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转载:冷暖沉浮:关于全球平均温度和气候变化

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发表于 2020-12-08 15:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
https://weibo.com/3296569781/Jx1LszvEY?type=comment#_rnd1607411242471


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。

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 楼主| 发表于 2020-12-08 15:14 | 显示全部楼层
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。
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发表于 2020-12-08 18:08 | 显示全部楼层
好文章  推荐大家好好读读
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