第一节
气候变化科学的发展

一 气候变化科学的理论基础

气候变化自古有之，而本教材所讨论的是“现代气候变化科学”，它的产生和发展已经历了近两百年。大量的理论、观测和研究表明，自18世纪60年代工业革命以来，人类社会大量使用化石燃料、排放CO ₂ 等温室气体，加上不合理的土地利用、毁林等活动，导致全球气候系统的各种气候要素呈现变暖的态势，气候变化成为影响人类社会可持续发展的重大问题。

（一）天气、气候、气候系统与气候变化

天气是指短时间尺度内天气各要素的状态，如高温、降水、台风等。气候是指各个天气要素在一定时段内的平均状态，常用冷暖干湿来表示。地球表层的大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈表层五个圈层相互作用，组成高度复杂的气候系统（如图3-1）。当代气候变化是指气候系统五大圈层的变化。气候系统内部在太阳辐射的作用下产生一系列的复杂过程，有连续的外界能量输入，且其各个组成部分之间通过物质和能量交换紧密地相互联系和影响着，所以气候系统是一个非线性的开放系统。气候系统随时间演变的过程既受到自身内部动力学的影响，也受到外部强迫如火山爆发、太阳活动变化的影响，还受到人为强迫如不断变化的大气成分和土地利用变化的影响。

气候变化是指可识别的（如使用统计检验）持续较长一段时间（典型的为30年或更长）的气候状态的变化，包括气候平均值和/或变率的变化。离差值越大，表明气候变化的幅度越大，气候状态不稳定性增加，气候敏感性也增大。IPCC把“气候变化”定义为“气候状态的变化，这种变化可以通过其特征的平均值和/或变率的变化予以判别（如通过统计检验），这种变化将持续一段时间，通常为几十年或更长的时间”。《联合国气候变化框架公约》则把“气候变化”定义为“在可比时期内所观测到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化”。因此，前者的定义包括了“人为气候变化”和“自然气候变率”，而后者的定义只涉及“人为气候变化”。目前国际社会关注的气候变化，主要是指由于人为活动排放温室气体造成大气组分改变，引起以变暖为主要特征的全球气候变化。

（二）气候系统的演变

气候系统因其内部各圈层的相互作用以及受到来自外部因子（也称为强迫）的影响，而不断地随时间发生演变（渐变与突变），而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）（见表3-1）。气候系统内部子系统之间的相互作用和反馈，是形成年际、年代际、世纪以及千年尺度变率的重要原因。外部强迫因子是指在气候系统之外引起气候系统变化的强迫因素，如自然的火山爆发、太阳变化和人类活动产生的大气成分的改变，外部的强迫也是造成气候系统年代际到万年尺度变化的重要原因。

二 现代气候变化科学的进展

为有效应对气候变化问题，国际上开展了一系列的大型科学研究计划，如世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）、国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）、国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP）、国际生物多样性计划（An International Programme of Biodiversity Science，DIVERSITAS）等。近年来又不断强化自然科学和社会科学的融合，建立了未来地球（Future Earth）科学计划。

（一）气候系统的观测

气候系统的长期观测结果是气候变化的重要资料基础和气候模式发展的必要支撑，综合的多圈层全球气候变化观测系统是提供高质量气候变化资料和相关产品，了解气候系统过去和现在详细信息的基础。气候系统的观测主要包括实地观测和遥感观测两种手段。实地观测主要指在某一地点对气候系统要素直接获取的观测结果。早期的测量站点很少，仪器比较原始，缺乏系统性，资料质量控制弱。系统性仪器观测大约是从1850年开始，到19世纪，测量站点数量仍然很少，覆盖面也不够，主要以对大气观测为主。到20世纪，特别是中期以后，随着船舶、浮标、探空气球、雷达、卫星等观测手段的出现，观测更为全面和系统，资料也逐渐规范标准化。卫星遥感是当代气候系统观测的一种重要的遥感手段。最近几十年来，气象卫星和其他类型的卫星提供了地—气系统辐射收支、陆表植被、土地使用、土壤特征和海面温度等信息，为解决海洋、沙漠、高山等地区记录稀少的问题开辟了新途径，使得对地球气候的观测范围在数量级上增加了几倍。同时，对空间和时间特征描述的增加，也进一步降低了对气候系统认识的不确定性。另外，器测观测前历史自然档案以及树轮、深海沉积物岩芯、冰芯等气候代用资料的研究，提供了历史时期从区域到全球尺度气候和大气成分变化的信息，这些都为深入认识和理解气候变化提供了重要信息 ^[1] 。

