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全球变暖,一桩事先张扬的谋杀案?

如果我们愿意做的就是坐以待毙,那科学家不断发展更精准的模式预测有什么意义?| 图源:pixabay.com
 
导 读
 
2021年,因为“对地球气候的物理建模,量化变化和可靠地预测全球变暖“,真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼分享了诺贝尔物理学奖的一半。然而,面对愈加精准可靠的科学预测和依然迟滞的全球行动,也有科学家开始怀疑,“如果我们愿意做的就是坐以待毙,那科学家不断发展更精准的模式预测有什么意义?”
 
正如马尔克斯在《一桩事先张扬的凶杀案》里的描述,一桩本可避免的谋杀案,在各种巧合以及旁观者的不作为之下,最终得以实施。应对全球变暖,人类可能面对类似的道德困境,每个人都在看着这场 “谋杀” 一步步迫近,却不愿做出改变。
 
撰文 | 汪亚(中国科学院大气物理研究所)
 
责编 | 冯灏
 
2021年8月,IPCC第六次评估报告《自然科学基础》发布,这是科学共同体在现有的认识范围内对于气候变化最全面而有力的呈现。然而,尽管IPCC已持续发声三十余年,但全球公众对于气候变化的事实、因果仍有诸多质疑。
 
在很大程度上,公众的质疑是由于对科学共同体如何研究气候变化缺乏了解。要知道,IPCC强而有力的结论并非空中楼阁,而是基于一场伴随着无数质疑的科学接力。
 
本文旨在分享有关气候变化科学探索的历史——那些基本物理理论的构建、观测数据的积累、数值模拟的推演……以及,所有科学结论背后,气候学家们的探索、荣光与无奈。
 
1 出人意料的诺贝尔和平奖
 
气候学家约翰·霍顿(Houghton)也许不会想到,自己曾长期担任联合主席的科学组织——联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)——有一天会派代表赴挪威奥斯陆,领取诺贝尔和平奖奖章。
 
2007年,因 “在构建及传播人为气候变化知识上所付出的努力,以及在制定应对此类天气的措施方面奠定基础” [1],IPCC和美国政治家阿尔·戈尔(Gore)共同获得诺贝尔和平奖。
 
戈尔在担任美国副总统时,积极推动时任美国总统克林顿签署人类历史上第一个具有法律约束力的减排文件《京都协议书》,而其制作并出演的气候纪录片《难以忽视的真相》,在不少国家引起巨大反响。[2]
 
与戈尔的单枪匹马不同,IPCC是一个有着四千多名共同作者、评审专家、组织人员的科学机构。
 
该机构的核心——全球范围内的顶尖科学家们,负责评审和评估海量的气候变化研究,形成一份关于气候变化的 “自然科学基础” “影响、适应和脆弱性” 以及 “减缓措施” 的庞大报告。
 
在奥斯陆,诺奖委员会说:IPCC让越来越多的人共同认识到人类活动和全球变暖之间的关联,“20世纪80年代,全球变暖似乎只是一个有趣的假设,而20世纪90年代,IPCC的一系列科学报告则提供了更为有力的证据支持” [3]。
 
这一年,距第一次IPCC报告发布,已过去整整18年 [4],而霍顿等科学家们也已向人类社会呐喊、预警多年——气候变化会改变并威胁地球上绝大多数人的生活,加剧资源竞争,激化国家内部和国家之间的矛盾,造成更多的暴力冲突甚至战争。他们的依据,来自于科学共同体在气象观测、物理机制、模式模拟等方面所做的巨大努力。
 
追溯这一历史,时针可以拨回到19世纪早期。
 
2 全球变暖归因研究:长达两百年的科学接力
 
1820年,通过计算和思想实验,法国数学家约瑟夫·傅里叶(Joseph Fourier)提出,太阳光能穿过地球大气,但红外辐射不能 [5-6],这一工作被广泛认为最早提出 “温室效应” 的概念。今天来看,傅里叶的结论很粗糙,计算也存在诸多错漏,比如,他假设太空温度应大致相当于北极夜间温度(200开尔文),这使他大大高估了太空辐射对地球温度的影响。此外,尽管他曾试图计算,但傅里叶并没有得出在没有大气情况下的地球温度。
 
很大程度上,傅里叶对大气作用的理解依赖于某种直觉。在他看来,大气就像一种单面镜,可见光可以透过,但红外辐射无法射出。但是,对其研究成果的过分苛求并不恰当。在热力学的草创年代,傅里叶的科学探索难能可贵。更重要的是,他以一个物理学家的卓越眼光,将行星温度估计、大气辐射效应等关键问题带入了主流科学界的视野。
 
