吳其岡：人類活動(dòng)和全球增暖

【編者按】自上世紀(jì)90年代以來(lái)，有關(guān)全球變暖的爭(zhēng)論愈演愈烈，至今已經(jīng)成為一個(gè)重要的政治與生態(tài)話題?！皬?fù)旦通識(shí)”組織“全球變暖”系列，邀請(qǐng)不同高校相關(guān)學(xué)科的教師撰文，從各自的專業(yè)領(lǐng)域與學(xué)術(shù)興趣出發(fā)，圍繞全球變暖這一席卷國(guó)際政治和社會(huì)輿論的重大公共議題，進(jìn)行不同角度的觀察與討論，思考“人類命運(yùn)共同體”將如何面對(duì)這一可能即將席卷全球的危機(jī)。以下是復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系吳其岡教授的文章《人類活動(dòng)和全球增暖》。

全球增暖是當(dāng)今地球科學(xué)的熱門(mén)研究領(lǐng)域，也是國(guó)際社會(huì)爭(zhēng)論較多的熱門(mén)話題。自工業(yè)化時(shí)代以來(lái)，人類活動(dòng)大幅增加二氧化碳等溫室氣體排放，目前溫室氣體的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了過(guò)去80萬(wàn)年自然變化的范圍，全球平均溫度增溫大約1.1°C，1950年后北半球的平均溫度很可能是過(guò)去1300年內(nèi)最溫暖的時(shí)候。本文主要根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）于2007和2013年發(fā)表的第四及第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告結(jié)論，描述過(guò)去百年全球變暖的觀測(cè)事實(shí)，解釋人為溫室氣體增加如何導(dǎo)致全球增暖，幫助非大氣科學(xué)背景的學(xué)生理解有關(guān)全球變暖的科學(xué)問(wèn)題。

圖1. （a）：觀測(cè)到的全球年平均溫度針對(duì)1901-1960年平均的異常變化，及1900-2019、1950-2019和1980-2019年的全球平均溫度的線性趨勢(shì)擬合;（b）利用觀測(cè)溫度記錄估算的1900-2019年線性全球溫度趨勢(shì)圖（黑點(diǎn)表示在95%置信度下，觀測(cè)格點(diǎn)溫度趨勢(shì)顯著）。

地球系統(tǒng)顯著暖化

自1850年以來(lái)，根據(jù)全球平均地表溫度的儀器觀測(cè)測(cè)資料，2015-2019年是有記錄以來(lái)最熱的五年，最近120年（1900年-2019年）的溫度線性趨勢(shì)為1.10°C，全球陸地和海洋溫度普遍升高，在北半球高緯度地區(qū)溫度升幅較大，內(nèi)陸變暖速率比海洋快（圖1）。在1950年后，在大部分陸地地區(qū)發(fā)生冷晝、冷夜和霜凍的頻率已經(jīng)減少，而熱晝，熱夜和夏季熱浪已變得更加頻繁。

1980-2019年間全球平均溫度線性趨勢(shì)達(dá)每十年0.194°C，遠(yuǎn)大于1900-2019、1950-2019時(shí)間段每十年0.092和0.147°C，表明近期全球溫度正在加速上升。全球增溫引起北極海冰，北半球春夏季積雪，南北半球的冰川、冰帽和極地冰蓋呈現(xiàn)顯著融化趨勢(shì)。衛(wèi)星資料顯示，1980年后北極年平均海冰面積以每十年4.8%的速率退縮，夏季九月份海冰退縮率則高達(dá)每十年12.9%，大約50%的夏季海冰已經(jīng)消失。以上冰雪圈的變化，和海洋增溫造成的熱膨脹，是全球海平面呈上升趨勢(shì)的主要原因。自1900年以來(lái)，全球平均海平面上升了約0.16米，1900-1990平均上升速率為每十年1.4厘米，而從2006年以來(lái)增加到每十年3.6厘米。以上觀測(cè)記錄表明地球系統(tǒng)正經(jīng)歷著一次以變暖為主要特征的顯著變化。

圖2. 目前地球年度和全球平均能量平衡估算，和自然溫室氣體效應(yīng)的示意圖（https://www.ipcc.ch/report/ar4）。

溫室效應(yīng)

