編者按

在人類應(yīng)對氣候變化的歷史上，2019年注定會成為載入史冊的一年。

11月4日，全球第二大碳排放國美國正式宣布啟動退出《巴黎協(xié)定》的法律程序，人類應(yīng)對氣候變化的共同決心遭遇了一次重大危機。

更早的時候，全球數(shù)百萬青年學生走上街頭，抗議大人們在應(yīng)對氣候變化上的虛與委蛇正在將年輕人的未來推向危險的邊緣。氣候變化問題在世界范圍內(nèi)得到了前所未有的曝光、關(guān)注和討論，越來越多的人開始意識到，人類活動正在將氣候變化一步步推向不可逆轉(zhuǎn)的臨界點。

亞馬孫雨林的大火、南極冰川的斷裂、歐洲的致命熱浪、中國云南的大旱，這些相隔萬里、似乎毫無關(guān)聯(lián)的事件，并非表面上看起來那樣孤立——氣候變化是所有這些事件背后共同的推手。

11月27日，《自然》在其網(wǎng)站上刊出的評論文章指出：“證據(jù)正在不斷增加，這些事件比人們此前所想的更有可能發(fā)生，并且在不同的生物物理系統(tǒng)中造成嚴重的影響，可能會將世界導向長期不可逆的變化之中。”

幾個小時之后，第25次聯(lián)合國氣候變化大會將在西班牙馬德里召開，我們關(guān)注這場關(guān)乎人類未來命運走向的大會，并將在接下來的一個月里陸續(xù)推出“氣候大會特別策劃”系列文章，呼應(yīng)這個時代人類正在遭遇的最為深刻而又劇烈的變化之一。

我們挑選了數(shù)個有關(guān)氣候變化的問題，約稿多位研究氣候變化的專家、媒體人，希望借由回答這些問題，讓中文世界的讀者能夠?qū)夂蜃兓懈由钊氲恼J識。

第一篇文章將會回答關(guān)于氣候變化最根本的問題：全球變暖到底是不是真的?

1975年8月，《科學》雜志發(fā)表了一篇題為《氣候變化: 我們是否正處于全球變暖的邊緣?》的論文，“全球變暖”這個詞首次在科學文獻中出現(xiàn)(Broecker等，1975)。44年過去了，全球變暖的事實逐漸被發(fā)現(xiàn)，原因慢慢被揭露，其對人類、生態(tài)系統(tǒng)、地球各圈層的以負面為主的影響也不斷顯現(xiàn)?？茖W家們逐漸建立起了以“人類活動排放的二氧化碳等溫室氣體造成了百余年來的全球變暖”為核心的全球變暖理論。

與此同時，全球變暖在媒體中的出鏡率不斷攀升，但其始終伴隨著一些質(zhì)疑之聲，比如全球變暖是真的嗎?人類是罪魁禍首嗎?

正如福爾摩斯探案需要一系列證據(jù)鏈才能令人信服地找出兇手，理解全球是否變暖以及變暖是否由人類造成，也需要一系列科學事實和因果邏輯的支撐，從而形成有說服力的證據(jù)鏈。因此，本文將順著全球變暖的物理基礎(chǔ)、事實、影響、未來這個邏輯順序，一起探一探全球變暖是否存在、“真兇”是誰以及這個 “兇手” 造成的后果。

1.溫室效應(yīng)與被打破的能量平衡

海納百川、風雨雷電、冷暖交替、氣象萬千，這些都描述了不斷變動中的天氣和氣候。氣候系統(tǒng)運作的主要能量來源是太陽：地球吸收來自太陽的短波輻射，這些能量驅(qū)動了大氣和海洋環(huán)流、促成了光合作用、推動了地球的水分和物質(zhì)循環(huán)。

在吸收太陽輻射的同時，地球也在向太空中散失能量(主要為長波輻射)，從而使地球系統(tǒng)進和出的能量基本保持一致，這就是地球系統(tǒng)的能量平衡(Trenberth等，2014)(圖1)。地球系統(tǒng)的能量平衡維持了氣候系統(tǒng)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不至于不斷系統(tǒng)性的變冷或變熱。

維持地球系統(tǒng)的能量平衡離不開大氣中的溫室氣體。溫室氣體能夠強烈地吸收地面釋放出的長波輻射(圖1)，像 “棉被” 一樣保持住地球系統(tǒng)的能量，使近地表附近是一個溫暖的環(huán)境。目前全球地表平均溫度約為15℃，如果沒有溫室氣體，地表溫度可能比現(xiàn)在低約30℃。這種 “保溫” 的效應(yīng)被稱為 “溫室效應(yīng)”。大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、氟里昂以及水汽等。

圖1. 地球系統(tǒng)能量收支示意圖：黃色箭頭為地球從太陽吸收和反射的短波輻射;紅色箭頭為地球向外釋放以及被溫室氣體吸收的長波輻射。圖自：https://science-u.org/experiments/solar-oven-smores.html。

對溫室效應(yīng)的認識可以追溯到19世紀的著名數(shù)學家傅里葉，他描述到：大氣層就像一個玻璃罩子一樣，對太陽光透明，但對長波輻射有阻擋作用(胡永云，2017)。到上世紀五六十年代，隨著物理學對氣體分子結(jié)構(gòu)及其吸收譜的理解、氣象學對大氣基本結(jié)構(gòu)和運動的了解以及計算機科學中第一臺計算機的誕生，日裔美國科學家Manabe等人在普林斯頓大學用理論模型首次模擬出較為真實的地球系統(tǒng)輻射平衡，為全球變暖的提出奠定了理論基礎(chǔ)(Manabe 和 Wetherald，1967)。Manabe 等所構(gòu)建的模型也是現(xiàn)代氣候模型的基礎(chǔ)，用于氣候模擬和預(yù)估。