三十年后,受傅里叶等人工作的启发,爱尔兰物理学家约翰·丁达尔(John Tyndall)开始关注这一问题,并成功测量了空气中不同成分吸收的红外辐射热量 [7]。通过一套复杂精巧的试验装置,丁达尔测量出大气的主要成分(如氧气、氮气)对红外辐射的吸收极弱,而水蒸气、二氧化碳等能够大量吸收红外辐射 [8]。
丁达尔用来测量大气主要成分辐射效应的仪器 | 图源:文献[8]
 
至此,温室效应的物理理论基础已经坚实。而工业革命以来二氧化碳上升,让先见者意识到,全球温度可能持续升高。
 
比如英国蒸汽工程师盖伊·卡伦德(Callendar),他利用业余时间收集了19世纪以来的温度观测数据,挖掘和评估其时的二氧化碳浓度测量值,得出结论,1900年至1936年,二氧化碳浓度增加了6%。1938年,卡伦德断言,二氧化碳上升可以解释观测到的变暖现象。[9]
卡伦德文章中的温度序列(相对于气候平均状态的差值),做十年滑动平均处理 | 图源:文献[9]
 
而在大洋彼岸,美国科学家查尔斯·大卫·基林(Keeling)于1950年代开发出了第一台可靠测量大气二氧化碳浓度的科学仪器,并在夏威夷的莫纳罗亚建起观测站,对二氧化碳浓度数据进行持续监测 [10]。日后,这一测站以世界上时间最长的大气二氧化碳连续记录,有利地论证了地球二氧化碳浓度的快速增加。
基林曲线,横轴为时间,纵轴为二氧化碳累计浓度 | 图源:美国Scripps海洋研究所
 
3 从未消失的质疑
 
百年以来,基林们的观测不断被证实——随着二氧化碳浓度持续增加,全球平均温度已上升1摄氏度。但自上世纪40年代开始,也就是卡伦德断言全球增暖趋势的几年之后,全球平均温度曾经历过一段下降期。1961年,美国气象学家小约翰·默里·米切尔(John Murray Mitchell Jr)发文,指出1940年以来,全球温度不仅未升,反而有所下降 [11],这种 “全球变冷” 的论调直到70年代仍大有市场 [12],也使卡伦德等人全球升温的结论备受质疑。
米切尔文中的全球平均温度时间序列,横轴为时间,纵轴为温度变化 | 图源:文献[11]
 
以今观之,上世纪40年代到70年代的温度波动,只不过是变暖大势中的小插曲。但和卡伦德一样,气候学家的工作总是和质疑相伴,其中,最为公众熟知的就是2009年底的 “气候门事件”。在《京都协议书》缔约大会的几个星期以前,黑客入侵了英国东英吉利大学气候研究中心的服务器,并将该校气候学者的一千多封电子邮件和数据文件公开,指责这些科学家涉嫌伪造和扭曲数据,刻意夸大全球变暖 [13]。
 
一时,全球舆论汹汹。
 
为平息质疑,多家科学机构进行了独立调查,并发声认为这一指控不实 [14]。与此同时,“气候门” 对科学界产生了深远的影响,直接促使物理学家理查德·穆勒(Muller)等人推行伯克利地面温度(Berkeley Earth Surface Temperature,BEST)计划,希望利用更多的测站资料、更长的观测时段,“基于数据分析的透明方法” 独立验证,最终得到了和英国东英吉利大学几乎一致的结果。
不同国际机构数据集给出的1850-2020年全球平均地表温度变化 | 图源:Berkeley Earth 2020年全球气温报告
 
通过两百年来的物理基础、百年来的观测资料,科学家们得出明确结论,二氧化碳会导致全球平均温度的持续上升。但是,全球平均温度的变化,多大程度上可以归因于人类活动?
 
气候研究的时空尺度和研究对象,决定了它无法使用实验室的对照实验对理论进行验证。然而,数值模式的发展,使得气候学家可以回答这一问题。
 
4 数值模式的寂静革命:从新生到成为气候研究的新范式
 
得益于经典物理学、计算数学、计算机和大气动力学的逐步发展和持续积累,自上世纪50年代以来,数值模式如同经历了一场寂静的革命,已发展成为现代气候学最重要的研究工具,也是所有物理科学中影响最大的领域之一 [15]。
 