国际上实施的全球气候观测系统（GCOS）强调气候系统整体观测，分为大气、海洋、陆地三个观测子系统，利用实地和空基观测技术，获取大气、海洋、陆地系统关于气候的物理、化学和生物特征参数，提供所有用户共享（见表3-2）。

（二）气候模式的发展

气候模式是气候系统的数值表现形式，它建立在气候系统各部分的物理学、化学和生物学特性及其相互作用和反馈过程的基础上，并解释部分其已知特性（如图3-2）。

早期的数值天气预报模式都是区域性的，1956年全世界第一个真正的大气环流模式（General Circulation Model，GCM）由诺曼·菲利普斯（Norman Phillips）推出。20世纪60年代到80年代初，气候模式逐渐开始发展和应用，并逐渐可以模拟出大气环流、水分循环的季节变化，甚至能模拟出副热带沙漠、季风、热带辐合带等。现代气候模式的多个发展分支主要是源于20世纪60年代发展起来的这些模式。

20世纪70年代中期到80年代初，自然科学家开始研究气候变化。通过敏感性实验，研究地质时期海陆分布、地球轨道要素的变化，以及历史时期太阳辐射、CO ₂ 、极冰、海温的变化对气候变化的影响。

自20世纪80年代以来，随着全球气候观测系统的不断完善、国际大型外场观测试验的成功实施以及高性能计算机的飞速发展，为气候模式的迅猛发展提供了基础和条件。气候模式的复杂程度和模拟能力得到了显著的提高，目前已成为研究全球和区域气候的形成及变异、气候系统各圈层之间的相互作用以及全球变化等的有力工具。

自21世纪以来，随着地球科学各分支学科的相互渗透与逐渐融合，进而明确提出地球系统的概念后产生了地球系统模式。由于地球系统把大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈作为一个相互作用的整体来考虑，因此原有的研究方法和研究手段已经不能完全适应地球系统科学研究的需要。地球系统模式是基于地球系统中的动力、物理、化学和生物过程建立起来的数学方程组（包括动力学方程组和参数化方案）来确定其各个部分（大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈）的性状，由此构成地球系统的数学物理模型。

地球系统模式比一般的气候系统模式更多、也更复杂，所包含的物理、化学和生物过程几乎涉及了地球科学中的绝大多数研究方向，同时又与计算机硬件及软件技术的发展高度相关，它的研制还是一个巨大的系统工程。

正是基于观测、模型和研究方法的发展，气候系统的变化和气候变化影响研究都得以不断深化，从有限的个例研究逐渐形成了对某个领域的全球性研究，从自然生态系统逐渐向社会经济系统扩展，从影响研究向风险治理视角发展。这些都为我们全面、客观、系统认识气候系统的变化和影响奠定了重要基础。

（三）人类社会对气候变化认知的理论基础

1824年，法国科学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）提出了地球上覆盖的大气层（像一层“毛毯”或“温室玻璃”一样）使地球的温度比裸露的地球的温度高，即“温室效应”。1867年，英国科学家约翰·廷达尔（John Tydall）测量了CO ₂ 、CH ₄ 等分子的辐射特性，阐明了大气中微量的温室气体对地球温度变化的作用，这项分子物理学的研究是当代气候变化理论的核心。1896年，瑞典科学家斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius）首次定量计算了大气中CO ₂ 的温室效应。1938年，英国科学家盖依·斯图尔特·卡伦德（Guy Stevant Callendar）的研究表明CO ₂ 浓度加倍后可使全球平均温度增加2℃，他把化石燃料燃烧排放增加、CO ₂ 浓度上升和温室效应联系在一起，指出人类活动可能造成明显的气候变化。后来，日本科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、美国科学家朱莉·查尼（Jule Charney）进一步建立了完善的理论，对CO ₂ 浓度与气候变化的关系（气候敏感性）进行了评估，认为大气CO ₂ 浓度增加一倍后会引起全球升温1.5℃—4.5℃。 ^[2]

理论要经过实际测量的验证，才能构成科学。19世纪50年代之后，随着气象观测站的建立，以及后来陆续发展的对海平面、冰川等要素观测、仪器观测气候的变化成为最真实的验证工具。1958年，美国夏威夷观象台开始进行CO ₂ 等温室气体浓度观测。人类系统性研究气候变化的序幕正式揭开。19世纪几位科学家奠基性的理论工作与其后大量观测数据的结合，使现代气候变化的研究成了一门理论与实际相结合的科学体系，成了一门由大量感性认识与规律性的理性认识相印证的新兴学科。