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極端天氣與全球氣候變暖

作者:admin 更新時間:2019年03月20日 14:45:00

  2010年,世界上多個地區出現了破紀錄的極端天氣氣候事件,這些極端事件給多國人民造成了大量的生命和財產損失。年初,北半球中高緯度的一些地區出現了極端嚴寒和暴風雪天氣;春季,我國西南地區出現了歷史罕見的嚴重干旱,我國北方大部分地區則出現了少有的低溫天氣;5月初以來,包括中國在內的北半球一些地區相繼遭受高強度的高溫熱浪襲擊;7月,印度季風帶來的暴雨導致印度河出現110年以來的最高水位,巴基斯坦發生最嚴重的洪澇災害,超過1600多人死亡,4000多萬人受到影響,幾乎占巴基斯坦總人口的三分之一。


  2010年出現的這些極端天氣氣候事件具有范圍廣、強度大、致災重的特點。


  全球變暖惹的禍?


  2007年,政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的第四次氣候變化評估報告指出,由于全球變暖,已經觀測到包括干旱、強降水、熱浪和熱帶氣旋強度在內的一些極端天氣氣候事件的出現頻率和強度發生了變化,未來將有可能出現更多更嚴重的極端天氣氣候事件。在全球氣候變暖的背景下,高溫熱浪事件對氣候變暖的響應尤為突出,特別是自20世紀90年代以來,全球范圍內極端高溫熱浪事件更是頻繁發生,部分地區甚至年年都遭受高溫熱浪襲擊,如歐洲極為罕見的在2003年、2006年、2007年和2010年接連出現高強度的高溫熱浪。美國在過去的近10年內出現的創紀錄的高溫天數是創紀錄的低溫天數的兩倍以上。


  2010年在全球各地出現的高溫熱浪、洪澇災害事實似乎也從一個側面佐證了IPCC的評估結論。在全球氣候變暖的大背景下,極端天氣氣候事件為何頻繁出現?


  以氣溫的變化為例,如果某一地區的氣溫變化在多年平均條件下呈正態分布,那么從概率論上來講,在平均溫度處的天氣氣候狀況出現的概率最大,偏冷和偏熱天氣出現的概率較小,極端偏冷或極端偏熱天氣出現的可能性更小。但是,由于全球氣候變暖,該地氣溫的平均值增加了,這時偏熱天氣出現的概率將明顯增加,并且原來很少出現的極熱天氣也可能會頻繁出現,破歷史紀錄的極端高溫等極端事件也有可能會發生。如果氣溫變化的波動范圍保持不變,則這種情況下偏冷天氣出現的概率會減小,不大可能出現極端偏冷天氣;但如果氣溫變化的波動范圍也增大了,那么極端偏冷天氣仍然有可能出現,只是出現概率會比以前減小。


  對于強降水的出現與全球氣候變暖的關系,從氣象學原理上可以這樣解釋:由于全球變暖使得地表氣溫升高,較高的溫度引起水分蒸發加大,致使水循環速率加快,導致更多的降水在更短的時間內出現,這就有可能增加大暴雨等極端降水事件以及局部地區出現嚴重洪澇的頻率。另外,由于植物、土壤、湖泊和水庫的蒸發加快,水分耗損增加,再加上氣溫升高,一些地區將遭受更頻繁、更持久或更嚴重的干旱。


