气候变化研究中若干不确定性的认识问题，本文主要内容关键词为：不确定性论文,气候变化论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1000-0585(2010)02-0191-13
现代气候变化研究始于19世纪初，20世纪80年代以来，已从纯科学研究扩展到与社会经济可持续发展相结合，演变成当今国际政治、经济和外交的热点议题。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告(AR4)指出[1]，近百年来（1906～2005年）全球地表平均温度升高了0.74℃，预计到21世纪末将上升1.1～6.4℃，其中20世纪中期以来全球平均气温升高的90%可能是由人类活动排放的温室气体造成的。2009年，联合国气候变化大会签署了《哥本哈根协议》，“2℃阈值”（全球增暖幅度控制在2℃以内）被当作政治共识为世界各国接受。尽管当前有关气候变化研究的科学基础并非牢固，许多认识在学术界远未达成共识，如2007年成立的非政府间国际气候变化专门委员会(NIPCC)就曾针对IPCC评估报告提出了许多争议性和分歧性问题[2，3]，但在欧盟等发达国家的努力下，若干具有不确定性的认识被当成科学结论而渐被纳入“全球共识”的轨道。本文选择对气候变化研究有重要意义但已有的研究结果存在不确定性的几个方面进行综述，包括对过去两千年气候变化的事实、温室效应、气候模式模拟、2℃阈值等问题的正反方面的认识。进而，对未来一段时期深入开展气候变化研究需要重点关注的5个领域及其主要科学问题进行了探讨。
1 关于过去两千年气候变化事实的认识
1.1 是否存在“中世纪暖期”和“小冰期”
历史气候领域迄今仍未取得具有重大意义的共识是，过去两千年来是否存在比20世纪更温暖的“中世纪暖期”或其他暖期。“中世纪暖期”（Medieval Warm Period或Medieval Warm Epoch，简称MWP）最早由英国人H.Lamb于1965年提出，是指欧洲及北大西洋邻近地区900～1300AD出现的相当或高于20世纪中期温暖程度的一个气候阶段。由于1100～1200AD正处于欧洲的“中世纪”，当时西欧的气温较1900～1939年高0.5～1.0℃，故得名。当时欧洲大部分地区气候对人类社会的发展比较有利，又被称之为中世纪气候最佳期(Medieval Climate Optimum)或“小气候适宜期”(Little Climatic Optimum)。这一争议关系到如何评估20世纪气候变暖中自然波动与人类活动的贡献问题。若存在中世纪暖期，则意味着20世纪暖期有可能是百年尺度的暖期，甚至是千年尺度暖期的重现，与“小冰期”(LIA)结束后气候转暖有关。
图1 Mann M等建立的过去千年温度变化曲线[4，5]
Fig.1 Northern hemisphere temperature anomalies during the past 1000 years given by Mann M.et al.
否认MWP和LIA存在的代表是美国学者Mann M和英国学者Jones P，他们认为过去千年来上个世纪最暖，见图1[4，5]，其观点被IPCC多次引用。认为MWP和LIA存在的代表是加拿大学者McIntyre S和McKitrick R以及美国学者Soon W。McIntyre S.和McKitrick R[6]认为Mann M的资料在1550年之前数据可信度不高，存在6个错误（资料核对的误差、不合理的截断及外推记录、应用过时的资料、地理位置错误、不正确地计算树木年轮的主分量以及资料缺少质量控制），重新订正后发现1550年之前温度比Mann M的高。Soon W[7]认为中世纪暖期和小冰期普遍存在，时间分别为800～1300年和1300～1900年。在回辩McIntyre S等人的质疑时，Jones P等[8]否决了MWP和LIA术语的使用，理由是MWP和LIA的存在与否在不同地区差异很大，不适于全球尺度上的气候研究。2006年，美国科学研究咨询委员会(NRCNA)对利用代用资料重建的全球或北半球温度变化的结果进行了评估[9]，认为截至2006年，学术界重建的全球或半球温度序列在900～1600年时段的可信度较低，关于MWP和LIA变幅的科学认识需要新的证据。2009年，Mann M在《Science》上发表文章[10]，认可了MWP和LIA的存在，并承认某些区域MWP的温暖程度可能超过了20世纪末。我国学者利用文献和树轮、石笋等代用资料重建的过去两千年以来全国温度变化（图2），结果显示MWP和LIA在我国普遍存在，只是不同地区在冷暖阶段的起止时间和冷暖幅度上存在一定的差别[11～13]。