地球經(jīng)過了長期的演化，形成了較為穩(wěn)定的大氣成分。近80萬年以來，大氣中的CO2 僅在170~300ppm之間波動，高值從未超過300ppm(圖2)，該波動主要受到地球軌道變動的影響：軌道變動導致地球接收的太陽輻射發(fā)生微小變化，改變了大氣和海洋溫度，由于CO2在海洋中的溶解度與海水溫度密切相關(guān)，CO2在大氣和海洋中分配的動態(tài)平衡因此不斷發(fā)生改變，海洋或從大氣吸收CO2，或向大氣釋放CO2，由于溫室效應(yīng)的存在，大氣中CO2的增減會對地表溫度產(chǎn)生提升或降低的作用，大氣和海洋溫度因此被進一步改變，大氣和海洋中CO2的濃度也會相應(yīng)變化，如此循環(huán)直到重新達到新的平衡狀態(tài)。

工業(yè)革命前(約1750-1850年)，全球平均的CO2濃度僅為約280ppm(圖2)。在這之后，大量化石燃料和有機質(zhì)的燃燒造成大氣中溫室氣體的濃度不斷上升(圖2)。2019年5月，大氣中的CO2濃度超過415ppm，比工業(yè)革命前增加了約48%。這種增加的幅度和速率，至少在地球近80萬年的歷史中是前所未有的。以化石燃料為代表的工業(yè)革命，推動了人類歷史上最為快速的發(fā)展階段，極大地豐富了生產(chǎn)力，但也不可逆轉(zhuǎn)地改變了大氣成分，改變了地球環(huán)境。

圖2. 近80萬年以來大氣CO2濃度的變化：1958年前數(shù)據(jù)來自于冰芯數(shù)據(jù)，之后的數(shù)據(jù)來自于夏威夷Mauna Loa觀測站。圖自Scripps海洋研究所。

以CO2為代表的溫室氣體濃度增加使得地球系統(tǒng)“保溫”能力越來越強，向外釋放的長波輻射不斷減少，然而太陽輻射在百余年變動不大，這就導致了地球系統(tǒng)的能量平衡被打破，造成地球系統(tǒng)有凈能量攝入，結(jié)果就是地球的平均溫度正變得越來越高。

2.失衡的氣候系統(tǒng)與氣候敏感度

地球系統(tǒng)的能量失衡驅(qū)使了氣候系統(tǒng)進行調(diào)整，來達至新的平衡。這種調(diào)整過程涉及到很多氣候要素的反饋和調(diào)整。最直接的反饋為全球地表溫度上升(圖3a)，因為溫度較高的物體釋放的長波輻射更強，可以將過剩的輻射釋放出地球，這個過程使得能量失衡得到緩解(負反饋)。

圖3a. 全球平均氣溫變化。圖自英國氣象局。

其余的反饋包括：更暖的地表加劇了水分蒸發(fā)，使得大氣中水汽含量增加，由于水汽也是主要溫室氣體，其會加劇 “保溫” 效應(yīng)，加劇能量失衡(正反饋)。再比如，地球能量增加會加熱冰川和冰蓋，使之融化，由于冰雪表面近乎白色，就像鏡面一樣，能比普通陸地和海洋表面更有效率地反射太陽輻射能量到太空中，一旦其開始消融，地球反射的能量將減少，吸收的太陽輻射將增多，加劇氣候系統(tǒng)的能量失衡(正反饋)。另外，由于海洋比熱容比空氣和土地大，其儲熱能力是陸地和空氣的上千倍，體量龐大的海洋因此吸收了絕大多數(shù)地球系統(tǒng)接收的凈能量，這使得海洋變暖，而較暖的海洋吸收CO2能力減弱，從而加劇能量失衡(正反饋)。

由于氣候系統(tǒng)調(diào)整和反饋的復(fù)雜性——各個反饋或者疊加、或者部分抵消——科學家們抽象出一個量值來量化地表溫度對溫室氣體的凈響應(yīng)幅度：如果大氣中的CO2濃度加倍，地表將會升溫多少?這個數(shù)值我們簡單稱之為“氣候敏感度”。

自上世紀60年代以來，眾多研究通過古氣候?qū)W、現(xiàn)代觀測記錄、氣候模型等多種方法尋找 “氣候敏感度”(圖3)?；诖罅垦芯?，2013年聯(lián)合國發(fā)布的《國際政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告》(IPCC-AR5)認為，氣候敏感度在1.5~4.5℃范圍內(nèi)(IPCC, 2013)：即如果大氣中的CO2相對于工業(yè)革命前濃度加倍，全球平均氣溫會上升1.5~4.5℃(圖3)。

圖3. 本世紀以來對“氣候敏感度”的估算。每一個點都是一項獨立研究的估算，誤差棒為估算的誤差范圍。不同顏色代表不同類型的方法。圖自Carbon Brief (2018)。 基于對氣候系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)律和反饋的理解，科學家們建立起了以CO2為代表的溫室氣體與地表溫度上升的因果關(guān)系。與此同時，科學家們也排除了其余因素的影響：太陽輻射變化、火山爆發(fā)、地球系統(tǒng)自然波動、人類活動排放的大氣氣溶膠等等，這些因素在一定程度上可調(diào)節(jié)地表溫度，但都不足以解釋百年來的全球不斷變暖現(xiàn)象(IPCC, 2013)。2013年發(fā)布的IPCC-AR5指出：1951年來，至少一半以上的地表氣溫上升可以歸因于人類影響。

3.全球變暖：系統(tǒng)性的氣候變異

大氣中越來越多的溫室氣體導致的地球能量失衡，是百年以來全球氣溫上升的主要驅(qū)動力。然而，氣溫僅僅是氣候系統(tǒng)的一個要素，溫室氣體其實驅(qū)動了氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)性變異，了解這些系統(tǒng)性變異才能知曉全球變暖的全貌：

海洋變暖。海洋儲熱力更強，地球凈能量攝入一定會主要儲存在海洋中。近幾十年的觀測證實(圖4d)，海洋儲存了90%以上的凈能量攝入(Rhein等2013)，表現(xiàn)為海水溫度加速上升：1993-2018年的海洋變暖速率是1970-1993年期間的至少2倍!