  質疑之聲


  雖然大多數的科學家都非常認可IPCC第四次評估報告中關于全球氣候變暖的結論,仍然有一些科學家對IPCC評估報告提出質疑。


  首先,一些科學家質疑全球變暖的趨勢是不是仍然存在。2008年初我國南方地區出現持續的低溫雨雪冰凍災害;2009/2010年入冬以來北半球的北美、歐洲和東北亞等地氣溫異常偏低,冰雪災害頻發,這使得有人認為,全球氣候變暖的總體趨勢已經停止或發生了逆轉,未來全球氣候甚至可能會轉而進入一個微冰河期。根據英國《每日郵報》2010年1月10日的報道,包括氣候學家拉蒂夫(Latif)在內的多位氣候變化研究領域的權威科學家宣稱,英國當時的異常嚴寒天氣僅僅是全球氣候變冷趨勢的開端;目前全球氣候已經進入了一個“寒冷模式”,全球氣溫將呈現下降趨勢,而且這一趨勢至少會持續20~30年。由于海洋中的海水溫度變化具有60~70年左右的自然循環周期,他們認為海水溫度的這種自然變化可能對全球氣溫形成比預期要大的影響,海洋的周期性變冷可能會抵消一些全球變暖的效果,這可能導致對進入新世紀以來全球變暖效應的抵消,使全球變暖的趨勢停止。


  其次,一些科學家認為太陽活動等自然因子才是近百年來全球變暖的主要原因,人類活動并不能解釋觀測到的全球變暖。他們認為,IPCC報告中氣候模式所顯示的溫室氣體濃度升高和全球平均溫度變化之間的一致性主要是通過調整計算機氣候模式中的物理參數得到的,但這些物理參數的調整具有很大的隨意性。另外,二氧化碳濃度和溫度的相關性并不高,因此也不能支持是二氧化碳濃度升高引起溫度變化的結論,如20世紀40年代之前二氧化碳濃度的上升并不迅速,但全球氣溫卻存在_個變暖階段;1940~1975年間二氧化碳濃度上升迅速,但這一時期的溫度卻在下降。IPCC的評估報告則認為,工業化革命以來太陽活動造成的直接輻射強度要比人類活動所造成的小一個量級,太陽活動在這一時期的氣候變化中所起的作用很小。IPCC認為,如果僅考慮太陽活動等自然因子的作用,氣候模式無法模擬出20世紀中葉以后的全球變暖;只有同時考慮了自然因子和溫室氣體的作用,才能夠模擬出全球氣候的變暖趨勢,從而證明了近50年的全球氣候變化主要是人類活動引起的。


  由于IPCC得出人類活動導致全球氣候變暖的主要證據來自于計算機模式對氣候變化的模擬結果,因此還有一些科學家對計算機氣候模式的可靠性提出了質疑,他們認為計算機氣候模式的結果并不可信,這主要表現在以下四點:第一,氣候模式沒有考慮太陽變暗和變亮的影響,如1985年前到達地球表面的太陽輻射較少(全球變暗),1985年后到達地球表面的太陽輻射較多(全球變亮)。但是,當前的計算機氣候模式對此并沒有考慮。第二,氣候模式不能真實地模擬云和氣溶膠的作用。各種不同模式的模擬結果之間之所以會存在很大的差異,主要就是由于不同的模式對云的處理和云參數化方案的選擇不同。由于人類活動主要集中在北半球,這使得北半球比南半球分布著更多的硫酸鹽氣溶膠,從理論上講由于氣溶膠的“陽傘效應”使得一部分太陽輻射被反射回太空,因此北半球的變暖幅度應該比南半球更小,但觀測結果恰恰相反,北半球的變暖幅度遠高于南半球,這說明氣候模式所模擬的溫度變化趨勢在緯度分布上的觀測結果并不一致。第三,氣候模式對區域尺度方面的氣候變化,特別是對區域尺度上降水變化的預測非常差,有時不同的氣候模式對同一區域降水變化的模擬結果可能會完全相反,因此不能依靠計算機氣候模式對區域氣候變化進行可靠的預測。第四,計算機氣候模式也不能解釋許多觀測到的氣候特征,如極區溫度變化,特別是南極的溫度變化趨勢與理論計算值不符。


