气候变化关键科学问题的分析

摘要：美国国家科学院的国家研究委员会地球与生命研究部气候变化科学委员会最近向白宫提交了一份关于气候变化科学问题的咨询报告，以供布什政府以及相关机构决策参考。该报告根据美国的全球变化研究工作对100年以来以全球气候变暖趋势为特征的全球气候变化的认识，对ipcc关于气候变暖的的研究成果与预测作了剖析。该咨询报告在承认全球变暖研究中仍存在一些不确定性的同时，指出全球变暖确实存在，并对白宫与民众所关心的一些关键科学问题作了回答，这些问题是：自然气候变化的幅度；温室气体和其它对气候变化具贡献作用的气体的排放是否在加速增长及其增长速率与来源；气溶胶的驱动作用；降低温室气体以及其它一些对气候变化具贡献作用的排放物的增加趋势所需的时间；气候变化是否正在发生以及如何发生；温室气体是否导致气候变化；未来100年温度的变化幅度以及发生地点；所预计的气候变化有多少是气候反馈过程（如水蒸气、云和冰雪融化）造成的；不同程度的全球变暖的后果；科学研究是否已经确定温室气体浓度有一个“安全”水平；为了提高对气候变化的认识，还有哪些专门领域需要更深入地进行研究。最后指出在气候变化研究中独立自主开展工作意义重大，以及今后需要加强的研究领域和关注重点。

关键词：气候变暖；全球变暖；美国；京都议定书

背景介绍

受白宫2001年5月11日的委托，隶属美国国家科学院的国家研究理事会地球生命研究部气候变化科学委员会（以下简称气候变化科学委员会）于2001年6月6日向白宫提交了一份关于气候变化科学问题的咨询报告，以供布什政府以及相关机构决策参考。该报告根据美国的全球变化研究工作对100年以来以全球气候变暖趋势为特征的全球气候变化的认识，对ipcc关于气候变暖的的研究成果与预测作了剖析。ipcc一直呼吁各国对温室气体排放采取更加严厉的控制措施，并于1997年12月达成了控制温室气体排放的《京都议定书》, 《议定书》中明确指出在2008年至2012年期间，世界38个发达国家6种温室气体（以co2作用最为突出）的排放量要在1990年的基础上平均减少5.2％，其中美国减少7％，欧盟成员国减少8％。但布什政府对是否存在全球变暖趋势、变暖的程度以及其在温室气体排放中应承担的义务持怀疑态度，这引起了国际上尤其是欧洲各国的不满。事实上，美国离《京都议定书》规定的减排目标却越来越远。按照美国在1995年至2000年间co2排放的平均增长速度，到2008年时，美国的co2排放量不但不会减少，而且要比1990年高出35％，这将严重影响全球减排计划的实现（enerdata能源信息统计所，2001年6月8日）。如何履行美国政府在温室气体减排中的义务，成为布什于6月12日的首次访欧中的第二大焦点问题（首要问题是国家导弹防御计划）。

该咨询报告承认在全球变暖问题上仍然存在一些不确定性，如关于自然变化对全球变暖的作用有多大等，但总体上支持欧洲国家领导人和环保组织以及ipcc的观点。气候变化科学委员会主席ralph j. cicerone说：“我们知道地球大气层的温室气体越来越多并导致地面气温上升。但对于迄今为止的气温上升，我们还不清楚究竟在多大程度上受人类活动的影响。但是，根据物理原理和计算机模拟，我们认为气候变暖会继续加剧，因为温室气体排放仍在继续”。

对于在全球变化认识上的不确定性，气候变化科学委员会认为主要是由于假设的差异、模型的差异以及替代数据的准确性等原因造成的，但即便按照最保守的估计，全球变暖以及海平面的上升都将伴随着整个21世纪。为减少目前全球气候变化模型预测中的不确定性，需要在以下两点的认识与模拟上取得较大进展：①决定大气温室气体与气溶胶浓度的因子；②决定气候系统对温室气体增加的敏感性的反馈机制。对气候监测来说，规划一个全球观测系统是一项紧迫的任务。

由于人类活动，温室气体在地球大气中不断积累，引起了陆表与海表温度的升高。在过去的几十年中所观测到的变化很可能主要是由人类活动引起的，但是我们不能排除这些变化的一些重要部分也是自然变化的反映。人类引起的变暖以及与之有关的海平面的上升预计会持续整个21世纪。由计算机模型模拟和基本的理论推算得出的一些相关影响（包括雨量的增加、半干旱地区干旱程度的增加）十分依赖于变暖的程度及其发生的概率。

由ipcc（气候变化政府间工作小组）对人为引起的全球变暖进行的基本可信的评估是以气候驱动力*增加为前提的，如co2将加速全球变暖的进程。到21世纪末，全球温度升高3℃的预测是与云层和大气相对湿度影响全球变暖的假设相一致的。这一预测也与通过比较冰期－间冰期的温度振荡所得到的气候敏感性结论相一致，冰期－间冰期的振荡导致了气候驱动力的变化。所预测的温度升高对有关温室气体和气溶胶浓度的升高的反应极为敏感。因此，国家的决策在目前以及今后较长时期内将影响脆弱的人类社会和生态系统所遭受损害的程度。因为目前对气候系统在自然状态下如何变化以及如何响应温室气体和气溶胶的排放的认识还存在相当大的不确定性，所以这一预测结果应当看作是暂时的，需要根据未来的变化进行调整。