極端熱浪事件加劇。變暖導致發(fā)生在陸地和海洋中(圖4c)的極端熱浪事件都已經(jīng)加劇，1982年以來海洋熱浪頻率增加了2倍!

大氣中水汽含量增加。變熱導致蒸發(fā)加劇使大氣中水汽含量增加：氣溫每升高1℃，大氣水汽含量約升高7%。和水相關(guān)的極端事件也因此加重：干旱的區(qū)域?qū)⒏鼮楦珊?，濕潤的地區(qū)將更為濕潤，極端降水、洪水等都會加劇。

冰雪消融。格陵蘭冰蓋、南極冰蓋、凍土和山地冰川已經(jīng)開始加速消融(圖4e-g，j-i)。2007-2016年南極冰蓋的質(zhì)量損失量是1997-2006年間的3倍。格陵蘭冰蓋質(zhì)量損失是1997-2006年間的2倍。極地已經(jīng)是全球氣候變暖最為劇烈的地區(qū)：近幾十年來北極表層氣溫上升趨勢是全球平均的2倍!

海平面上升。我們已經(jīng)觀測到了海平面在加速上升：2006-2015年間全球海平面上升趨勢是1901-1990年間速度的2.5倍(圖4m)?？偤Ｆ矫嫔仙?0%~40%由海水升溫膨脹引起;另外60%~70%是因為消融冰蓋和冰川使得淡水流入大海導致。

海水酸化。人類排放在大氣中的CO2，其實有約20~30%將溶解入海洋，這雖然在客觀上降低了大氣中溫室氣體的濃度，緩解了全球氣候變化，但卻使海水酸化。目前已經(jīng)觀測到了海水的持續(xù)酸化：1980年之后海表pH值平均每十年下降0.017~0.027個pH單位(圖4h)，由于pH是負對數(shù)值，這意味著海洋的酸度平均每十年會增加約4%~6%。

海水中的氧含量降低。變暖的海水使得海水中溶解的氧釋放，1970年之后海洋溶解氧下降了約0.5~3.3%，而海水溶解氧是絕大部分海洋生物賴以生存的生命之源(圖4i)。

雖然并不能面面俱到，但上述例子體現(xiàn)了氣候系統(tǒng)變異的一些側(cè)面，這些事實組成了環(huán)環(huán)相扣的自恰的證據(jù)鏈，提供了全球變暖的系列證據(jù)。事實上，到目前為止，除了溫室氣體導致全球變暖這一理論以外，沒有任何一個別的理論可以完整解釋工業(yè)革命以來觀測到的氣候系統(tǒng)變異(USGCRP, 2017;IPCC)。

圖4. 觀測到的(紫色)和氣候模型模擬的(黃色)1950-2018年部分氣候要素的變化。基于未來的大氣溫室氣體濃度，氣候模型也可給出未來氣候變化的預(yù)估。這里給出在低溫室氣體濃度情景下(RCP2.6，藍色)和高溫室氣體濃度情景下(RCP8.5，紅色)的未來氣候變化。在RCP2.6情景下，人類可將21世紀大氣CO2濃度控制在450ppm以內(nèi);RCP8.5情景下，由于沒有氣候政策，大氣CO2濃度不斷增加，在2100年達到約900ppm。圖中陰影為誤差范圍。圖來自IPCC(2019)。

4.全球變暖，好事還是壞事?

全球變暖不僅僅是 “變暖”，而且是全球多圈層的系統(tǒng)性氣候變異，是可波及地球每一個生命體、每一個角落的快速環(huán)境變化。其帶來的最大的問題是：變化太快而超過了人類和很多生命的適應(yīng)速度。

目前已經(jīng)觀測到了全球變暖對人和生態(tài)系統(tǒng)造成的眾多負面影響(IPCC，2019)。在空調(diào)不普及的法國，2019年夏天的熱浪造成了上千人喪生;由于極端高溫，2014-2017年間，全球70%以上的珊瑚礁都受到了破壞，珊瑚大規(guī)模白化事件已經(jīng)屢見不鮮(IPCC，2018;2019)。珊瑚礁雖然只占了全球海洋面積的0.1%，但其是25%的海洋生物賴以生存的環(huán)境，是海洋中的 “熱帶雨林”。珊瑚礁系統(tǒng)的破壞會對海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成毀滅性的打擊。

由于全球變化增加了大氣中的水汽、提高了海洋溫度，使得臺風的能量和水汽供應(yīng)更加充足，其降水更多、強度也更強。2017年登陸美國東海岸的颶風“哈維”，造成了美國本土有史以來最強的降水。同時由于應(yīng)對不完善，損失達數(shù)千億美元，超過百人喪生(Trenberth等，2018)。不僅如此，海平面上升、極端氣候事件和人類不合理的開發(fā)建造活動還使得近岸洪水發(fā)生頻次顯著增加，就在2019年11月，威尼斯發(fā)生了史上最嚴重的洪水。

