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第 15 讲 气候变化中关键科学 问题释疑（一）. 目录. 全球百年温度变化曲线的可靠性（陆地和海表温度） 自然气候变化与人类活动引起的气候变化的相对重要性分析 气候反馈机制的争议 全球辐射强迫计算的差异和不确定性 气候变暖是人类的福音吗？. 全球百年温度变化曲线的可靠性. 1979-2005 年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。 红线是线性趋势（ 1850-2005 ）。仪器观测头 70 年（ 1850-1919 ）到最近 5 年（ 2001-2005 ）的温度变化为 0.78 ±0.18℃.
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第15讲 气候变化中关键科学 问题释疑（一）
目录 • 全球百年温度变化曲线的可靠性（陆地和海表温度） • 自然气候变化与人类活动引起的气候变化的相对重要性分析 • 气候反馈机制的争议 • 全球辐射强迫计算的差异和不确定性 • 气候变暖是人类的福音吗？
1979-2005年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。1979-2005年地表（上左），对流层（上右）线性全球温度趋势分布。下图是年全球平均温度曲线（点）。 红线是线性趋势（1850-2005）。仪器观测头70年（1850-1919）到最近5年（2001-2005）的温度变化为0.78±0.18℃
过去125年，全球陆地（绿线）和海洋（蓝线）全球平均温度。注意：有2次明显的年代际冷期（1880-1910）与（1945-1975）2次明显暖期（1910-1940）与（1975-1999）。这些冷暖期的爆发与THC/MOC强度有关，但落后10-15年。应该指出，这些年代际冷暖期是叠加在近百年的变暖趋势线上。过去125年，全球陆地（绿线）和海洋（蓝线）全球平均温度。注意：有2次明显的年代际冷期（1880-1910）与（1945-1975）2次明显暖期（1910-1940）与（1975-1999）。这些冷暖期的爆发与THC/MOC强度有关，但落后10-15年。应该指出，这些年代际冷暖期是叠加在近百年的变暖趋势线上。 （Gray，2008）
“全球”温度时间序列。Köppen (1881年)的地区是热带和温带陆地。Callendar（1938）只用全球陆地台站。Willet（1950）只用陆地台站。Callendar（1961）用了60°N~60°S 区间的陆地台站。Mitchell（1963）用全球陆地台站。Bydyko（1969）用北半球陆地和船舶报告。Jones等（1986）用全球陆地台站。Hansen和Lebedeff（1987）用全球陆地台站。Brohan等（2006）用全球陆地气温和海表温度资料。所有时间序列用13点二项式滤波器平滑（IPCC，2007）
WYG曲线 LYT曲线 TR 曲线 TD 曲线 CRU曲线 序列的比较 • 中国近百年温度变化曲线 • 主要比较WYG序列、LYT序列、TR序列、TD序列和CRU序列
20世纪全球平均地表温度。注意：1940-1975的冷期20世纪全球平均地表温度。注意：1940-1975的冷期 最近的温度上升值得怀疑（singer，2008）
美国20世纪温度变化资料处理误差在1940年，导致了1940前的变暖，美国20世纪温度变化资料处理误差在1940年，导致了1940前的变暖， 现在是超过1998年，1930s的北极温度显示比现在有更高的温度这与 太阳活动有关。（Singer，2008）
城市热岛效应 (a)全球天气站数。上部曲线（实线）是计算“平均值”的曲线，下部曲线是提供最高－最低值曲线。 （b）格点区数。实线：提供平均值；虚线：提供“Max-min”值。应有2592个格点，每个格点至少应有一个测站。现从1200降至600个格点数。（Singer，2008） 全球天气站数与格点区数
自然气候变化与人类活动引起的气候变化的相对重要性分析自然气候变化与人类活动引起的气候变化的相对重要性分析
地表，自由大气，海洋的温度观测以及气候系统其它圈层的类似变化都表明过去几十年全球变暖的主要原因是温室气体的强迫作用。地表，自由大气，海洋的温度观测以及气候系统其它圈层的类似变化都表明过去几十年全球变暖的主要原因是温室气体的强迫作用。 • 地表温度观测证据是强有力的：观测到的增暖相对于内部气候变率的计算值要显著得多，后者虽然是据模式得到，但与由仪器观测资料和古气候重建得到的计算值是一致的。 • 古气候证据指出，与早期相比，20世纪的El Nino变率并没有什么异常。古气候资料进一步表明，这样大范围变暖在北半球至少在过去1300年中未曾观测到，这又增强了上述事实，即最近的增暖不是由自然的内部变率造成。 • 除了南极以外的所有各大陆和某些次大陆，都可检测到对人类强迫的响应。气候模式对过去百年实际的气候模拟表明，只有包括人类和自然两种强迫因子时，才能模拟出观测的20世纪全球平均地表增暖。