气候变化科学委员会所提交的咨询报告中力求对气候变化科学问题以及ipcc研究成果的可信度进行更为清晰的描述。详尽的表述对政策制定者很有帮助，因为他们需要考虑缓解气候变化或是适应气候变化等多种选择。该咨询报告主要回答了以下一些白宫以及民众关注的关键科学问题。

1 自然气候变率的幅度有多大？

众所周知，在局地和区域空间尺度上，以及短至十年的时间周期上，自然气候变化的幅度十分宽广（超过几个摄氏度），降雨的变化也十分大。例如，有证据证明像20世纪30年代的“尘盆（dust bowl）”的剧烈干旱，在10-14世纪的美国中部非常普遍。通过冰川反复进退的对比研究得出，局部地区的平均温度变化已经超过10℃。评估全球平均温度的自然变化非常困难，因为现有的数据空间覆盖较小，且替代数据推断温度难度大。虽然如此，仍有证据表明，在最近一次冰期的冰川后退期间，全球变暖的速率是2℃/千年。

2 温室气体和其它对气候变化具贡献作用的气体的排放正在加速增长吗？不同的温室气体与排放物是按不同的速率增长吗？温室气体与其它对气候变化具贡献作用的排放物浓度的增加是人类活动引起的吗？

一些温室气体的排放正在增加，但也有一些温室气体的排放呈减少趋势。在某些个例中，气体排放的减少是决策的结果，但是在另外一些事例中，气体排放的减少却很难理解。

在直接受人类活动影响的温室气体中，最重要的是co2、ch4、n2o和cfcs。人类活动排放的气溶胶也可以影响气候（表1列出了大气中的气候驱动因素所产生的驱动力）。

分析取自格陵兰和南极的冰芯所获得的co2浓度变化的记录具相当代表性，其范围从冰期的接近190ppmv（百万分之体积浓度）到较温暖的间冰期（如开始于大约1万年前的最近一次间冰期）的接近280ppmv。 直到工业革命为止，co2浓度一直没有超过280ppmv。当1958年开始系统大气测量的时候，co2浓度已经到达了315ppmv，目前其浓度大约为370ppmv，并以1.5ppmv/年的速率增长（这个数值比1958年有记录以来的早期的增长速率略高）。人类活动应该对这种增长负主要责任。化石燃料的燃烧是碳的主要排放源，其实际排放量大约是所观测结果的两倍。在过去的几十年里，热带森林的砍伐对co2排放也具贡献作用。过量的co2由海洋和陆地生物圈吸收。

目前co2、ch4等大气层中的气体含量高于其它的任何时期。从1978年以来，温室气体的浓度大致以每年1%的速率平稳增长，到20世纪90年代其增长的速率变得缓慢，但更具不确定性。大约当前2/3的ch4是由于人类的活动产生的，如水稻种植、畜牧业增长、矿业开采、秸杆回填、天然气处理，所有这些在过去的50年中都有所增加。

对流层中的臭氧一小部分是平流层中的自然过程产生的，到了20世纪，又有一部分臭氧补充进了这部分“对流层臭氧”。在局部区域，这部分臭氧是由阳光对污染大气（由机动车辆尾气、化石燃料燃烧、电力工厂以及生物燃烧等产生的气体造成）的光化学反应产生。

n2o由土壤和水中大量的微生物的反应形成，但含氮化肥的大量生产与使用也造成n2o的增加。能够产生n2o气体的一些人工化学过程已经得到确定。在过去的200年里n2o的浓度增加了大约13%。

自1928年首次合成cfcs以来，其在大气中的含量一直稳定增长，到20世纪90年代初其含量达到最高。许多工业上有用的其它含氟化合物（如cf4和sf6）在大气中具有很长的寿命，尽管有些气体在大气中的浓度还不足以产生大的辐射驱动，但已引起了研究者的关注。cfcs的替代产品hfcs具有温室效应，因为其在大气中寿命较短，其作用尚不明显。

3 还有哪些排放物是气候变化的驱动因素（如气溶胶、co、煤烟等）？它们对气候变化的贡献是什么？

除了温室气体，人类活动还增加了大气气溶胶的含量，这些气溶胶包括硫酸盐颗粒和黑碳（煤烟），由于它们在大气中的寿命很短，分布具有不均衡性。硫酸盐颗粒将太阳辐射散射回外层空间，从而在一定程度上减缓温室效应。最近由于“洁净碳技术”和低硫燃料的利用，使得硫酸盐浓度逐渐降低，在北美这一作用更为明显，但也降低了其对温室效应的抵消作用。黑碳气溶胶是生物燃烧（森林火灾和秸杆焚烧）以及化石燃料不完全燃烧的最终产物，它们直接或间接地影响太阳辐射的收支，尽管要量化其影响还存在难度，但这一点是确定无疑的。

4 降低温室气体以及其它一些对气候变化具贡献作用的排放物的增加趋势需要多长时间？不同的温室气体以及其它的排放物是否具有不同的消亡时间？

具体数值见表1(暂无)。