转载：冷暖沉浮：关于全球平均温度和气候变化

没有煤气罐

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近期有新闻报道：
“2020年将成有记录以来最暖年份之一”
按气候学角度看，这个说法的确没有问题。
但似乎……不少人对这个说法不太理解或理解出现了偏差……
那么……
先解决一个开幕雷击的问题：

Q1: 明明全球这么暖，为什么我最近还是差点被冻死了？？？

A1: 首先要明确，这里的【暖】，是空间范畴很大（全球各地）、时间范畴也较长（一周年）的框架下，【平均温度偏高】的概念。
然鹅，气温的分布和变化，在时间和空间上都是很不均匀的！在更多的小范围、较短时间的天气系统影响下，各地天气各不相同，也有着不同的冷暖异常，其中会有一些地方明显偏冷（参见图2）。
但，这些风雨阴晴，都已被计算在了这个全球平均的【偏暖】结果里。一隅大地的数日寒凉，和寰宇的期年偏暖并不矛盾；在这个角度上，我们不应一叶障目。

Q2: 全球平均气温是如何测量？

A2: 这里讨论的全球平均温度，是指【全球表面平均温度】。它的测量包括陆地上的【地表气温】，和海洋上的【海表温度】两部分。其中，地表气温一般认为是地面之上1.5-2m处的气温，它的测量基础，是遍布陆地和孤岛的气象站点，而近数十年来，卫星也会起到辅助的作用；而海洋表面的温度，需要依靠各远航船舶、水面浮标和卫星的协力测量，填补这些没有人烟的空白。

Q3: “有记录以来”是指什么时间段？

A3: 这里“有记录以来”一般认为是19世纪后半叶，多数资料有以1851年起和1880年起的两种算法。因为在这个时期，现代的气象观测仪器开始在全球多数地区普及，全球的观测数据代表性逐渐提升；而且在仪器质量提升和标准统一的趋势下，观测数据质量有了较好地保证。这个持续至今的时期，也被称作器测时代。图3即器测时代以来全球年平均气温变化。

Q4: 那地球过去有没有更热的时候？更久远的气温又是如何推断的？

A4: 当然有！而且如果能放眼足够远，如5.4亿年前寒武纪以来的气温变化（图4），会发现其实现在是地球地质历史期里较冷的时段—有经年不化的准永久冰盖（南极/格陵兰等）。按照定义，现在是属于从约2500-2300万年前，南极开始出现准永久冰盖开始的“大冰河期”（也有人认为，这个冰河期开始于260万年前，北极冰盖也正式形成的时候）。当然，现在是这个大冰河期里的一个相对较暖时期，也被称作“间冰期”。
即使不提及白垩纪等没有永久冰盖的暖期，现在的气温仍然可能较8000-6000年前、人类逐步迈向文明初启时的【气候最适宜期】略有偏低。
这些远古气温又是如何推断的呢？如果时间相对较近（数十万年以内），可以借助极地冰盖钻取的冰芯，分析其中气体组分和冰中氧同位素比例来推断；如果年代达到百万年以上，超出冰芯积累，很多含有生物化石的沉积物将是一个重要的推断依据—如有孔虫化石里的钙镁比例是严格受温度影响，这为重建远古气温有重要意义。

Q5: 所以，既然现在全球气温还是在过往的波动范围内，那过去一百多年内，以变暖为主要特征的气候变化，就是和人类无关了？

A5：当！然！不！是！！！
原因在于：之前提到地质历史时期气温的显著变化，都【至少是数万年的变化】。（具体参见图4）。
抛开时段只谈幅度是不对滴！
这些数万年或更久的变化，来自地球轨道的变化（如轨道离心率，黄赤交角和近远日点位置），地质构造带来的沧海桑田，甚至……有观点认为和太阳系围绕银河系的公转有关。它们影响到了进入地球表面的辐射能、影响风化（吸收二氧化碳）等过程，从而影响到了全球气候。除此之外，地球系统内部的集中大规模火山喷发，大洋内部热量和盐分的传送带的运转，也有着很重要的影响。
但是，上述深刻影响地球气候的自然因子，没有一项的周期和变化只有短短的一百余年。比如地球轨道参数，可以认为在这一百多年并没有明显变化。
虽然这段时间，也有着众多较短期的自然气候因子，但这些因子要么影响幅度太弱，或者本身周期很短，远不能解释当前这一百多年间持续、急剧升温，并出现【地球历史上极罕见的极大升温速率】情形。
如经常被提及的太阳活动—的确，太阳活动峰值年和低谷年间，输送向地球的辐射强度有差异。但是，这个差异只有总辐射能的千分之一（图5）。代入地球表面能量平衡计算，只会影响到0.1°C左右；而且太阳活动的最显著周期是11年，不足以解释一百多年来的持续变化。
再比如经常提到的厄尔尼诺-拉尼娜事件（图6）。它们是赤道中东太平洋海温异常的两面，周期大约是2-7年，也是在这个时间范畴内，影响最大的气候系统内部自然因子。它们能让全球气温有0.1-0.2°C的起伏，比如今年因为拉尼娜事件的发展，升温的势头暂时被遏制住，不会刷新最高纪录。
但厄尔尼诺-拉尼娜事件，本质上是一个数年周期的往复振荡。它可以看作海洋较深处和陆地-海洋表面间，热量的交换；在厄尔尼诺（拉尼娜）期间，更多的热量被带到表层海洋和大气层（被带到深层海洋），让表面的温度短暂地偏高（偏低）。但如果我们把海洋和大气看成一个整体系统，会发现，这个过程几乎没有改变这个系统的热量总量。
此时，如果我们聚焦更深的海洋，会发现那里的热量在持续增加—而由于海洋的广阔和很大的比热容，全球气温持续升高相应的绝大部分能量，都深埋在了幽深的海洋深处。这正是全球总热量持续增加，和气候持续变暖的重要证据（图7）。