  全球變暖仍將持續


  事實上,現有的觀測證據表明,全球氣候變暖的總體趨勢并未停止或逆轉,未來全球氣候持續變暖的趨勢還將持續下去。由于近百年來全球地表平均氣溫的變化并不是直線式上升的,人們平時所感知到的氣候變化實際上是氣候的趨勢性變化與年際、年代際波動共同影響的結果,在全球氣候以變暖為總體特征的變化趨勢下并不排除在個別區域或個別時段出現氣溫下降的情況。例如,過去近百年來我國的全國地表平均氣溫升高了約1.1℃,但同期我國西南地區(包括云南東部、貴州大部、四川東部和重慶等地)卻降低了0.45℃。又如,2010年4月全球地表平均氣溫比常年偏高0.76℃,為1880年以來同期的最高值,但我國陸地平均氣溫比常年同期偏低1.2℃,是1961年以來的最低值。因此,應當從全球范圍和長時間尺度上來科學認識全球氣候變暖。變暖并不意味著全球地表平均氣溫一定要一年比一年高,也不意味著地球上所有地區同步發生同樣幅度的變暖現象。在全球氣候呈現總體變暖的趨勢下,在個別地區仍然會有可能出現個別較冷的時間段,但出現的次數會更少,冷的程度也不會那么劇烈。例如,2009~2010年的冬季,由于北極地區異常偏暖,暖空氣進入加拿大,將冷空氣向南推進,加拿大人度過了一個暖冬,但美國大西洋沿岸地區的天氣則變得極端寒冷多雪;與此同時,其他一些地區則炎熱得異乎尋常。因此,雖然個別地區或個別年份都有可能經歷最冷或最熱的天氣,但作為一個整體,全球氣候在最近的30年里一直沿著持續變暖的趨勢在發展。


  根據美國國家海洋大氣管理局(NOAA)的最新觀測資料,IPCC第四次評估報告發布以來的這3年(2007~2009年)全球平均氣溫也都處于有儀器記錄以來的最暖10年之列,2010年3~6月是1880年以來最暖的幾個月份,其中2010年6月是1985~3月以來連續第304個比20世紀平均溫度偏高的月份。從今年的觀測事實來看,2010年很有可能是1850年以來最熱的年份。


  目前,大氣中溫室氣體二氧化碳的濃度仍然在以每年2個ppm左右的速度增加,2010年6月二氧化碳濃度已經超過392ppm;并且,由于海洋的熱慣性作用,即使大氣中溫室氣體的濃度能夠保持穩定,未來一段時間內全球的氣溫仍然會繼續上升。


  難以準確預測的氣候變化


  大家都知道,在天文學中像日食、月食等天文現象是可以提前很多年就準確預報出來的,在海洋科學或水文科學中像是潮汐、洪峰等水文現象也可以提前作出準確預測,但對氣候變化,人們卻很難提前準確預測,只能預估出一個大致的趨勢。


  這是因為,在天文學中,太陽、地球和月球的運動是都可以作為一個質點來處理的,這些質點之間僅通過萬有引力發生作用,萬有引力的大小又僅取決于它們本身的質量和它們相互之間的距離;因此,決定這些質點運動狀態的控制方程就非常簡單,提前很多年就可以準確預測它們的運動狀態。海洋中的海水流動雖然不能簡單地作為質點來處理,但海水的運動也是遵從流體力學原理的,在已知的外力(如月球、太陽的引潮力)作用下,其運動狀態也是容易預測的。


  大氣的運動就完全是另外一回事了。雖然大氣從本質上看也是流體,但它是氣體,氣體是可壓縮的(遵從氣體狀態方程);大氣的組成中除了成分相對穩定的氮氣、氧氣等氣體外,還有狀態多變的水汽,水汽在大氣中存在多達幾十種的相變方式,通過不同的相變來成云致雨,這些都決定了大氣運動狀態的控制方程組會非常復雜,再加上大氣所受到的外力也是難以準確預測的,因此人們不可能通過風洞或水槽之類的實驗設備來研究氣候變化,只能通過計算機氣候系統模式來模擬和預測。