對于廣大的干旱和半干旱地區(qū)，增溫和人類活動對植被的破壞會抑制土壤碳儲力，釋放更多CO2 進入大氣，同時加劇區(qū)域干旱化，未來干旱半干旱區(qū)將加速擴張(Huang等，2016)。此外，冰川融化和多年凍土融化會釋放污染物(尤其是汞)，這會對山地和高緯度區(qū)域的水質(zhì)造成直接影響(IPCC，2019)。

不可否認，對于一些群體或區(qū)域，全球變化可能帶來一些益處。例如：北極夏季海冰消失后，打開了“北極航道”，降低了國際貿(mào)易和航運成本;隨著海洋變暖和洋流的變化，一些魚類種群的棲息地發(fā)生了改變，這會增加一些區(qū)域的捕漁量，從而開辟新的漁場;對許多植物來說，大氣中CO2的增加在一定范圍內(nèi)會促進生長。

盡管如此，眾多研究和綜合評估報告表明：全球變暖的負面影響遠遠大于正面影響(IPCC報告;USGCRP, 2017;歷次《氣候變化國家評估報告》)，地球生命共同體正在面臨氣候危機。5.未來將如何?

對氣候變化規(guī)律的認識使得科學家們可以預(yù)估未來的氣候變化，圖4也給出了用全球幾十個氣候模型預(yù)估的21世紀氣候要素?？梢钥吹?，隨著溫室氣體增加，未來氣候系統(tǒng)將持續(xù)的變化，且變化幅度基本取決于未來的溫室氣體濃度。未來如果能控制溫室氣體排放(即圖4中藍色RCP2.6情景)，氣候變化幅度將會比維持高溫室氣體排放(圖4紅色RCP8.5情景)小得多。因此，未來減排越多，氣候變化幅度將越小，負面影響也會越小。

正因為科學界基本厘清了全球變暖的起因、影響和未來，2015年，包括中國在內(nèi)的170多個國家政府共同審議通過了《巴黎協(xié)定》：目標是努力把全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)(即圖4藍色的線展示的未來)，并努力實現(xiàn)更富雄心的1.5℃控溫目標。工業(yè)革命至今，地球平均氣溫已經(jīng)上升了約1℃，如果要實現(xiàn)2℃控溫目標，未來我們僅有1℃的變暖額度。

1℃的變暖額度對應(yīng)于只能再排放約1170 Gt的碳(IPCC, 2018)。所以，《巴黎協(xié)定》事實上已經(jīng)限定了在目前未對溫室氣體進行處理的發(fā)展方式下，未來人類能夠用掉多少化石燃料，排放多少碳，限定了未來人類基于化石燃料的經(jīng)濟發(fā)展量。

正因為此，全球氣候變暖已不是單純的科學問題(事實上在科學上早就沒有爭議了)，而是成為國際社會和各國政府所關(guān)心的政治問題——各個國家有各自的政治立場以及經(jīng)濟發(fā)展需要。因此從人類發(fā)展的角度來看，《巴黎協(xié)定》的意義在于將世界上幾乎所有國家都納入了呵護地球生態(tài)、確保人類發(fā)展的命運共同體當中。

然而，較為悲觀的是，即使在21世紀能夠?qū)崿F(xiàn)《巴黎協(xié)定》使地表氣溫增長不超過2℃的目標，海洋和冰雪圈的變化依然會繼續(xù)：海洋會持續(xù)變暖、海平面會不斷上升、兩極冰蓋會繼續(xù)縮小(圖4)，這是由于海洋和冰雪圈對溫室氣體的響應(yīng)具有 “延遲” 和 “緩慢” 的特性(IPCC，2019)。

盡管人類對地球系統(tǒng)的影響事實上已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，但 “減排越多，變化越小，影響越低” 的原則依然適用，適應(yīng)變化和降低風險將會成為未來的主旋律。同時，積極進行經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和政策調(diào)整，加強對溫室氣體的再利用、吸收和封存，加強對化石燃料更加精細的生產(chǎn)加工，也是未來發(fā)展的主要方向。 不論如何，全球變暖已不可逆轉(zhuǎn)，其影響和風險仍將持續(xù)至少數(shù)千年的時間，人類已經(jīng)處于需要不斷適應(yīng)氣候變化的 “人類世”，地球各個圈層的生命也將在急速變異的 “人類世” 環(huán)境下求生存、求發(fā)展。作為地球生物鏈頂端的人類，是否應(yīng)該承擔對人類個體和群體、對其他生命體的義務(wù)，構(gòu)建“地球生命共同體”呢?

參考文獻：

1. Broecker, W. S. (1975): ClimaticChange: Are We on the Brink of a Pronounced Global Warming? Science, 189 (4201),460–463. https://doi.org/10.1126/science.189.4201.460

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3. IPCC(2019). Summary for Policymakers. In: IPCC Special Report on the Ocean andCryosphere in a Changing Climate. [H.- O. P rtner, D.C. Roberts, V.Masson-Delmotte, P. Zhai, M. Tignor, E. Poloczanska, K. Mintenbeck, M. Nicolai,A. Okem, J. Petzold, B. Rama, N. Weyer (eds.)]. 2019, in press.

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6. RheinM, Rintoul S R, Aoki S, et al. Observations: Ocean. In: Climate Change (2013):The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., et al. (eds.)].Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.,2013.

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9. Carbon Brief, (2018): Explainer:How scientists estimate ‘climate sensitivity’, https://www.carbonbrief.org/explainer-how-scientists-estimate-climate-sensitivity.