相对于海洋的能量含量变化，与观测的大范围大气增暖相关联的能量含量是小的，并且比其它圈层如冰冻圈也小。 • 在上半个世纪，冰冻圈的所有部分（冰川，小冰帽，冰盖和海冰）在范围上减少，与人类强迫一致 。 • 更为重要的是，气候系统中最大热量库的海洋热含量也增加，并且增加量比其它圈层大得多。 • 在20世纪后半叶上层海洋的增暖可能是由人类强迫造成，并且海洋增暖随深度的空间分布与由净辐射强迫造成的海洋加热一致，因为增暖由海洋上层向下进行，且在中高纬渗透比低纬更深。这种观测到的海洋加热分布与热量在海表与深海间的热量再分布不一致。
上述证据看来与海洋或大陆是地表的增暖源并不一致。此外，如果不考虑温室气体增加，由观测到的SST强迫所作的模拟不能解释对流层变暖。因而这表明增暖不会起源于海洋。强迫变化的进一步证据是来自冰冻圈的大范围融化，大气中水汽的增加和与强迫变化一致的大气顶大气辐射的变化。 • 气候系统所有各圈层能量含量与不同圈层的分布和振幅的同时增加，以及20世纪后半叶是过去1300年以来最暖的观测事实都指示，全球变暖的原因极不可能只是内部变率的结果。各种不同证据表现出的一致性有力的表明人类活动对近几十年地表观测到的增暖的显著影响。观测到的地表温度和海洋热含量变化率与气候敏感性和净气候强迫的可能范围是一致的。只有以正的强迫才能解释至今观测到的气候系统热含量的巨大增加。
全球变暖是由自然过程造成的吗？ • 太阳活动 • 地球轨道参数变化 • 大西洋温盐环流或径向翻转环流
全球海洋深水传送带要求南半球之海水上翻入斜温层和混合层去平衡THC下沉（H区）即MOC=THC+南极下沉（未给出）（Gray，2008）全球海洋深水传送带要求南半球之海水上翻入斜温层和混合层去平衡THC下沉（H区）即MOC=THC+南极下沉（未给出）（Gray，2008）
Typical Pattern mid1940s to mid1970s Typical Pattern mid1970s to 1999 当THC和MOC强时，全球风场分布。此时南半球冷水上翻比长期平均大。这使 全球温度比平均冷（上图），下图为THC和MOC偏弱时的风场分布。此时南半球冷水上翻减少，全球逐渐变暖。上图可说明1940s中-1999年的暖期（Gray，2009）
过去6亿年的CO2浓度。右侧为现代CO2浓度的倍数。在过去2亿年， CO2明显下降。（Siger，2008）
1880年US极端高温值。1930S是20世纪最暖的10年， 而不是1990年代。（Singer,2008）
对流层上部温度和水汽反馈 • 对流层水汽随高度减少，其量值受到饱和比湿的限制。由于对流层与地表温度差随高度增加，以及越往下大气在强水汽吸收波长近于更不透明，故对流层上部比较低大气层的水汽含量对自然的温室效应（气候变暖引起的反馈）的贡献更为显著。 • 在对流层，由水汽的直接人类源引起的辐射强迫（主要是灌溉作用）可以忽略。而正是对流层水汽对增暖本身的响应（所谓水汽反馈）对气候是重要的，在GCM中水汽产生了最大的正辐射反馈，只依据这种反馈，在响应强迫（GHSs增加）时，可大致使增暖加倍。平流层水汽反馈作用（由CH4氧化形成的水汽）也很重要。这也由热带对流层顶温度变化和深对流变化引起（使上层温度降低）。
水汽和温度递减率的反馈作用 • 长波辐射吸收近于随水汽浓度的对数增加，而C-C方程支配着水汽承载能力（饱和比湿）随温度近于是指数增加。因为对流层和地表温度是密切耦合在一起，如果相对湿度近于保持不变，则上述制约关系预测了大气水汽的增加，并有强的正反馈。递减率对全球变暖的反馈依纬度而有差异，在低纬度，由于对流活动的结果，大气趋于接近湿绝热递减率，在高层产生加强的增暖，结果递减率减小（变稳定），造成负反馈。在中高纬度，低层变暖增强，尤其是冬季，结果使递减率增加（不稳定），并且全球反馈强度取决于经向增暖强度。此外，由于水汽和温度对OLR有补偿作用（相互抵消一部分作用），在RH不变情况下，水汽—递减率的组合反馈作用对递减率变化并不敏感，因而了解决定RH分布和变化的过程对于了解水汽—递减率反馈是中心问题。
在行星边界层，湿度的大小取决于与地表的耦合，从大尺度看RH保持不变的响应并无争议。在中高纬度，GCM水汽反馈的信度也是比较高的，这是因为造成整个对流层大部分湿润化的大尺度涡旋可显式地由模式分辨出来，这使大部分大气保持很潮湿或饱和。但对热带对流层中上层的湿度变化比其它地区的了解要少得多，因而近年来重点是研究热带RH的响应，尤其是对流层上部。实际上这个地区湿度响应的信度是模式中水汽反馈的主要问题。在行星边界层，湿度的大小取决于与地表的耦合，从大尺度看RH保持不变的响应并无争议。在中高纬度，GCM水汽反馈的信度也是比较高的，这是因为造成整个对流层大部分湿润化的大尺度涡旋可显式地由模式分辨出来，这使大部分大气保持很潮湿或饱和。但对热带对流层中上层的湿度变化比其它地区的了解要少得多，因而近年来重点是研究热带RH的响应，尤其是对流层上部。实际上这个地区湿度响应的信度是模式中水汽反馈的主要问题。
