編者按

在人類應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，我們關注這場關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對氣候變化有更加深入的認識。

第一篇文章將會回答關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、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” 的效應被稱為 “溫室效應”。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構及其吸收譜的理解、氣象學對大氣基本結構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(Manabe 和 Wetherald，1967)。Manabe 等所構建的模型也是現(xiàn)代氣候模型的基礎，用于氣候模擬和預估。

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，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，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學、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%。和水相關的極端事件也因此加重：干旱的區(qū)域將更為干旱，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年南極冰蓋的質量損失量是1997-2006年間的3倍。格陵蘭冰蓋質量損失是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世紀能夠實現(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，但 “減排越多，變化越小，影響越低” 的原則依然適用，適應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，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，是否應該承擔對人類個體和群體、對其他生命體的義務，構建“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

2. Manabe, S. and R.T. Wetherald (1967):Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of RelativeHumidity. J. Atmos. Sci., 24, 241–259, https://doi.org/10.1175/1520-0469(1967)0242.0.CO;2

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.

4. IPCC,(2018): Summary for Policymakers, Masson-Delmotte et al., Eds., Global Warmingof 1.5°C. An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°Cabove Pre-Industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas EmissionPathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat ofClimate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty,World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, 32 pp.

5. IPCC.Climate Change (2013): The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel onClimate Change (Stocker, T.F., et al. (eds.)), Cambridge University Press,Cambridge, United Kingdom., 2013

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.

7. USGCRP,(2017): Climate Science Special Report: Fourth National Climate Assessment,Volume I [Wuebbles, D.J., et al., (eds.)]. U.S. Global Change Research Program,Washington, DC, USA, 470 pp, doi: 10.7930/J0J964J6.

8. TrenberthK, Fasullo J, Balmaseda M. (2014): Earth’s Energy Imbalance. Journal of Climate,27(9): 3129-3144.

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，我們關注這場關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對氣候變化有更加深入的認識。

第一篇文章將會回答關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、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” 的效應被稱為 “溫室效應”。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構及其吸收譜的理解、氣象學對大氣基本結構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(Manabe 和 Wetherald，1967)。Manabe 等所構建的模型也是現(xiàn)代氣候模型的基礎，用于氣候模擬和預估。

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，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，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學、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%。和水相關的極端事件也因此加重：干旱的區(qū)域將更為干旱，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年南極冰蓋的質量損失量是1997-2006年間的3倍。格陵蘭冰蓋質量損失是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世紀能夠實現(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，但 “減排越多，變化越小，影響越低” 的原則依然適用，適應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，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，是否應該承擔對人類個體和群體、對其他生命體的義務，構建“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）

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

2. Manabe, S. and R.T. Wetherald (1967):Thermal Equilibrium of the Atmosphere with a Given Distribution of RelativeHumidity. J. Atmos. Sci., 24, 241–259, https://doi.org/10.1175/1520-0469(1967)0242.0.CO;2

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.

4. IPCC,(2018): Summary for Policymakers, Masson-Delmotte et al., Eds., Global Warmingof 1.5°C. An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°Cabove Pre-Industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas EmissionPathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat ofClimate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty,World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, 32 pp.

5. IPCC.Climate Change (2013): The Physical Science Basis. Intergovernmental Panel onClimate Change (Stocker, T.F., et al. (eds.)), Cambridge University Press,Cambridge, United Kingdom., 2013

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.

7. USGCRP,(2017): Climate Science Special Report: Fourth National Climate Assessment,Volume I [Wuebbles, D.J., et al., (eds.)]. U.S. Global Change Research Program,Washington, DC, USA, 470 pp, doi: 10.7930/J0J964J6.

8. TrenberthK, Fasullo J, Balmaseda M. (2014): Earth’s Energy Imbalance. Journal of Climate,27(9): 3129-3144.

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

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