溫室效應會使地球溫度上升多高？

工業化革命以來，人為溫室氣體排放所導致的全球氣候變暖越來越受到重視。21世紀地球溫升水平是當下各界關注的焦點。

人們不禁要問，未來幾十至幾百年人類活動影響下的氣候將如何變化，特別是地球溫度會升高多少？這個問題取決於氣候系統——包括大氣、海洋、冰雪、陸地和生態系統——對我們排放到大氣中的溫室氣體的敏感程度。這個程度一般用「平衡氣候敏感度」，簡稱「氣候敏感度」來度量，具體是指在雙倍於工業革命前CO2濃度下(這一情況預計會在21世紀內發生)，氣候系統充分響應之後達到新的平衡態時，地表升溫的幅度。

《科學通報》第7期特邀中國科學院大氣物理研究所姜大膀研究員撰寫「溫室效應會使地球溫度上升多高?——關於平衡氣候敏感度」一文，對其進行解讀, 以期加深公眾和科學界的理解。

姜大膀，中國科學院大氣物理研究所研究員，中國科學院大學崗位教授，主要從事氣候變化和氣候動力學研究工作；曾獲中國科學院首屆盧嘉錫青年人才獎、劉東生青年地球科學家獎、國家自然科學獎二等獎(第四完成人）；國家傑出青年科學基金獲得者。

地球溫度(地表2m氣溫)決定於地表能量收支，地氣系統通過接收太陽短波輻射和向外太空射出長波輻射來維持自身的能量平衡。其中，大氣中的某些微量氣體，例如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)和水汽(H2O)，對太陽短波輻射幾乎透明，但卻能吸收地面發出的長波輻射，這使得地表向上發射的大量長波輻射被截留在地氣系統中，從而對地球起保溫作用，即溫室效應，這些氣體被稱為溫室氣體。

在過去幾千年，全球平均溫度變化總體很小，地氣系統處於准輻射平衡狀態；但從最近100年的觀測來看，氣候系統變暖毋庸置疑。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告，人類活動導致1950~2010年一半以上的全球氣候變暖(概率大於95%)。由於人類活動過程中的化石燃料使用，大氣中CO2濃度已經從1750年的278ppm增長到2014年的398ppm；冰芯記錄中當下的大氣CO2，CH4和N2O濃度是過去80萬年以來最高的，過去百年溫室氣體濃度增速達到了過去2.2萬年以來前所未有的水平。這些人為增加的溫室氣體引起了正輻射強迫，導致氣候系統正在不斷地、加速地偏離當下CO2條件下的氣候平衡態。根據觀測，1880~2012年全球平均溫度升高了0.85(0.65~1.06)℃；在北半球，1983~2012年可能是過去1400年來最暖的30年；2014年全球溫度再創新高，成為有儀器記錄以來最暖的一年。

在過去幾十年里，學者們對氣候敏感度的認識一直比較模糊。一方面認為氣候系統可能非常敏感，對一些諸如溫室氣體、火山爆發和太陽輻射變化等強迫因子的響應相當大；另一方面又認為氣候系統可能是相對遲鈍的，即便驅動全球變暖的因素很強，也只能造成溫度很小幅度的上升。氣候敏感度問題的關鍵難點在於我們無法針對真實的自然界來設計科學實驗，進而客觀評估它對氣候強迫因子的響應。

半個世紀以前，大氣原始方程組被用於建立數值模式，模擬了大氣運動及其演化，標誌著對氣候系統進行模擬試驗的開始。1979年，大氣環流模式與混合層海洋模式相耦合，模擬得到在大氣CO2濃度加倍後，全球平均溫度上升1.5~4.5℃。之後的數值試驗採用了更加複雜的模式，比如考慮雲變化、給定海洋熱輸送、提高解析度等，但依然使用混合層海洋模式，得到的氣候敏感度仍在上述範圍之內。