Negative Feedbacks from Water Vapor 对流层上部的变干将导致负反馈，减少增加的CO2作用。紫色宽带为大气 红外放射（OLR），上边界对应一干的上部对流层（UT）。下边界对应于湿的UT。 红区为地表通过大气窗放射的红外辐射，为保持OLR呈常数，此带之下边界相对应干的UT。从地表红外放射的变化最终减少由CO2增加造成的增暖。 （Singer，2008）
400hpa水汽异常（蓝色-比湿），和OLR（1950-2008）.注意OLR上升，水汽下降。（gray，2008）400hpa水汽异常（蓝色-比湿），和OLR（1950-2008）.注意OLR上升，水汽下降。（gray，2008）
著名的美国科学报告：1979 • 2倍CO2将导致全球△T变化1.5-4.5℃（～3 ℃ ） • 由于正的水汽反馈， △T→水汽增加→OLR减少
Jame Hansen早期的GISS中假设比湿和RH在CO22倍时有完全不实际的增加（Gray,2008）
由于上述假设，CO2加倍后，可使其中3.7 w/m2的长波辐射量受阻挡而不能射向外空，造成了虚假的对流层上部温度增加。（Gray,2008）
C-C关系要求如RH不变， 温度上升时，水汽将增加 （红线），但上部对流层 水汽观测并不按此理论关 系（绿虚线）。这可能是 在较暖气候下，引起更多 的深对流，因而有更多的较 干的下沉运动区。 （Gray,2008）
GCM格点尺度太大，不能表征真正的次网格尺度垂直运动，GCM不能分辨（上图）集中的降雨或周围的云中下沉运动（下图）。上图是GCM的平均垂直运动，而下图是真正的深对流引起的上-下垂直运动分布。前者红外放射量是2w/m2，后者为3w/m2,因而是增温减少GCM格点尺度太大，不能表征真正的次网格尺度垂直运动，GCM不能分辨（上图）集中的降雨或周围的云中下沉运动（下图）。上图是GCM的平均垂直运动，而下图是真正的深对流引起的上-下垂直运动分布。前者红外放射量是2w/m2，后者为3w/m2,因而是增温减少 （Gray,2008）
模式 实际情况 2×CO2下模式预测与实际的物理过程区别示意图（Gray,2008）
模式计算的纬向平均大气温度变化（1890-1999）（℃、100年）模式计算的纬向平均大气温度变化（1890-1999）（℃、100年） A:温室气体，B:硫化物气溶胶（只有直接效应），C:平流层与对流层 O3，D:火山气溶胶，E:太阳辐射，F:总强迫。A与F表明增暖趋势增加。 IPCC认为，这是温室气体的“印痕”。（Singer，2008）
IPCC得到的不同来源的辐射强迫。注意，气溶胶有很大的不确定性，可能超过温室气体强迫值，也注意，太阳强迫是根据太阳总辐射变化，未考虑太阳风、太阳磁场或UV变化。（Singer，2008）IPCC得到的不同来源的辐射强迫。注意，气溶胶有很大的不确定性，可能超过温室气体强迫值，也注意，太阳强迫是根据太阳总辐射变化，未考虑太阳风、太阳磁场或UV变化。（Singer，2008）
实际温室气体强迫下的模式结果（CCSP与IPCC一致），热带中部对流有明显温度增加（Singer，2008）实际温室气体强迫下的模式结果（CCSP与IPCC一致），热带中部对流有明显温度增加（Singer，2008）
反之，据Hadley重心的实际分析，这种热带中部对流云的温度上升并不存在。（Singer，2008）反之，据Hadley重心的实际分析，这种热带中部对流云的温度上升并不存在。（Singer，2008）
气候变暖是人类的福音吗？ • 更暖的温度有利于人类健康和繁荣，最多的依据是古气候和历史气候的研究成果
许靖华：太阳、气候、饥荒与民族大迁移 • 古气候研究表明，在近4000年以来有4个全球气候变冷时期，即在公元前2000年、公元前800年、公元400年及公元1600年左右的几个世纪；这种准周期性与太阳活动的周期变化有关，全球温度变化影响了地区降水形式；在气候变冷期，欧洲北部变得更潮湿，而中低纬度地区变得更干旱。这两种变化形式都不利于农业生产。历史记载表明，历史上民族大迁移是由于庄稼歉收和大面积饥荒，而不是逃离战争。公元2，3世纪的日耳曼部落的大迁移就是一个例子。 • 由于化石燃料的燃烧，引起二氧化碳的加速排放，这终将导致全球变暖。但历史记载表明，总体来说，全球变暖对人类是一个福音。反之，全球变冷会导致农业减产、饥荒和民族大迁移。也许当前最重要的任务不是用计算机来模拟温室效应对全球气候的影响，而是进行水利和农业研究，以确保不断增长人口的粮食供应。