图2 中国过去2000年温度变化
Fig.2 Temperature anomalies in China during the past 2000 years
a中国东部冬半年气温距平（相对于1951～1980年均值）[11]； b青藏高原温度集成[12]；c近1200年的中国平均气温距平（相对于1880～1979年均值）[13]。
1.2 20世纪温暖程度是否为过去千年最大
IPCC AR4认为，20世纪后半叶北半球的平均温度很可能比过去500年内的任何其他50年的温度都高，并可能是至少过去1300年内最温暖的时段。该认识主要依据Mann M的研究结果[4,5]。McIntyre S和McKitrick R对Mann M使用的数据进行订正[6]，结果显示15世纪中后期20年滑动温度距平约为0.3～0.4℃，高于1980年温度距平（0.2℃）。Soon W等[7,14]重新评估了20世纪后50年与中世纪的变暖程度，认为20世纪温暖程度不一定超过中世纪。Mann M于2004年在Nature杂志上发布勘误表[15]，但他仍认为没有一项误差会影响他们的结论。2006年美国NRCNA指出[9]，过去400年20世纪后半叶全球平均温度最高具有高可信度。我国历史温度变化重建结果在1470年以前也存在显著的不确定性，对中世纪暖期是否比20世纪暖期更暖存在分歧，20世纪后半叶可能只是过去500年中最暖时段[16]。
1.3 20世纪增温趋势是否停止
过去10年全球温度变化在不同研究中存在较大差异。美国气象学会发表的“2008年气候状况”报告引用了Knight J等根据HadCRUT3温度资料的分析结果[17,18]，认为1999～2008年全球温度增幅为0.07±0.07℃（图3a），显著低于20世纪中后期以来其他10年尺度上的温度变化（约0.19℃／10a[1]），过去10年“全球变暖停滞”。Kerr R发表在《Science》杂志上的研究也得出同样的结论[19]。然而Allison I等[20]根据另外两个全球温度序列（GISS和NCDC）计算的全球近10年温度变化依然呈明显上升趋势（图3b），认为HadCRUT数据库缺少北极资料，而北极地区在近25年来气候显著变暖，因此Knight J和Kerr R的研究可能低估了近10年的变暖趋势。2009年12月，环境问题科学咨询委员会(SCOPE)和联合国气象组织(WMO)联合发布的“气候变化科学纲要”回顾了IPCC AR4以后的一些研究成果[21]，认为1999～2008年是近30年来最暖的10年，尽管这10年间全球平均温度没有上升，但全球变暖仍在继续并有加剧趋势。
图3 近10年来全球平均温度变化的结果比较
Fig.3 Global mean temperature anomalies in the last decade
a数据源：HadCRUT数据[17]；b数据源：GISS数据[20]
2 关于温室效应的认识
2.1 温室效应机理
温室效应现象最初由法国数学、物理学家Fourier J于1824年发现[22,23]，20世纪初瑞典化学家Arrhenius S对这一现象进行了分析后首次提出温室效应概念[24,25]。他们的研究主要基于试验分析，通过设计阳光透过密封玻璃屋造成室内增温，模拟现实大气对地表的保温作用，即温室效应。20世纪70年代，Fourier J的温室效应理论受到置疑，如Lee R[26]认为他的研究方法存在问题。由于玻璃的光学特性与大气不完全一致且玻璃屋内大气升温不能简单归结为玻璃的光学吸收作用，因此不能将玻璃屋模拟的增温作用引申类比为大气的温室效应。20世纪末，Keeling C等[27～29]对温室效应进行了深入研究并取得新的认识。目前被广泛接受的认识是：太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面增暖后放出的长波辐射被大气中的温室气体如水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧化亚氮等吸收，这些温室气体在大气吸收地面长波辐射的同时，也向所有方向发送辐射，包括向地球表面的辐射，从而使地球表面的温度能保持在15℃；如果大气层不存在，则地表平均温度为-18℃，这就是温室气体对地面温度的调节作用，即“自然温室效应”。工业革命以来，人类活动向大气中排放的