全球表面的溫度由地表能量平衡決定。太陽(yáng)為地球的氣候提供動(dòng)力，在白天每一秒鐘內(nèi)，到達(dá)面向太陽(yáng)的地球大氣頂層表面的能量為每平方米1360瓦特（W）（稱為太陽(yáng)常數(shù)），而均攤到整個(gè)地球，每秒鐘內(nèi)到達(dá)每平方米表面的能量只有太陽(yáng)常數(shù)的四分之一（約340W，圖2），到達(dá)大氣頂層的太陽(yáng)光中約有30%（100W）被云，氣溶膠和地球表面的冰雪等反射回太空，被地球表面吸收161W。為了平衡被吸收的太陽(yáng)輻射能量，地球本身也必須向太空輻射出長(zhǎng)波輻射（398W）。大氣中含量最高的氣體氮?dú)夂脱鯕鈱?duì)太陽(yáng)短波輻射和長(zhǎng)波輻射幾乎沒(méi)有任何影響，而二氧化碳（CO2），甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等少量氣體，以及云與水汽等可以吸收地表釋放的長(zhǎng)波熱輻射，提高大氣溫度，同時(shí)這些溫室氣體也各個(gè)方向發(fā)射長(zhǎng)波輻射，其中向地球表面發(fā)射長(zhǎng)波輻射約為342W。因此，由于溫室氣體存在，地球失去的長(zhǎng)波輻射（56W）遠(yuǎn)小于地表發(fā)射的長(zhǎng)波輻射（398W），有助于地球表面的溫度升高，就是所謂的自然溫室效應(yīng)。地球表面的凈輻射收支為105W（吸收短波輻射和損失長(zhǎng)波輻射之和），通過(guò)潛熱和感熱的能量形式被釋放給大氣104W，大約有1W的熱量存儲(chǔ)在海洋中，加熱海溫。有云的夜晚往往比無(wú)云的夜晚要溫暖，因?yàn)樵朴袦厥倚?yīng)，向地表輻射長(zhǎng)波能量。假如移去地球大氣中所有溫室氣體，地面接收的太陽(yáng)輻射和發(fā)射的長(zhǎng)波輻射處于平衡，這時(shí)地球表面的平均溫度大約是-19°C，比地表觀測(cè)溫度（14°C）低33°C，屆時(shí)地球不適合人類居住。金星大氣表面95%是CO2，因此金星大氣的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)比地球強(qiáng)得多，表面平均溫度達(dá)730°C。

圖3a. 南極冰芯反演的過(guò)去的80萬(wàn)年里CO2濃度（百萬(wàn)分率，ppm），CO2濃度的極大和極小值分別對(duì)應(yīng)間冰期和冰期。

圖3b. 1958-2019年美國(guó)夏威夷溫室氣體監(jiān)測(cè)CO2濃度變化（https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/）。

人為溫室氣體增加是全球增暖的主要驅(qū)動(dòng)

增加地表溫度可由增加地面接收的太陽(yáng)短波輻射（通過(guò)改變地球軌道或太陽(yáng)本身，或者減少被反射的那部分太陽(yáng)輻射），或者通過(guò)增加溫室氣體濃度，減少地球表明的凈長(zhǎng)波輻射損失。近百年的全球增暖，太陽(yáng)常數(shù)和地球軌道的波動(dòng)很小，主要是人為溫室氣體增加造成的。

自工業(yè)化時(shí)代以來(lái)，人類活動(dòng)大幅增加CO2等溫室氣體排放，大氣中CO2的增長(zhǎng)率為海洋吸收率的2倍，在1750，1980和2020年全球平均CO2含量分別為278， 339和415ppm（1ppm 代表百萬(wàn)分之一），自1750年已經(jīng)上升137ppm （約50%），其中76ppm的漲幅出現(xiàn)于1980 年后，表明CO2排放加速。目前CH4和N2O濃度分別為1875ppb和332ppb （1ppb 代表10億分之一）。以上三類主要溫室氣體含量目前已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了過(guò)去80萬(wàn)年的自然變化的范圍：180-300ppm （CO2）（圖3），330-800ppb（CH4）和200-280ppb（N2O）。 全球CO2濃度的增加主要是由于化石燃料的使用， CH4和N2O濃度主要是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，毀林和化石燃料的使用。和1750年相比，這些主要溫室氣體增加導(dǎo)致大氣層頂向太空外長(zhǎng)波輻射每平方米減少約3.1W。這相當(dāng)于在地球大氣層頂平均多接收了3.1W的太陽(yáng)短波輻射，太陽(yáng)常數(shù)必須增加18W （從1360增加到1378W），約1.30%才能達(dá)到這個(gè)效果，而這遠(yuǎn)大于1750年以來(lái)太陽(yáng)常數(shù)波動(dòng)范圍（大約2W，0.15%的太陽(yáng)常數(shù)）。根據(jù)IPCC第四及第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告結(jié)論，1950年后的全球平均溫度增加主要是溫室氣體增加貢獻(xiàn)的。