所以是什么因素成为了最重要的原因？
人类活动，包括二氧化碳等温室气体、气溶胶等的大量排放所造成的辐射平衡改变，和对地表的改造造成的反照率改变等等，在当前这个阶段，成为了影响气候的绝对重要的因素。
这其中，最关键也最为人熟知的是温室气体排放。
其实绝大多数种类的温室气体，如二氧化碳、甲烷甚至水蒸气（这个经常被忽略），在人类出现之前早已存在，也发挥了温室效应的作用。它们部分地吸收由地表发出的红外辐射（气候学被称作【长波辐射】），得以将部分热量存留下来，让这颗渺小星球有一定的温存和不息生机；如果我们完全去掉温室气体，地球将是一个平均气温-18°C的大冰球。
这些大气内的温室气体，可以经过海洋、陆地、生物过程等调控与循环；很多远古的碳，也以化石燃料之名沉睡在了深处。
但是，当人类进入工业化时代以来，这些沉睡的远古阳光，再次化身烈焰照耀了这个亿万年后的世界。伴随而来的，是二氧化碳为代表的温室气体浓度失控式增长。在当前，二氧化碳浓度都会在周年循环间持续增长（图8），也在不断刷新近300万年以来的记录—过去一百多年里，二氧化碳浓度的增加量完超出了过往上万年的成果（图9），可想而知当前的速率之大；而这些留存在大气内部的长波辐射能，让气温不断升高—也在这一百年间，完成了过往更久才能达到的升温幅度。
人类活动造成的地球表面系统辐射能改变，至少在【过去一百余年间】，成为了影响全球气候的最重要因子。

Q6: 所以全球气候变化会带来什么？只是平均气温的升高（比如冬季的缩短）、海平面升高么？

A6: 这些提到的是重要的【平均影响】。看起来它们幅度不大，但出现在短时、局地的极端过程中，就有着很严重的影响了。
一是平均值的改变对这些极端事件的影响。例如，先前难以出现的夏季极端高温，站在这个“垫高”的气温平台上，就更容易出现了。同理，海平面上升，会让以往一些不会超出保证潮位的风暴潮，变得更容易造成破坏。
二是极端事件发生的频率，这个相当于事件方差的影响。根据统计，中高纬度多数地区气温的方差已经较过去一百年明显上升，这表明更加偏离平均值的极端高（低）温事件都在增多，也会造成更严重的影响。虽然多数极端事件影响范围和持续时间不是很大，但在这息息相关的寰宇，没有一个地方能独善其身；而也很难完全预测，下一次极端天气事件发生在哪里。

曾经有一句流传很久的话：地球不需要被拯救，人类拯救的只是自己。在很大程度上，这句话很有道理：作为一个岩质星球，过往46亿年它经历了相当多的冷暖沉浮和沧桑变迁，人类文明在它眼中不过是微毫一瞬；但这微毫一瞬，正是我们的全部。因此，我们也需要尽可能将自身对气候的影响降到最低，这是延续我们的未来，也是延续和保护和我们同为地球的短暂过客，却又相遇在这刻时空的其他生灵们。
现在越来越多的人认识到了这一点，也在其中充斥着争论，让其举步维艰；只是我依然对这个寰宇的联合，有着最本性的信心。

没有煤气罐

部分参考文献：
Matthew J. Menne, Claude N. Williams, Byron E. Gleason, et al. The Global Historical Climatology Network Monthly Temperature Dataset, Version 4. J. Climate, 2018, 31(24): 9835-9854. DOI链接：O网页链接
Lijing Cheng, John Abraham, Jiang Zhu, et al. Record-Setting Ocean Warmth Continued in 2019. Adv. Atmos. Sci., 2020, 37(2): 137-142. DOI链接：O网页链接

另外还有联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的相关报告分析，包括2013-14年的第五次评估（AR5）和当前正在进行的第六次评估（AR6）：O网页链接

图片说明：
图1: 以GHCNv4/ERSSTv5两套资料，20世纪平均为0基准，1880-2020年历年1-10月全球平均表面温度的变化。图片来源：O网页链接

图2: 2020年10月全球气温距平（相对1981-2010年10月平均的偏离）。图片来源：O网页链接

图3: 同图1，但为NASA/GISS资料计算的年平均变化（基准为1961-1990年平均）。图片来源：O网页链接

图4: 5.4亿年来，全球平均气温的变化。注意时段离现在越近，时间分辨率越精细。图片来源：O网页链接

图5: 太阳活动21-23周期（1975-2007年）间，对大气层顶垂直角度上的太阳辐射量观测。图片来源：O网页链接

图6: 1870-2007年的MEI指数（基于赤道中东太平洋海温和大气异常的综合指数，可以反映厄尔尼诺-拉尼娜现象）。图片来源：O网页链接
图7: 全球不同深度层面海洋的热收支。图片引自Cheng et al., 2020 链接：O网页链接

图8: 1958年以来，夏威夷冒纳罗亚监测站观测的二氧化碳浓度变化。注意二氧化碳在年内存在周期变化，9月相对低而5月相对高，这与植被的生长有关。图片来源：O网页链接

图9: 由冰芯推断的80万年来二氧化碳浓度变化。

bjnr

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