10. 《氣候變化國家評估報告》http://book.sciencereading.cn/shop/book/Booksimple/show.do?id=BA376BD9E955841B297C685DCC66A1695000

11. Trenberth K. E., L.Cheng, J. T. Fasullo, Y. Zhang, (2018):Hurricane Harvey links to Ocean Heat Content and Climate Change Adaptation.Earth'sFuture, EFT2427, https://doi.org/10.1029/2018EF000825.

12. Huang,J., Yu, H., Guan, X. et al. (2016): Accelerated dryland expansion under climatechange. Nature Clim Change 6, 166–171 doi:10.1038/nclimate2837

制版編輯 | 皮皮魚

免責編者按

在人類應(yīng)對氣候變化的歷史上，2019年注定會成為載入史冊的一年。

11月4日，全球第二大碳排放國美國正式宣布啟動退出《巴黎協(xié)定》的法律程序，人類應(yīng)對氣候變化的共同決心遭遇了一次重大危機。

更早的時候，全球數(shù)百萬青年學生走上街頭，抗議大人們在應(yīng)對氣候變化上的虛與委蛇正在將年輕人的未來推向危險的邊緣。氣候變化問題在世界范圍內(nèi)得到了前所未有的曝光、關(guān)注和討論，越來越多的人開始意識到，人類活動正在將氣候變化一步步推向不可逆轉(zhuǎn)的臨界點。

亞馬孫雨林的大火、南極冰川的斷裂、歐洲的致命熱浪、中國云南的大旱，這些相隔萬里、似乎毫無關(guān)聯(lián)的事件，并非表面上看起來那樣孤立——氣候變化是所有這些事件背后共同的推手。

11月27日，《自然》在其網(wǎng)站上刊出的評論文章指出：“證據(jù)正在不斷增加，這些事件比人們此前所想的更有可能發(fā)生，并且在不同的生物物理系統(tǒng)中造成嚴重的影響，可能會將世界導向長期不可逆的變化之中。”

幾個小時之后，第25次聯(lián)合國氣候變化大會將在西班牙馬德里召開，我們關(guān)注這場關(guān)乎人類未來命運走向的大會，并將在接下來的一個月里陸續(xù)推出“氣候大會特別策劃”系列文章，呼應(yīng)這個時代人類正在遭遇的最為深刻而又劇烈的變化之一。

我們挑選了數(shù)個有關(guān)氣候變化的問題，約稿多位研究氣候變化的專家、媒體人，希望借由回答這些問題，讓中文世界的讀者能夠?qū)夂蜃兓懈由钊氲恼J識。

第一篇文章將會回答關(guān)于氣候變化最根本的問題：全球變暖到底是不是真的?

撰文 | 成里京(中國科學院大氣物理研究所)

責編 | 夏志堅

1975年8月，《科學》雜志發(fā)表了一篇題為《氣候變化: 我們是否正處于全球變暖的邊緣?》的論文，“全球變暖”這個詞首次在科學文獻中出現(xiàn)(Broecker等，1975)。44年過去了，全球變暖的事實逐漸被發(fā)現(xiàn)，原因慢慢被揭露，其對人類、生態(tài)系統(tǒng)、地球各圈層的以負面為主的影響也不斷顯現(xiàn)。科學家們逐漸建立起了以“人類活動排放的二氧化碳等溫室氣體造成了百余年來的全球變暖”為核心的全球變暖理論。

與此同時，全球變暖在媒體中的出鏡率不斷攀升，但其始終伴隨著一些質(zhì)疑之聲，比如全球變暖是真的嗎?人類是罪魁禍首嗎?

正如福爾摩斯探案需要一系列證據(jù)鏈才能令人信服地找出兇手，理解全球是否變暖以及變暖是否由人類造成，也需要一系列科學事實和因果邏輯的支撐，從而形成有說服力的證據(jù)鏈。因此，本文將順著全球變暖的物理基礎(chǔ)、事實、影響、未來這個邏輯順序，一起探一探全球變暖是否存在、“真兇”是誰以及這個 “兇手” 造成的后果。

1.溫室效應(yīng)與被打破的能量平衡

海納百川、風雨雷電、冷暖交替、氣象萬千，這些都描述了不斷變動中的天氣和氣候。氣候系統(tǒng)運作的主要能量來源是太陽：地球吸收來自太陽的短波輻射，這些能量驅(qū)動了大氣和海洋環(huán)流、促成了光合作用、推動了地球的水分和物質(zhì)循環(huán)。

在吸收太陽輻射的同時，地球也在向太空中散失能量(主要為長波輻射)，從而使地球系統(tǒng)進和出的能量基本保持一致，這就是地球系統(tǒng)的能量平衡(Trenberth等，2014)(圖1)。地球系統(tǒng)的能量平衡維持了氣候系統(tǒng)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不至于不斷系統(tǒng)性的變冷或變熱。

維持地球系統(tǒng)的能量平衡離不開大氣中的溫室氣體。溫室氣體能夠強烈地吸收地面釋放出的長波輻射(圖1)，像 “棉被” 一樣保持住地球系統(tǒng)的能量，使近地表附近是一個溫暖的環(huán)境。目前全球地表平均溫度約為15℃，如果沒有溫室氣體，地表溫度可能比現(xiàn)在低約30℃。這種 “保溫” 的效應(yīng)被稱為 “溫室效應(yīng)”。大氣中起溫室作用的氣體稱為溫室氣體，主要有二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、氟里昂以及水汽等。