早在二十世纪初,气象学家皮耶克尼斯(Bjerknes)就提出,物理学定律可用于预报天气。纳维斯托克斯方程、质量连续性方程、热力学第一定律和理想气体方程共同构成大气预报方程,对这些偏微分方程进行数值求解,就可以预测未来的天气。但由于当时既没有足够的算力(计算机),也缺乏足够的观测资料,更重要的是,大气在大尺度层面的运动尚未构建出完整的理论,数值预报的早期尝试均以失败告终。
局地直角坐标系下大气运动的基本方程组 | 图源:TED Institute
 
直到一位叫朱尔·查尼(Jule G. Charney)的年轻人横空出世。
 
在完成他那篇著名的关于斜压不稳定的博士论文 [16] 之后,在芝加哥气象学派创始人罗斯贝(Carl-Gustaf Rossby)的介绍下,查尼赴普林斯顿高研院参加冯·诺依曼( John von Neumann)组织的会议,讨论如何利用电子计算机来预报天气。这次会议具体讨论了些什么已不得而知,但其最大的意义,或许在于让查尼和冯·诺依曼相识。
 
查尼意识到,冯·诺依曼对物理问题有很好的品味和热情,而一个关于大气大尺度运动的合理理论一定会在普林斯顿大受欢迎,且极有可能会被用于新生的电子计算机中预报天气。这让查尼无比兴奋。回到芝加哥后,他迫不及待地给冯·诺依曼写信,表达想去普林斯顿开展研究的愿望。但这封信一直没有寄出 [17]。
 
时机尚未成熟。
 
早在20世纪20年代,查尼的前辈、理论气象学家理查德森(Lewis Fry Richardson)就曾尝试利用物理方程进行预报,但以失败告终。这很大程度上是由于高频波动如声波、重力波等的干扰 [17]。如果想要发展一套理论在计算机上进行天气预报,就必须要解决这一问题。
 
但其实并没有花太久,查尼就解决了这个问题。1947年,在写给汤普森(Thompson)的信中,查尼提到了这一后来被称为 “准地转理论” 的工作,它可以很好地描述大气大尺度运动,避免高频波的干扰。
 
时机已经成熟。1948年,冯·诺依曼邀请查尼领导其计算机项目的气象小组。他的进展非常快,很快完成了基于线性方程的预报。查尼和诺依曼兴奋不已,准备使用非线性方程正式进行预报。为此,诺依曼还特地向军方申请到了ENIAC计算机的使用权 [17]。
 
1950年4月,第一个基于非线性方程的预报在ENIAC计算机正式运行。查尼等人全天候待命,但由于ENIAC的故障,这一次24小时的预报,花费还是超过了24小时。好在结果很理想,查尼很快将其在杂志上发表,并将之寄给理查德森,这位在几十年前就曾尝试利用数学物理方程进行天气预报的先驱。这也让理查德森非常兴奋,他承认,这一结果相对于自己几十年前的预测,是科学上巨大的进步 [17]。
1950年查尼小组开展了人类历史上首次成功的数值天气预报,最右为查尼,左二为冯诺依曼 | 图源:加州理工学院数学与统计学院
 
自此,无数气象学家、计算流体力学家前赴后继地投入数值模式的发展中来,致力于以更完备的方程、更好的数值方案,更准确地对天气、气候状况进行预报、预测、预估。而当时间进入70年代,随着气候问题越来越得到关注,气象学家意识到,全球的大气环流模式对于全球变暖的归因至关重要。
 
同样在普林斯顿,二十多年后,美国地球物理流体动力学实验室(GFDL)的大气动力学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)发展了一个理想海陆分布下垫面的三维大气环流模式,并模拟了二氧化碳加倍情景下气候状况的变化。根据他的模拟,二氧化碳若增加一倍(300ppm加至600ppm),全球平均温度将上升2.93摄氏度 [18]。
 
这一结论为日后的IPCC第一次评估报告提供了重要论据。1988年,霍顿作为主要作者,组织全球科学家编写第一次的IPCC报告。而就在此前一年,因对袭击英国南部的台风预报不佳,群情愤怒,《太阳报》的读者蜂拥投票,要求开除时任英国气象局长霍顿。晚年记忆模糊的霍顿,对此仍然印象深刻 [19]。预报不准,是所有预报员的噩梦。
真锅淑郎用于大气环流模式计算的Univac 1108计算机 | 图源:文献[6]
 
根据IPCC第一次评估报告,当二氧化碳浓度相较于工业革命前增加一倍,全球平均温度将上升1.5-4摄氏度 [13]。这里1.5-4的置信区间,是由于不同模式之间存在的差异。而差异可能来自于对方程进行时空离散化的方案(动力框架)的不同,也可能来自于对不可解析过程参数化的差异,还可能来自于不同的辐射强迫等。如果模式足够多,且相对独立,那么就能更好地对不同模式进行分析和比对,同时多模式平均还可以消除单个模式偏差。
 