火山活動(dòng)也是影響全球溫度的重要因子，爆發(fā)性火山噴發(fā)有時(shí)會(huì)從高空向大氣中噴射出大量的塵埃和硫酸鹽氣溶膠，增加大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的反照率，對(duì)地表溫度有一定的降溫作用。在20世紀(jì)初期，全球平均溫度上升（圖1），在這段時(shí)間里溫室氣體的濃度上升較慢，太陽(yáng)常數(shù)有所增加，火山活動(dòng)規(guī)模較小，火山和太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)1900-1950年全球增溫大約有一定貢獻(xiàn)。在1940-1970年期間，快速的工業(yè)化以及隨后的二戰(zhàn)增加了北半球的污染，大量增加的硫酸鹽氣溶膠增強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)輻射的反射，減少地面吸收的太陽(yáng)輻射，人為氣溶膠增加是這段時(shí)間全球平均溫度變冷（圖1）的主要原因。自1980后溫室氣體增加遠(yuǎn)超過(guò)火山活動(dòng)和人為氣溶膠增加的降溫作用，全球觀測(cè)溫度呈現(xiàn)快速變暖特征。

氣候系統(tǒng)存在多種正反饋機(jī)制，能進(jìn)一步增強(qiáng)溫室氣體的全球增暖溫室效應(yīng)。CO2增加導(dǎo)致地面和大氣溫度增加，更多陸地和海洋的液態(tài)水蒸發(fā)進(jìn)入大氣層，大氣溫度每增加1°C，飽和絕對(duì)水汽增加約7%。水汽是最強(qiáng)的溫室氣體，在地面到5公里之間，其對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收率遠(yuǎn)大于其他溫室氣體，所以水汽的增加將使得地表和大氣溫度升高更多，從而導(dǎo)致更多的液態(tài)水蒸發(fā)進(jìn)入大氣層，產(chǎn)生更強(qiáng)的增溫，從而構(gòu)成一個(gè)正反饋的過(guò)程，稱為水汽正反饋，其對(duì)溫室氣體增加導(dǎo)致的全球平均溫度增暖幅度放大約一倍。

冰雪對(duì)太陽(yáng)輻射的反照率（0.6-0.8）比陸地和洋面（0.1-0.2）大得多，冰和雪覆蓋面積的變化將造成地表接收太陽(yáng)輻射能量的巨大變化。CO2增加導(dǎo)致地面和大氣溫度增加，冰和雪開(kāi)始融化，暴露出來(lái)的較深色的地面和洋面有利于吸收更多的太陽(yáng)熱量，地表溫度進(jìn)一步升高，進(jìn)而又造成更多的雪冰融化，溫度再進(jìn)一步升高，這種反饋循環(huán)被稱為稱為冰雪反照率反饋。以現(xiàn)代氣候變化為例，北極附近的變暖比全球其他地方的變暖幅度大得多，這也是因?yàn)楸北蟮暮１椭苓叺难┥w減少的正反饋在起作用。冰雪反照率反饋放大最初由于溫室氣體的增加而造成的全球平均溫度變暖幅度約10-20%。

古氣候冰期和間冰期輪回的原因

過(guò)去80萬(wàn)年古氣候變化具有大約10萬(wàn)年周期的冰期-間冰期旋回特征，距今1.15萬(wàn)年至今是間冰期，大約12.5，24，32.5和41.5萬(wàn)年前均為間冰期（圖3）。間冰期有時(shí)可能比現(xiàn)代高2-4°C，而冰期則最低可能比現(xiàn)在低8°C，這樣的溫度振幅遠(yuǎn)超過(guò)目前觀測(cè)溫度變化幅度。冰期和間冰期的轉(zhuǎn)化主要由于地球軌道變化導(dǎo)致的，即米蘭科維奇周期或冰期‘軌道’理論解釋，其中冰-雪反照率正反饋起著至關(guān)重要的作用。冰期通常是地球軌道改變后，北半球夏季高緯度地面接收的太陽(yáng)輻射減少到極低值，冬季下雪在夏季融化很少，雪累積越來(lái)越多，在冰雪反照率正反饋?zhàn)饔孟拢@使冬季降雪持續(xù)整年并因此堆積成北半球冰川的冰蓋，造成全球溫度下降。同樣，間冰期是由于軌道變化決定了具有極大的北半球高緯度夏季太陽(yáng)輻射的時(shí)間段，引起冰川的快速消失和極冰退縮，全球溫度升高。

結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)化時(shí)代以來(lái)燃燒化石燃料和毀林等人來(lái)活動(dòng)，大大地加強(qiáng)了自然溫室效應(yīng)，主導(dǎo)了全球變暖，而太陽(yáng)和地球軌道因素影響很小。目前CO2排放加速，同時(shí)CO2會(huì)在大氣中滯留時(shí)間可以超過(guò)50年，按照目前的升溫速率，全球平均溫度將會(huì)在2030-2050年再升高0.4°C。全球快速增暖和海平面上升將影響每個(gè)人的生活質(zhì)量，各國(guó)政府需要強(qiáng)有力的國(guó)際合作，采取行動(dòng)減少溫室氣體排放，增強(qiáng)對(duì)氣候變化的應(yīng)對(duì)能力。