圖1. 地球系統(tǒng)能量收支示意圖：黃色箭頭為地球從太陽吸收和反射的短波輻射;紅色箭頭為地球向外釋放以及被溫室氣體吸收的長波輻射。圖自：https://science-u.org/experiments/solar-oven-smores.html。

對溫室效應(yīng)的認識可以追溯到19世紀的著名數(shù)學家傅里葉，他描述到：大氣層就像一個玻璃罩子一樣，對太陽光透明，但對長波輻射有阻擋作用(胡永云，2017)。到上世紀五六十年代，隨著物理學對氣體分子結(jié)構(gòu)及其吸收譜的理解、氣象學對大氣基本結(jié)構(gòu)和運動的了解以及計算機科學中第一臺計算機的誕生，日裔美國科學家Manabe等人在普林斯頓大學用理論模型首次模擬出較為真實的地球系統(tǒng)輻射平衡，為全球變暖的提出奠定了理論基礎(chǔ)(Manabe 和 Wetherald，1967)。Manabe 等所構(gòu)建的模型也是現(xiàn)代氣候模型的基礎(chǔ)，用于氣候模擬和預(yù)估。

地球經(jīng)過了長期的演化，形成了較為穩(wěn)定的大氣成分。近80萬年以來，大氣中的CO2 僅在170~300ppm之間波動，高值從未超過300ppm(圖2)，該波動主要受到地球軌道變動的影響：軌道變動導致地球接收的太陽輻射發(fā)生微小變化，改變了大氣和海洋溫度，由于CO2在海洋中的溶解度與海水溫度密切相關(guān)，CO2在大氣和海洋中分配的動態(tài)平衡因此不斷發(fā)生改變，海洋或從大氣吸收CO2，或向大氣釋放CO2，由于溫室效應(yīng)的存在，大氣中CO2的增減會對地表溫度產(chǎn)生提升或降低的作用，大氣和海洋溫度因此被進一步改變，大氣和海洋中CO2的濃度也會相應(yīng)變化，如此循環(huán)直到重新達到新的平衡狀態(tài)。

工業(yè)革命前(約1750-1850年)，全球平均的CO2濃度僅為約280ppm(圖2)。在這之后，大量化石燃料和有機質(zhì)的燃燒造成大氣中溫室氣體的濃度不斷上升(圖2)。2019年5月，大氣中的CO2濃度超過415ppm，比工業(yè)革命前增加了約48%。這種增加的幅度和速率，至少在地球近80萬年的歷史中是前所未有的。以化石燃料為代表的工業(yè)革命，推動了人類歷史上最為快速的發(fā)展階段，極大地豐富了生產(chǎn)力，但也不可逆轉(zhuǎn)地改變了大氣成分，改變了地球環(huán)境。

圖2. 近80萬年以來大氣CO2濃度的變化：1958年前數(shù)據(jù)來自于冰芯數(shù)據(jù)，之后的數(shù)據(jù)來自于夏威夷Mauna Loa觀測站。圖自Scripps海洋研究所。

以CO2為代表的溫室氣體濃度增加使得地球系統(tǒng)“保溫”能力越來越強，向外釋放的長波輻射不斷減少，然而太陽輻射在百余年變動不大，這就導致了地球系統(tǒng)的能量平衡被打破，造成地球系統(tǒng)有凈能量攝入，結(jié)果就是地球的平均溫度正變得越來越高。

2.失衡的氣候系統(tǒng)與氣候敏感度

地球系統(tǒng)的能量失衡驅(qū)使了氣候系統(tǒng)進行調(diào)整，來達至新的平衡。這種調(diào)整過程涉及到很多氣候要素的反饋和調(diào)整。最直接的反饋為全球地表溫度上升(圖3a)，因為溫度較高的物體釋放的長波輻射更強，可以將過剩的輻射釋放出地球，這個過程使得能量失衡得到緩解(負反饋)。

圖3a. 全球平均氣溫變化。圖自英國氣象局。

其余的反饋包括：更暖的地表加劇了水分蒸發(fā)，使得大氣中水汽含量增加，由于水汽也是主要溫室氣體，其會加劇 “保溫” 效應(yīng)，加劇能量失衡(正反饋)。再比如，地球能量增加會加熱冰川和冰蓋，使之融化，由于冰雪表面近乎白色，就像鏡面一樣，能比普通陸地和海洋表面更有效率地反射太陽輻射能量到太空中，一旦其開始消融，地球反射的能量將減少，吸收的太陽輻射將增多，加劇氣候系統(tǒng)的能量失衡(正反饋)。另外，由于海洋比熱容比空氣和土地大，其儲熱能力是陸地和空氣的上千倍，體量龐大的海洋因此吸收了絕大多數(shù)地球系統(tǒng)接收的凈能量，這使得海洋變暖，而較暖的海洋吸收CO2能力減弱，從而加劇能量失衡(正反饋)。

由于氣候系統(tǒng)調(diào)整和反饋的復(fù)雜性——各個反饋或者疊加、或者部分抵消——科學家們抽象出一個量值來量化地表溫度對溫室氣體的凈響應(yīng)幅度：如果大氣中的CO2濃度加倍，地表將會升溫多少?這個數(shù)值我們簡單稱之為“氣候敏感度”。

自上世紀60年代以來，眾多研究通過古氣候?qū)W、現(xiàn)代觀測記錄、氣候模型等多種方法尋找 “氣候敏感度”(圖3)。基于大量研究，2013年聯(lián)合國發(fā)布的《國際政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告》(IPCC-AR5)認為，氣候敏感度在1.5~4.5℃范圍內(nèi)(IPCC, 2013)：即如果大氣中的CO2相對于工業(yè)革命前濃度加倍，全球平均氣溫會上升1.5~4.5℃(圖3)。