在这种背景下,“模式比对计划” 应运而生。
IPCC第一次报告引用的数值模式,中国采用的模式来自于中国科学院大气物理研究所 | 图源:文献[20]
 
1995年,世界气候研究计划(WCRP)推出第一次国际耦合模式比较计划CMIP1,该计划致力于气候模式性能评估、对气候进行历史模拟和未来预估。二十多年来,CMIP与IPCC相辅相成、互相推动,取得了巨大发展。CMIP1仅有10个模式参与,而到CMIP6,已有来自全球33个单位的100个以上的模式参与 [21]。
 
毫无疑问,对于全球温升的模拟和归因,CMIP是成功的。
 
我们知道,地球气候状况受气候系统自身非线性过程(如厄尔尼诺,太平洋年代际振荡;一般称为内部变率)和外部因子(外部强迫)的共同影响。而外部因子又分为自然强迫和人为强迫,自然强迫也就是自然产生的,如火山爆发、太阳黑子变化等;人为强迫由人类活动引起,如人为温室气体排放、人为气溶胶排放等。
 
海气耦合模式以及后来的地球系统模式的历史模拟,对主要的强迫因子,如温室气体、火山活动、太阳黑子变化、气溶胶等等因素通盘加以考虑。这些因子通过辐射效应等参与模型中的物理过程,随着物理数值模型不断向前积分,最终,可以得到某种分辨率(取决于具体模型)的地球三维空间的巨量时空场数据。
 
对其中的温度数据求取全球平均数,就得到全球平均温度序列;而如果在一开始,将各个影响因子分离,做单一因子强迫的实验,再如法炮制,就可以分别得到温室气体、气溶胶等因子各自影响下的全球温度序列。
全球平均地表温度时间异常(相对于平均状态态的差)序列。黑色线为观测值,红色、蓝色粗实线分别为CMIP5和CMIP3的多模式平均,蓝色和黄色细线分别为CMIP3和CMIP5的各个模式结果。上图为两次比较计划CMIP3和CMIP5自然强迫(包括火山、太阳黑子等)实验的温度序列;下图为同时考虑自然强迫和人为强迫(人为排放的温室气体和气溶胶等)的序列 | 图源:文献[22]
 
从上图不难看出,仅考虑火山、太阳黑子等自然因子的变化(上图上部分),无法复现观测的温升现象。而考虑人类活动后(上图下部分),所有模式全球平均温度序列(蓝色、黄色细实线)的趋势均与观测(黑色线)一致。而不同模式的平均(蓝色、红色粗实线),减少了单个模式的偏差,可以非常好地复现观测到的温度序列,无论是趋势,还是量级。这种接近不是偶然,尽管还存在或多或少的偏差(如对云的模拟),但目前的模式对于地球气候系统物理过程的描述已有相当的精度。
 
此外,对全球温度趋势的模拟,不光在时间趋势,在空间分布上同样非常一致。
1951–2010观测到的增暖趋势(黑色)及各因子的贡献。不同的外部因子的效应,具体而言,温室气体强迫表现为温升效应(GHG;绿色箱线),而主要成分是气溶胶的其他人为强迫主要表现为降温效应(OA;黄色箱线),自然强迫在长时间尺度上影响较小(NAT;蓝色线)。不同的模式之间在具体的数值上存在一定差异,但结论基本一致 | 图源:文献[22]
 
几乎所有的模型都表明,近百年来的全球平均温度上升主要归因于人类排放的温室气体。换言之,人类排放温室气体导致全球升温这一因果关系,在所有数值模式中都能得到验证。如果不考虑人为排放的温室气体的作用,就无法解释近百年来观测到的增暖现象。
 
正如IPCC第五次评估报告所言,人类活动非常有可能(extremely likely)主导了1951-2010年来的全球平均温度上升。这里的 “非常有可能”,并非虚指,而是被量化的。世界各国几十个模式的比对表明,人类活动主导全球温升的概率是95%~100% [22]。
 
2021年,IPCC第六次报告《自然科学基础》发布。报告引用了14000多篇论文,共有来自66个国家的234位作者参与。这次的报告再次确认了人类活动与全球温升之间的因果关系。同时,估计二氧化碳浓度加倍(相较于工业革命前),全球平均温度将上升2.5~4摄氏度,不确定性范围被进一步缩小。
 
但是,与几十年前真锅淑郎2.93摄氏度的结果相比,其实并未相差太多。这也让许多科学家开始怀疑,如此不厌其烦地重复已知的结论到底还有没有必要 [23]?
 