  就目前的科學發展水平來看,計算機氣候系統模式是最重要的氣候預測和預估工具,氣候系統模式本身以及利用模式來預估未來氣候變化的趨勢都是可靠的,但卻難以提前對氣候變化作出十分精確的預測。


  因為氣候系統從本質上看是一個混沌系統,這決定了它的運動狀態存在一個可預報的時間尺度,超過這個時間尺度之后,由于混沌系統內非線性的誤差增長會超過初始信號的強度而使預測結果失去意義。發現大氣具有混沌特性的洛倫茲曾經打過一個比喻:南美的一只蝴蝶拍一下翅膀,其產生的氣流擾動經過放大,最后會引發紐約的一場風暴。也就是說,即使初始誤差很小,這個誤差經過非線性放大,最后也會達到驚人的地步。


  另外,對于混沌系統的預測同樣具有不可重復性,即使是在相同的初始條件下采取同樣的計算方法和計算步驟,最后得出的結果也是不會完全相同的。這好比一個人在高山上滑雪,雖然他每次都是從山頂的同一個位置滑下來,但到達山底的位置每次都是不同的。


  此外,地球的大氣還受到大氣以外的其他因子變化的影響,這些系統目前并沒有被我們很好的認識,因此,在氣候研究和模擬中要對未來氣候狀況作出像日食、月食或潮汐預報等那樣精確的長期預測幾乎是不可能的。


  讓時間來檢驗


  2010年2月23日,國際科學理事會(ICSU)發布了一份關于圍繞IPCC第四次評估報告爭論的聲明,聲明認為IPCC評估報告反映了當前對有關氣候系統、演變過程以及未來預估的科學認識,肯定了IPCC評估報告是國際社會前所未有的、最全面的關于氣候變化的科學評估結論。5月7日,美國《科學》雜志也刊登了255名美國科學院院士聯名發表的公開信,信中對IPCC的評估結論給予明確支持,并指出科學結論總會有某些不確定性,科學永遠不能絕對地證明任何事情;但最近的這些事件絲毫沒有改變有關氣候變化的根本結論。


  氣候變化是一門科學,其正確與否需要經過時間的檢驗。這讓人們想起了有關愛因斯坦的一個故事,據說愛因斯坦的相對論發表以后,有100個教授簽名聯合反對相對論;愛因斯坦知道后說:如果能證明我錯了,一個教授就足夠了。


  從這個意義上說,時間,也將會成為檢驗全球氣候持續變暖論斷正確與否的標準。盡管如此,面對頻繁出現的極端天氣氣候事件,我們需要迅速行動起來,采取措施來降低氣候變化對人類的威脅。


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  “全球變暖”35年


  35年前,也就是1975年8月8日,美國著名的氣候學家、地球化學家華萊士?布勒克教授在《科學》雜志發表了題為“我們是不是處在全球變暖的緊要關頭?”的文章。在文章中他預測,地球即將轉入由于二氧化碳增加導致的全球變暖期。這篇文章的發表正式宣布了“全球變暖”概念的誕生。


  布勒克教授提出全球變暖概念的時候,全球已經歷了30多年的溫度下降。令人吃驚的是,在此文章發表后,全球溫度就奇跡般地升起來了。當然,這并非“奇跡”,只是他在掌握了基本物理規律的基礎上,作出的相對準確的氣候預報。


  35年來,通過眾多科學家的努力,人類對于氣候變化機理研究取得了相當大的進展。比如在布勒克教授的文章中,他并沒有考慮其他溫室氣體(甲烷、一氧化氮等)和氣溶膠等對氣候變化的影響,而現在科學家對兩者的作用已經有了量化的估計。海洋、冰蓋以及陸地植被等對氣候變化的影響也逐步被考慮進來。同時,由于對氣候變化機理認識的加深以及計算機計算能力的提高,現在使用的各種數值模式比之當年也有了很大的發展,其結果的可信性也越來越高。作者:黃磊

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