圖3. 本世紀以來對“氣候敏感度”的估算。每一個點都是一項獨立研究的估算，誤差棒為估算的誤差范圍。不同顏色代表不同類型的方法。圖自Carbon Brief (2018)。 基于對氣候系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)律和反饋的理解，科學家們建立起了以CO2為代表的溫室氣體與地表溫度上升的因果關(guān)系。與此同時，科學家們也排除了其余因素的影響：太陽輻射變化、火山爆發(fā)、地球系統(tǒng)自然波動、人類活動排放的大氣氣溶膠等等，這些因素在一定程度上可調(diào)節(jié)地表溫度，但都不足以解釋百年來的全球不斷變暖現(xiàn)象(IPCC, 2013)。2013年發(fā)布的IPCC-AR5指出：1951年來，至少一半以上的地表氣溫上升可以歸因于人類影響。

3.全球變暖：系統(tǒng)性的氣候變異

大氣中越來越多的溫室氣體導致的地球能量失衡，是百年以來全球氣溫上升的主要驅(qū)動力。然而，氣溫僅僅是氣候系統(tǒng)的一個要素，溫室氣體其實驅(qū)動了氣候系統(tǒng)的系統(tǒng)性變異，了解這些系統(tǒng)性變異才能知曉全球變暖的全貌：

海洋變暖。海洋儲熱力更強，地球凈能量攝入一定會主要儲存在海洋中。近幾十年的觀測證實(圖4d)，海洋儲存了90%以上的凈能量攝入(Rhein等2013)，表現(xiàn)為海水溫度加速上升：1993-2018年的海洋變暖速率是1970-1993年期間的至少2倍!

極端熱浪事件加劇。變暖導致發(fā)生在陸地和海洋中(圖4c)的極端熱浪事件都已經(jīng)加劇，1982年以來海洋熱浪頻率增加了2倍!

大氣中水汽含量增加。變熱導致蒸發(fā)加劇使大氣中水汽含量增加：氣溫每升高1℃，大氣水汽含量約升高7%。和水相關(guān)的極端事件也因此加重：干旱的區(qū)域?qū)⒏鼮楦珊担瑵駶櫟牡貐^(qū)將更為濕潤，極端降水、洪水等都會加劇。

冰雪消融。格陵蘭冰蓋、南極冰蓋、凍土和山地冰川已經(jīng)開始加速消融(圖4e-g，j-i)。2007-2016年南極冰蓋的質(zhì)量損失量是1997-2006年間的3倍。格陵蘭冰蓋質(zhì)量損失是1997-2006年間的2倍。極地已經(jīng)是全球氣候變暖最為劇烈的地區(qū)：近幾十年來北極表層氣溫上升趨勢是全球平均的2倍!

海平面上升。我們已經(jīng)觀測到了海平面在加速上升：2006-2015年間全球海平面上升趨勢是1901-1990年間速度的2.5倍(圖4m)。總海平面上升的30%~40%由海水升溫膨脹引起;另外60%~70%是因為消融冰蓋和冰川使得淡水流入大海導致。

海水酸化。人類排放在大氣中的CO2，其實有約20~30%將溶解入海洋，這雖然在客觀上降低了大氣中溫室氣體的濃度，緩解了全球氣候變化，但卻使海水酸化。目前已經(jīng)觀測到了海水的持續(xù)酸化：1980年之后海表pH值平均每十年下降0.017~0.027個pH單位(圖4h)，由于pH是負對數(shù)值，這意味著海洋的酸度平均每十年會增加約4%~6%。

海水中的氧含量降低。變暖的海水使得海水中溶解的氧釋放，1970年之后海洋溶解氧下降了約0.5~3.3%，而海水溶解氧是絕大部分海洋生物賴以生存的生命之源(圖4i)。

雖然并不能面面俱到，但上述例子體現(xiàn)了氣候系統(tǒng)變異的一些側(cè)面，這些事實組成了環(huán)環(huán)相扣的自恰的證據(jù)鏈，提供了全球變暖的系列證據(jù)。事實上，到目前為止，除了溫室氣體導致全球變暖這一理論以外，沒有任何一個別的理論可以完整解釋工業(yè)革命以來觀測到的氣候系統(tǒng)變異(USGCRP, 2017;IPCC)。

圖4. 觀測到的(紫色)和氣候模型模擬的(黃色)1950-2018年部分氣候要素的變化?；谖磥淼拇髿鉁厥覛怏w濃度，氣候模型也可給出未來氣候變化的預(yù)估。這里給出在低溫室氣體濃度情景下(RCP2.6，藍色)和高溫室氣體濃度情景下(RCP8.5，紅色)的未來氣候變化。在RCP2.6情景下，人類可將21世紀大氣CO2濃度控制在450ppm以內(nèi);RCP8.5情景下，由于沒有氣候政策，大氣CO2濃度不斷增加，在2100年達到約900ppm。圖中陰影為誤差范圍。圖來自IPCC(2019)。

4.全球變暖，好事還是壞事?

