吳其岡：人類活動和全球增暖

【編者按】自上世紀90年代以來，有關(guān)全球變暖的爭論愈演愈烈，至今已經(jīng)成為一個重要的政治與生態(tài)話題?！皬?fù)旦通識”組織“全球變暖”系列，邀請不同高校相關(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際政治和社會輿論的重大公共議題，進行不同角度的觀察與討論，思考“人類命運共同體”將如何面對這一可能即將席卷全球的危機。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《人類活動和全球增暖》。

全球增暖是當(dāng)今地球科學(xué)的熱門研究領(lǐng)域，也是國際社會爭論較多的熱門話題。自工業(yè)化時代以來，人類活動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遠超出了過去80萬年自然變化的范圍，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去1300年內(nèi)最溫暖的時候。本文主要根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（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估報告結(jié)論，描述過去百年全球變暖的觀測事實，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)問題。

圖1. （a）：觀測到的全球年平均溫度針對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擬合;（b）利用觀測溫度記錄估算的1900-2019年線性全球溫度趨勢圖（黑點表示在95%置信度下，觀測格點溫度趨勢顯著）。

地球系統(tǒng)顯著暖化

自1850年以來，根據(jù)全球平均地表溫度的儀器觀測測資料，2015-2019年是有記錄以來最熱的五年，最近120年（1900年-2019年）的溫度線性趨勢為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達每十年0.194°C，遠大于1900-2019、1950-2019時間段每十年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。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的主要原因。自1900年以來，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年以來增加到每十年3.6厘米。以上觀測記錄表明地球系統(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。太陽為地球的氣候提供動力，在白天每一秒鐘內(nèi)，到達面向太陽的地球大氣頂層表面的能量為每平方米1360瓦特（W）（稱為太陽常數(shù)），而均攤到整個地球，每秒鐘內(nèi)到達每平方米表面的能量只有太陽常數(shù)的四分之一（約340W，圖2），到達大氣頂層的太陽光中約有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輻射能量，地球本身也必須向太空輻射出長波輻射（398W）。大氣中含量最高的氣體氮氣和氧氣對太陽短波輻射和長波輻射幾乎沒有任何影響，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波熱輻射，提高大氣溫度，同時這些溫室氣體也各個方向發(fā)射長波輻射，其中向地球表面發(fā)射長波輻射約為342W。因此，由于溫室氣體存在，地球失去的長波輻射（56W）遠小于地表發(fā)射的長波輻射（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波輻射之和），通過潛熱和感熱的能量形式被釋放給大氣104W，大約有1W的熱量存儲在海洋中，加熱海溫。有云的夜晚往往比無云的夜晚要溫暖，因為云有溫室效應(yīng)，向地表輻射長波能量。假如移去地球大氣中所有溫室氣體，地面接收的太陽輻射和發(fā)射的長波輻射處于平衡，這時地球表面的平均溫度大約是-19°C，比地表觀測溫度（14°C）低33°C，屆時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)遠比地球強得多，表面平均溫度達730°C。

圖3a. 南極冰芯反演的過去的80萬年里CO2濃度（百萬分率，ppm），CO2濃度的極大和極小值分別對應(yīng)間冰期和冰期。

圖3b. 1958-2019年美國夏威夷溫室氣體監(jiān)測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

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

自工業(yè)化時代以來，人類活動大幅增加CO2等溫室氣體排放，大氣中CO2的增長率為海洋吸收率的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)遠遠超過了過去80萬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的太陽短波輻射，太陽常數(shù)必須增加18W （從1360增加到1378W），約1.30%才能達到這個效果，而這遠大于1750年以來太陽常數(shù)波動范圍（大約2W，0.15%的太陽常數(shù)）。根據(jù)IPCC第四及第五次氣候變化評估報告結(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的。

火山活動也是影響全球溫度的重要因子，爆發(fā)性火山噴發(fā)有時會從高空向大氣中噴射出大量的塵埃和硫酸鹽氣溶膠，增加大氣對太陽輻射的反照率，對地表溫度有一定的降溫作用。在20世紀初期，全球平均溫度上升（圖1），在這段時間里溫室氣體的濃度上升較慢，太陽常數(shù)有所增加，火山活動規(guī)模較小，火山和太陽活動對1900-1950年全球增溫大約有一定貢獻。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對太陽輻射的反射，減少地面吸收的太陽輻射，人為氣溶膠增加是這段時間全球平均溫度變冷（圖1）的主要原因。自1980后溫室氣體增加遠超過火山活動和人為氣溶膠增加的降溫作用，全球觀測溫度呈現(xiàn)快速變暖特征。

氣候系統(tǒng)存在多種正反饋機制，能進一步增強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)進入大氣層，大氣溫度每增加1°C，飽和絕對水汽增加約7%。水汽是最強的溫室氣體，在地面到5公里之間，其對長波輻射的吸收率遠大于其他溫室氣體，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)進入大氣層，產(chǎn)生更強的增溫，從而構(gòu)成一個正反饋的過程，稱為水汽正反饋，其對溫室氣體增加導(dǎo)致的全球平均溫度增暖幅度放大約一倍。

冰雪對太陽輻射的反照率（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，冰和雪開始融化，暴露出來的較深色的地面和洋面有利于吸收更多的太陽熱量，地表溫度進一步升高，進而又造成更多的雪冰融化，溫度再進一步升高，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，這也是因為北冰洋的海冰和周邊的雪蓋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

過去80萬年古氣候變化具有大約10萬年周期的冰期-間冰期旋回特征，距今1.15萬年至今是間冰期，大約12.5，24，32.5和41.5萬年前均為間冰期（圖3）。間冰期有時可能比現(xiàn)代高2-4°C，而冰期則最低可能比現(xiàn)在低8°C，這樣的溫度振幅遠超過目前觀測溫度變化幅度。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輻射減少到極低值，冬季下雪在夏季融化很少，雪累積越來越多，在冰雪反照率正反饋作用下，這使冬季降雪持續(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輻射的時間段，引起冰川的快速消失和極冰退縮，全球溫度升高。

結(jié)束語

工業(yè)化時代以來燃燒化石燃料和毀林等人來活動，大大地加強了自然溫室效應(yīng)，主導(dǎo)了全球變暖，而太陽和地球軌道因素影響很小。目前CO2排放加速，同時CO2會在大氣中滯留時間可以超過50年，按照目前的升溫速率，全球平均溫度將會在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人的生活質(zhì)量，各國政府需要強有力的國際合作，采取行動減少溫室氣體排放，增強對氣候變化的應(yīng)對能力。