1996年,因成功解释氯氟碳化合物(CFCs)破坏地球臭氧层的机理而获诺贝尔奖的大气化学家舍伍德-罗兰(Sherwood Rowland)曾经说到:如果我们愿意做的就是坐以待毙,那科学家不断发展更精准的模式预测有什么意义 [23]?
 
而今天,面对全球变暖,这句话仍然适用。
 
对于人类活动和全球变暖的因果关系,霍顿们已经讲了三十多年,质疑仍然如影随形,行动仍然迟缓。全球变暖的原因和后果,几十年前就已被预警。但是,就像一桩事先张扬的 “谋杀案”,人类眼睁睁看着这场灾难,一步步临近眼前。
 
就在IPCC第六次报告编写期间,因一场和全球变暖一样的全球性灾难——新冠疫情,霍顿——这位人类的乌鸦和花拉子模信使,离开了这个日益燥热的世界。
 
他的孙女回忆到:“终其一生,掮客和资本始终在干扰他的工作,质疑他的动机,企图分散公众对证据的注意。但是,我对他另一份恒久的记忆,是他毕生服务于上帝,服务于他深爱的这个世界的深切信念。” [19]
 
陈昱同、唐颢苏、顾乐天对本文亦有贡献。
 
参考资料
 
1.https://www.nobelprize.org/prizes/peace/2007/summary/
 
2.https://en.wikipedia.org/wiki/2007_Nobel_Peace_Prize
 
3.https://www.nobelprize.org/prizes/peace/2007/summary/
 
4.https://www.ipcc.ch/report/ar1/syr/
 
5.Fourier, J.-B. F. (1827) On the temperatures of the terrestrial sphere and interplanetary space. Mémoires de l’Académie Royale des Sciences 7: 569-604.
 
6.Archer D, Pierrehumbert R. The warming papers: the scientific foundation for the climate change forecast [M]. Oxford: Wiley-Blackwell, 2011
 
7.https://en.wikipedia.org/wiki/John_Tyndall
 
8.Tyndall J. On the absorption and radiation heat by gases and vapours, and on the physical connexion of radiation, absorption, and conduction [J]. Philosophical Magazine, 1861, 4 (22): 169J194, 273J285 [G]
 
9.Callendar, G.S. (1938), The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature. Q.J.R. Meteorol. Soc., 64: 223-240. https://doi.org/10.1002/qj.49706427503
 
10.https://earthobservatory.nasa.gov/images/5620/the-keeling-curve
 
11.Mitchell Jr, J. M., 1961, Recent secular changes of global temperature: Annals of the New York Academy of Sciences, v. 95, no. 1, p. 235-250.
 
12.http://climate-action.engin.umich.edu/figures/Rood_Climate_Change_AOSS480_Documents/climate/aerosol.htm#L_M031
 
13.王绍武等. 2013. 全球变暖的科学. 北京: 气象出版社,2013. 10
 
14.https://www.aaas.org/resources/aaas-reaffirms-statement-climate-change
 
15.Bauer, P., Thorpe, A. & Brunet, G. The quiet revolution of numerical weather prediction. Nature 525, 47–55 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14956
 
16.https://archivesspace.mit.edu/repositories/2/resources/718
 
17.Phillips. 1995. Jule Gregory Charney. Washington D.C. National Academies Press.
 
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19.https://www.washingtonpost.com/local/obituaries/john-houghton-renowned-climate-scientist-who-led-ipcc-reports-dies-of-coronavirus-at-88/2020/04/20/c6b6819c-81ab-11ea-a3ee-13e1ae0a3571_story.html
 
20.周天军, 邹立维, 吴波,等. 中国地球气候系统模式研究进展:C MIP计划实施近20年回顾[J]. 气象学报, 72(5):16.
 
21.Eyring, V., Bony, S., Meehl, G. A., Senior, C. A., Stevens, B., Stouffer, R. J., and Taylor, K. E.: Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization, Geosci. Model Dev., 9, 1937-1958, doi:10.5194/gmd-9-1937-2016, 2016
 
22.Bindoff, N.L., P.A. Stott, K.M. AchutaRao, M.R. Allen, N. Gillett, D. Gutzler, K. Hansingo, G. Hegerl, Y. Hu, S. Jain, I.I.Mokhov, J. Overland, J. Perlwitz, R. Sebbari and X. Zhang, 2013: Detection and Attribution of Climate Change: from Global to Regional. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
 
23.https://cosmosmagazine.com/earth/climate/new-ipcc-report-global-climate-change-warning/
 
文章来源于赛先生



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