21世紀，高性能計算機得到快速發展，國際耦合模式比較計劃第五階段(CMIP5)的最新模式包含了大氣、海洋、陸面、海冰、氣溶膠、碳循環等多個子模塊，動態植被和大氣化學過程也被耦合其中，早期的大氣環流模式發展成了當下的氣候系統模式和地球系統模式。科研人員試圖使用這些更複雜、更逼真的模式來確定氣候敏感度，至少期望從一端上縮小它的界限。然而模擬數值各有不同。大多數模式落在1.5~4.5℃內，一些模式則超過了這個範圍的上界，多模式的平均值為3.2℃。現在的問題是，因為每個模式在模擬真實氣候的過程中都進行了大量簡化並採用了不同的參數化方案，所以相應的敏感度不可避免地有自己的不確定性，一些模式的升溫大大超過4.5℃，這就需要對各個模式的模擬能力進行系統評估才能有效計算敏感度的權重平均值。先前，也有學者採用單個模式，通過變換模式中諸如雲和氣溶膠的有關參數來開展敏感性試驗，得到2.4~5.4℃的增溫範圍，最可能值為3.2℃，但是這個模式依然要面對可信度這一問題。另一方面，雲的反饋依然是模式不確定性的最大來源。雲與氣候的相互作用非常複雜，雲量、雲高、雲粒子大小和雲相態的改變都影響大氣層頂的輻射通量。一種雲屬性的改變可能同時存在正負兩種反饋效應。比如雲量減少，一方面會導致射出長波輻射增多，減小大氣層頂的輻射強迫，造成負反饋；另一方面會增加入射短波輻射，輻射強迫增大，造成正反饋。不同雲高度的輻射特性也不同，低雲以反射太陽短波輻射為主，造成負反饋；而高雲因為雲頂的極低溫度使得射出長波輻射少，造成正反饋； 正負兩種反饋相消，凈反饋的大小很難確定。缺乏對雲過程的深入認識和統一的參數化方案也使得模式之間、模式與觀測之間存在很大差異。更何況還可能有其他未知的影響氣候系統的關鍵因素仍未被發現並包含在模式之中。

正如前面提到的，無論是早期的大氣環流模式還是最新的地球系統模式，都是對真實世界這個非線性複雜系統的簡化式程序性表達，各個氣候要素、各種尺度的氣候系統和各圈層內部及其之間複雜的相互作用、反饋機制是模式難以完全準確表述和計算的。簡言之，建立在物理、化學和生物等學科基本規律和定律基礎之上的模式有其內在的科學合理性，但現階段科學認知的水平決定了它還存在著一定的不確定性。古氣候學者試圖從地質歷史時期的氣候變化著手，分析過去的氣候是如何對溫室氣體和火山活動等影響強迫因子進行響應的。當然，過去氣候中不曾出現過我們如今面對的如此之高的溫室氣體濃度和快速全球變暖的場景；而且，估算末次冰期遺留下來的記錄在冰川深處的CO2含量，或者估算菲律賓皮納圖博火山噴發出的火山灰遮擋了多少太陽輻射，也難免會有誤差。根據過去氣候變化的綜合研究，平衡氣候敏感度也在1.5~4.5℃這個範圍內，最可能的值也在3℃附近。

目前，無論是古氣候代用資料、歷史儀器測量數據還是多模式多樣本模擬，都無法縮小平衡氣候敏感度的不確定性範圍。有學者稱，這個區間的下限不會低於1.5℃是相對可以肯定的，但對上限的說法則存有爭議，因為氣候敏感度越大，不確定性可能越大。根據20世紀觀測到的數據，並估算自然和人為造成的氣候強迫，平衡氣候敏感度有30%的可能性會超過4.5℃，在擾動參數的敏感性試驗中最極端的情況高達9℃。需要指出的是，氣候模式至今還無法合理模擬出極端地質暖期氣候，這意味著有關鍵的要素或環節被遺漏了。最近，IPCC第五次評估報告建議的平衡氣候敏感度是1.5~4.5℃，認為極不可能(概率為0~5%)低於1℃，非常不可能(概率為0~10%)大於6℃，上述區間與1979年簡單模式所得的數值相同，可見幾十年的科學研究並未縮小它的值域範圍。

氣候學者還有許多工作亟待開展。一方面他們需要在模式中實現更精確的雲和氣溶膠過程，因為這兩部分是目前模式不確定性的最大來源。20~25年前，研究人員說這要花10~15年，可至今仍沒有跡象顯示這個問題可以在不久的將來得到解決。大量增加氣候系統中的其他模塊及其物理過程，研發地球系統模式確實拓展了模式的用途，但這種複雜化並沒有使它比早期簡單的大氣環流模式更好地量化氣候敏感度，反而進一步增加了不確定性的來源途徑。模式發展的重心應該放在如何更好地刻畫那些基本的、關鍵的物理過程(比如雲和氣溶膠、水汽與大氣環流的耦合)和減少它們帶來的不確定性和誤差上。隨著計算機能力的進一步提高，實現模式的精確性是具有現實意義的。另一方面，科研人員也需要獲取更多和更好的古氣候記錄，開展古氣候模擬研究來共同解析自然氣候演化的事實與驅動機制，特別是氣候與CO2之間是如何耦合演化的。最後要說明的是，除非人類社會快速地摒棄或者極大地縮減化石燃料使用，否則未來大氣CO2濃度加倍乃至更高是不可避免的，現有的1.5~4.5℃平衡氣候敏感度範圍有待進一步研究。

來源：科學通報

作者：姜大膀、劉葉一

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