武撰)

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