等温室气体浓度增加，导致大气吸收更多的长波辐射，从而使地面对流层系统温度升高，这就是“增强的温室效应”[1]。
关于温室效应的机理目前仍有不同认识。德国物理学家Gerhard G[30]认为，上述温室效应的物理机制不清晰，有关系统的辐射平衡、热辐射和黑体辐射等的认识有待商榷。Thune W[31,32]对温室效应的各种假设也提出了质疑。美国气候学家Ellsaesser H[33]认为，与其他气候驱动因子相比，加倍对增温的贡献并不显著。美国气候学家Hansen J[34]的研究也得出同样的结论，认为化石燃料燃烧排放的碳粒粉尘增多才是导致全球增温的主要因素。
2.2 温室气体排放与气温变化的关系
在定量评估温室气体排放对气温变化的贡献时，IPCC报告引用了“辐射强迫”的概念，辐射强迫在数值上定义为某种辐射强迫因子变化时所产生的对流层顶平均净辐射的变化（太阳或红外辐射），单位为W/
。辐射强迫只反映温室气体浓度变化对气候系统的强迫大小，不直接反映地表温度升降，二者的关系被一个线性方程来描述[35]：△
＝λ△F。△是全球平均地表温度响应，△F是辐射强迫，λ是气候敏感度参数，取决于温室气体及其他因子（云、水汽、冰雪反照率等）对气候系统的反馈过程。目前λ在不同模式中取值变化很大，范围从0.3～1.4K/W/。
从观测数据角度分析，大气温室气体浓度与气温变化趋势并不完全一致。图4a和4b分别是1880～2008年全球平均温度变化和全球温室气体排放量曲线[1,17,36]，从中可以看出，20世纪温室气体排放量的变化与全球温度变化并不完全一致，甚至在某些时段呈现显著不一致，如，1910s～1940s全球温室气体排放量微量增加，但同期全球平均气温却快速上升（增加0.35℃）；1940s～1975s全球温室气体排放量约增加两倍，而同期全球平均温度下降0.1℃。这不能支持温室气体增加导致全球气温升高的认识，而IPCC对此并没有给出令人信服的解释。
图4 全球温室气体排放量变化与气温变化的关联
Fig.4 Global greenhouse gas emissions and mean temperature
针对2001年以来，全球温室气体排放量迅速增加，而大气增温较缓慢的现象，有解释认为，温室效应对温度影响也许只占很小部分，而其他因素则可能发挥了较大作用，如太阳辐射在近几年相对变弱[16]，其对温度的正辐射强迫也相应减弱。Lean J与Rind D[37,38]考虑了太阳辐射、火山、ENSO等因素对气候的影响，模拟了1999～2008年温度变化，模拟结果与观测结果具有很好的一致性，这说明太阳辐射、火山等自然因素在近10年的降温作用可能抵消了温室气体的部分增温作用。
2.3 水汽对温室效应及增温的贡献
大气中水汽对温室效应具有重要贡献，一般认为约占60～80%，显著高于其他温室气体。但由于人们一直认为大气对流层中水汽含量不存在明显变化，关于水汽增温的作用长期被忽略。理论上，气温增加与水汽含量有互反馈作用，全球变暖会导致大气水汽含量增加，而水汽增多又会促使温室效应增强，从而导致全球更暖，但这种互反馈机制在过去的观测数据中不能得到检测。2008年以来对此取得了一些新的认识。Dessler A[39]研究发现，2003～2008年间全球大部分地区对流层水汽含量呈增加趋势，并检测到水汽对气温的反馈约为2.04 W//K，此外，Santer B[40]的研究认为海洋上空的水汽含量自1998年以来明显增大。
3 关于气候模式模拟的认识
3.1 模拟与实测结果的比较
模式模拟是预测未来气候系统演变行为的一种有效途径。IPCC引用了“指纹法”检验模式模拟的准确性。指纹法最初用于刑侦方面，现已在法律、医疗、科研等领域广泛应用。在气候变化研究中，指纹法是通过对比模拟结果（自然因素或自然和人为共同因素）与观测结果，辨识人为因素对气候系统的影响[41]，以及检测模式模拟的准确性。就目前模式的模拟水平而言，模拟结果与实际观测结果存在较大差距。从IPCC AR4给出的24个模式关于20世纪气温变化的模拟图及其与实际观测的比较看（图5），各模式模拟的结果与实测差别较大；即使对24个模式的模拟结果进行综合来看，1960s之前模拟结果与观测结果仍有较大差别。
图5 观测与模拟的全球平均温度距平[1]
Fig.5 Global mean temperature anomalies from observation and prediction