全球變暖不僅僅是 “變暖”，而且是全球多圈層的系統(tǒng)性氣候變異，是可波及地球每一個生命體、每一個角落的快速環(huán)境變化。其帶來的最大的問題是：變化太快而超過了人類和很多生命的適應(yīng)速度。

目前已經(jīng)觀測到了全球變暖對人和生態(tài)系統(tǒng)造成的眾多負面影響(IPCC，2019)。在空調(diào)不普及的法國，2019年夏天的熱浪造成了上千人喪生;由于極端高溫，2014-2017年間，全球70%以上的珊瑚礁都受到了破壞，珊瑚大規(guī)模白化事件已經(jīng)屢見不鮮(IPCC，2018;2019)。珊瑚礁雖然只占了全球海洋面積的0.1%，但其是25%的海洋生物賴以生存的環(huán)境，是海洋中的 “熱帶雨林”。珊瑚礁系統(tǒng)的破壞會對海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性造成毀滅性的打擊。

由于全球變化增加了大氣中的水汽、提高了海洋溫度，使得臺風的能量和水汽供應(yīng)更加充足，其降水更多、強度也更強。2017年登陸美國東海岸的颶風“哈維”，造成了美國本土有史以來最強的降水。同時由于應(yīng)對不完善，損失達數(shù)千億美元，超過百人喪生(Trenberth等，2018)。不僅如此，海平面上升、極端氣候事件和人類不合理的開發(fā)建造活動還使得近岸洪水發(fā)生頻次顯著增加，就在2019年11月，威尼斯發(fā)生了史上最嚴重的洪水。

對于廣大的干旱和半干旱地區(qū)，增溫和人類活動對植被的破壞會抑制土壤碳儲力，釋放更多CO2 進入大氣，同時加劇區(qū)域干旱化，未來干旱半干旱區(qū)將加速擴張(Huang等，2016)。此外，冰川融化和多年凍土融化會釋放污染物(尤其是汞)，這會對山地和高緯度區(qū)域的水質(zhì)造成直接影響(IPCC，2019)。

不可否認，對于一些群體或區(qū)域，全球變化可能帶來一些益處。例如：北極夏季海冰消失后，打開了“北極航道”，降低了國際貿(mào)易和航運成本;隨著海洋變暖和洋流的變化，一些魚類種群的棲息地發(fā)生了改變，這會增加一些區(qū)域的捕漁量，從而開辟新的漁場;對許多植物來說，大氣中CO2的增加在一定范圍內(nèi)會促進生長。

盡管如此，眾多研究和綜合評估報告表明：全球變暖的負面影響遠遠大于正面影響(IPCC報告;USGCRP, 2017;歷次《氣候變化國家評估報告》)，地球生命共同體正在面臨氣候危機。5.未來將如何?

對氣候變化規(guī)律的認識使得科學家們可以預(yù)估未來的氣候變化，圖4也給出了用全球幾十個氣候模型預(yù)估的21世紀氣候要素?？梢钥吹剑S著溫室氣體增加，未來氣候系統(tǒng)將持續(xù)的變化，且變化幅度基本取決于未來的溫室氣體濃度。未來如果能控制溫室氣體排放(即圖4中藍色RCP2.6情景)，氣候變化幅度將會比維持高溫室氣體排放(圖4紅色RCP8.5情景)小得多。因此，未來減排越多，氣候變化幅度將越小，負面影響也會越小。

正因為科學界基本厘清了全球變暖的起因、影響和未來，2015年，包括中國在內(nèi)的170多個國家政府共同審議通過了《巴黎協(xié)定》：目標是努力把全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內(nèi)(即圖4藍色的線展示的未來)，并努力實現(xiàn)更富雄心的1.5℃控溫目標。工業(yè)革命至今，地球平均氣溫已經(jīng)上升了約1℃，如果要實現(xiàn)2℃控溫目標，未來我們僅有1℃的變暖額度。

1℃的變暖額度對應(yīng)于只能再排放約1170 Gt的碳(IPCC, 2018)。所以，《巴黎協(xié)定》事實上已經(jīng)限定了在目前未對溫室氣體進行處理的發(fā)展方式下，未來人類能夠用掉多少化石燃料，排放多少碳，限定了未來人類基于化石燃料的經(jīng)濟發(fā)展量。

正因為此，全球氣候變暖已不是單純的科學問題(事實上在科學上早就沒有爭議了)，而是成為國際社會和各國政府所關(guān)心的政治問題——各個國家有各自的政治立場以及經(jīng)濟發(fā)展需要。因此從人類發(fā)展的角度來看，《巴黎協(xié)定》的意義在于將世界上幾乎所有國家都納入了呵護地球生態(tài)、確保人類發(fā)展的命運共同體當中。

然而，較為悲觀的是，即使在21世紀能夠?qū)崿F(xiàn)《巴黎協(xié)定》使地表氣溫增長不超過2℃的目標，海洋和冰雪圈的變化依然會繼續(xù)：海洋會持續(xù)變暖、海平面會不斷上升、兩極冰蓋會繼續(xù)縮小(圖4)，這是由于海洋和冰雪圈對溫室氣體的響應(yīng)具有 “延遲” 和 “緩慢” 的特性(IPCC，2019)。

盡管人類對地球系統(tǒng)的影響事實上已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)，但 “減排越多，變化越小，影響越低” 的原則依然適用，適應(yīng)變化和降低風險將會成為未來的主旋律。同時，積極進行經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和政策調(diào)整，加強對溫室氣體的再利用、吸收和封存，加強對化石燃料更加精細的生產(chǎn)加工，也是未來發(fā)展的主要方向。 不論如何，全球變暖已不可逆轉(zhuǎn)，其影響和風險仍將持續(xù)至少數(shù)千年的時間，人類已經(jīng)處于需要不斷適應(yīng)氣候變化的 “人類世”，地球各個圈層的生命也將在急速變異的 “人類世” 環(huán)境下求生存、求發(fā)展。作為地球生物鏈頂端的人類，是否應(yīng)該承擔對人類個體和群體、對其他生命體的義務(wù)，構(gòu)建“地球生命共同體”呢?（撰文 | 成里京(中國科學院大氣物理研究所 責編 | 夏志堅）

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