黑色曲线表示观测值，黄色曲线表示24个模式的模拟结果变化范围，红色粗曲线表示多模式综合平均值。
再以气温随高度变化的模拟为例，IPCC综合集成了22个模式对气温随高度变化的模拟结果，并给出了实际观测图，Douglass D[42]对模拟结果和观测结果进行了比较（图6）。模式模拟结果显示大气升温最快的高度为10km处且为地表增温变化的两倍，观测结果则显示大气增温最快的高度位于地表且对流层整体增暖幅度小于地表，两者结论相反。Allen R与Sherwood S[43]、Peter Thorne[44]和Lanzante J与Free M[45]针对图6的不一致性，认为是由于热带地区观测质量较差所致，故对数据进行了修订并对观测的温度梯度进行校正，结果显示模拟结果与观测结果的差别缩小了，但仍不一致。
3.2 模式本身的缺陷
由于科学认知水平有限，目前人类对于气候系统中各种物理、化学和生物过程的参数化的认识存在较大不确定性，对每个参数的理解也有待提高。主要表现在：
图6 气温模拟与观测结果比较[42]
Fig.6 Global mean temperature at different altitudes from observation and prediction
红色表示模拟结果，红色符号的形状代表不同模式的模拟结果；蓝色和绿色表示观测结果，蓝色和绿色符号的形状代表不同观测数据集。
(2)对云的模拟。模式对云的模拟误差是气候模式中最重要的不确定性来源。对云形成及其辐射相互作用的模拟能力有限，不能准确评估高层云的正反馈和低层云的负反馈对气温的定量作用[53]。模型分辨率较低，不能很好地模拟小尺度上云变化过程，导致对大尺度上云的模拟误差大[54]。Lane D等通过改变分辨率评估GCM模式的云辐射参数敏感性，发现模拟的云量变化大于观测结果，模拟的长波辐射变化是观测值的5～10%[55]。云的一些重要机制也不能在模式中很好地体现，如高层卷云与海表温度的负反馈作用[56]，海洋中生源二甲基硫(DMS)通过云和气溶胶对气候变化的负反馈作用[57,58]，气溶胶的物理化学特性与海洋中有机物质的联系，例如，O'Dowd等[59]研究认为海洋生物有机物质对云滴形成有重要促进作用。许多模式研究人员认为云的参数化问题已经困扰了科学家几十年，在未来几十年至上百年仍难以解决[60]。
(3)对降水的模拟。尽管许多模式可以模拟一些区域大尺度的降水趋势，但在小尺度上模拟能力很差[61]。Lebel T等[62]比较了非洲西部在1960～1990年间GCM模式模拟结果和观测结果，显示在旱季时模拟值比观测值大25%，在雨季时模拟值比观测值大75%；模式不能很好地模拟降水的季节变化特征，模拟的雨季开始时间偏早，而对降水的年际变化预测能力更差。例如，对于印度夏季降水的预测，任何模式都没能预测到2004年印度夏季产生的13%的降水赤字，也不能预测到降水变化的信号、时间以及年际变化；对西非荒漠地区的降水预测，不仅降水量的预测值与观测结果比较具有数量级的误差，而且不能模拟出开始时间和持续时间[63]。
4 关于2℃阈值的认识
4.1 2℃阈值的物理意义
人类活动导致的大气中等温室气体浓度增加已是不争的事实，但大气中等温室气体浓度与地表温度关系至今仍没有一致性认识。IPCC综合了诸多研究结果后给出了浓度增加导致的地表温度增加的区间值和最佳估值[1]（表1），在这些区间值中，有人选择了2℃（即当浓度约增加到450～550ppmv时，可导致的温度增高值）作为控制大气温度比工业革命前温度上升的上限范围，这就是所谓的2℃阈值。
2℃阈值是人为设定的，它代表着在气候系统可调节范围内，对全球可升高温度的限定，意指全球温度不应高于工业革命前温度的2℃，否则将成为气候系统的一个临界点(tipping point)。设定2℃阈值的人们认为，当全球温度不高于工业革命前温度的2℃时，即使增温，气候系统仍处于可控和可调节的状态，不至发生质的改变；而当全球温度高于工业革命前温度的2℃时，气候系统必将发生不可逆转的质的改变，并将导致系统走向另一种状态，这种变化也许没有暂时的明显外在表征，但迟早会发生，并具有不可逆转性[64,65]。
“不可逆转”是针对生态系统存在的时间尺度而言，从极端的、更大的时间尺度上来讲，气候系统最终还会发生反向逆转，因为当大气和海洋的温度持续上升，达到极高值时，气候系统的能量将耗尽，从而气温走向变冷，但那时的生态系统早已经被摧毁殆尽，气候系统对于人类而言已没有任何意义。
图7为Timothy M等[64]给出的气候系统接近临界点的示意图。圆球表示地球，凹槽表示地球所处的稳定性环境，蓝色由深到浅表示人为强迫逐渐增强，凹槽的弯曲率随着人为强迫的增大而逐渐减小。由图可知，随着人为强迫不断增大，对气候系统的干扰不断加大，如图所示的凹槽中的圆球稳定性越来越差一样，地球系统状态的稳定性越来越差，直到这种平衡被完全破坏，地球将发生质的、不可逆转的变化，转向另一种不可控的、不再适宜人类生存和生态系统存在的状态。
4.2 对2℃阈值的不同认识
2℃阈值最早是由欧盟于2005年在其领导人会议上提出[66]，随后IPCC和UNFCCC也分别将其作为温度升高上限的依据，2009年哥本哈根气候变化会议正式采用2℃作为控制温度上升的最高上限，并以协议的形式通过。尽管2℃阈值目标已被广泛接受，以此作为人类应对气候变化的目标约束，但2℃阈值选择和设定的科学合理性与否仍有待深入探讨。有专家研究认为上述地球气候系统的临界点值应低于2℃，如Hansen J等[67]基于模式模拟的1880～2003年辐射强迫对温度的影响，认为气温升高的临界点阈值应选择为高于工业革命前温度的1.7℃。Schwartz S[68,69]对表1中浓度增加导致的升温幅度值进行了另外的计算，认为浓度在280ppmv基础上倍增时，增温幅度为1.1±0.5℃，增温的敏感性低于IPCC设定2℃阈值时所采用的数值依据，但Schwartz S的上述研究结论与方法本身引起了Foster G[70]、Reto Knutti[71]的质疑。目前我国也有专家对2℃阈值目标的设定提出了质疑[72]。
圆球表示地球；凹槽表示地球所处的稳定性环境；蓝色由深到浅表示人为强迫逐渐增强；凹槽的弯曲率随着人为强迫的增大而减小。
5 结论与展望
5.1 结论
气候系统变化的复杂性决定了人类对气候变化科学研究在确定性认识方面不可能一蹴而就，加之对这一复杂问题关注和研究的学者来自不同的学科领域，因此对有关问题的认识产生分歧和争议在所难免。需要指出的是，当前对气候变化的诸多研究结论并非是最终定论，某些认识甚至可能是错误的，很多问题，包括一些基础性问题有待进一步研究。
由于气候变化科学认识的不确定性，当前人类社会关于气候变化的决策都只能是有限理性决策，存在着较大风险。从行为经济学角度看，因各自所处经济发展阶段的不同，这种不确定性对不同的国家和群体在决策时所具有的参照意义是不同的。对于发达国家而言，减缓气候变化意味着“获得”，不仅可以保护其已有的经济成果免受气候变化的不利影响，而且限制了全球对日益稀缺的能源的整体消耗量，有助于维持其在全球现有经济格局和国际事务中的优势地位，因此他们更倾向于忽视气候变化科学认识的不确定性而做出所谓的“无悔选择”；而对于包括中国在内的发展中国家而言，在无显著技术进步的情况下，采取减排措施则意味着抑制经济增长和丧失发展机会，“无悔选择”等同于“追求风险”。从这个视角上看，深入开展气候变化基础研究对于我国的发展具有重大意义。
5.2 展望
建议未来气候变化基础研究我国应重点关注以下领域及主要科学问题：
(1)全球气候变化的观测理论、方法、技术与改进。主要科学问题包括：哪些基本变量能准确描述全球气候变化；基本变量的有效观测理论、方法和技术；现有观测技术、方法的评估与改进等。
(2)长序列、高精度过去气候变化记录的重建。主要科学问题包括：长序列、高精度过去气候变化记录重建的新理论、新方法和新技术；多种记录的有效集成方法；过去环境变化的历史借鉴等。
(3)气候变化事实、规律、驱动机制，及其突变与非线性特征。主要科学问题包括：气候变化事实的诊断、规律与特征；驱动力作用下气候系统对驱动力变化的响应；气候系统的稳态运行规律、临界阈值与自适应机制；全球气温上升2℃阈值的科学基础及对应的大气浓度；气候系统的非线性特征、突变与触发机制。
(4)气候变化的影响及适应。主要科学问题包括：气候变化影响研究的理论与方法；气候变化对生物链、产业链、经济社会的影响机制与定量评估；气候变化与其影响对象（受体）之间的内在联系以及受体的脆弱性与危险阈值；气候变化对区域和国家的综合影响评估；气候变化的适应理论、方法和技术。
(5)气候系统模式的发展及模拟与预测。主要科学问题包括：气候系统模式的设计，关键物理、化学、生物过程的参数化及其不确定性的减少；重要耦合过程（如云—气溶胶—辐射相互作用等）的耦合技术；气候系统模式的高性能集成环境的创建与计算方法的发展；气候系统重要事件和过程的模拟；气候变化的预测内涵、理论、方法与技术。
致谢：感谢CNC-IGBP秘书处王芳女士对本文所作出的贡献。
收稿日期：2009-12-30；修订日期：2010-01-18