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編者按

如今，氣候變化已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題，被認(rèn)為是這個時代的決定性問題。在過去的兩周，《知識分子》 “氣候大會特別策劃” 系列回答了 “全球變暖是真的嗎？” “升溫1.5度還是2度，世界會有何不同” “應(yīng)對氣候變化，植樹造林的作用有多大？” 等問題。

今天的文章，將帶領(lǐng)大家一起回顧氣候變化的發(fā)現(xiàn)歷程。

撰文 | 唐自華（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）

責(zé)編 | 王冠麗

氣候變化是如何成為世人關(guān)注的話題？為什么全球變暖成為了焦點(diǎn)？它又怎樣走進(jìn)政治舞臺中央？人類用了200年的時間，才厘清了氣候變化背后的科學(xué)原理，并通過儀器觀測、數(shù)據(jù)集成、模擬計(jì)算深入認(rèn)識了地球氣候系統(tǒng)。

“誰發(fā)現(xiàn)了全球變暖？不是一個人，而是很多個科學(xué)團(tuán)體。他們的成就不僅是積累數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而且把數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。這顯然是一個社會過程。這一過程非常復(fù)雜非常重要。” 美國科學(xué)史家 Spencer Weart 如是說。

今天，我們就共同回顧氣候變化的發(fā)現(xiàn)歷史。

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全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)

氣候變化記錄至少可以追溯到3000年前。竺可楨先生曾援引《左傳》和《詩經(jīng)》中的物候資料來證實(shí)氣候變遷，但認(rèn)識其科學(xué)原理一直要等到19世紀(jì)。

法國數(shù)學(xué)家傅立葉奠定了地表溫度研究基礎(chǔ)。他寫道：“大氣的介入可以增加 [地表] 溫度，因?yàn)殛柟獾臒崃吭诖┻^空氣時遇到的阻力要比在轉(zhuǎn)化為不發(fā)光的熱 [紅外輻射] 時遇到的阻力小”。這被認(rèn)為是大氣溫室效應(yīng)的來源而廣為引用（Fleming, 1999）。

1861年，丁達(dá)爾（John Tyndall）通過實(shí)驗(yàn)測定了氣體吸收和發(fā)射紅外輻射的特征，發(fā)現(xiàn)大氣溫室效應(yīng)是由含量很少的水汽和CO2貢獻(xiàn)的，而主要成分氧氣、氮?dú)獠]有溫室效應(yīng)。這意味著，改變幾種痕量氣體的濃度就可能影響氣候，但丁達(dá)爾還不能定量計(jì)算溫室效應(yīng)。

丁達(dá)爾的實(shí)驗(yàn)裝置（Tyndall, 1861）

1896年，阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）利用月光的觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算了大氣中水汽和CO2對紅外光的吸收特性。考慮水汽和冰-雪反照率的正反饋后，他首次提出，CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。

現(xiàn)在，我們對溫室效應(yīng)的機(jī)制認(rèn)識更清楚，溫室氣體種類更多樣，甚至可以逐條譜線精確計(jì)算紅外光的吸收譜?？紤]更復(fù)雜的反饋過程，根據(jù)最新估計(jì)，CO2濃度加倍，地表溫度將上升1.5-4.5°C。

2

CO2溫室效應(yīng)的第一份觀測證據(jù)

時代為驗(yàn)證阿倫尼烏斯的計(jì)算精度提供了絕佳時機(jī)。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，西方國家的工業(yè)化已經(jīng)如火如荼開始。到二戰(zhàn)前夕，化石燃料燃燒大約累計(jì)排放了1500億噸CO2，推算人為排放的CO2將導(dǎo)致地球每年0.003°C的增溫。而專業(yè)氣象學(xué)者承認(rèn)暫時、區(qū)域的氣候波動，對CO2的溫室效應(yīng)滿腹懷疑。

1938年，英國蒸汽工程師卡倫德（Guy Stewar Callender）發(fā)表了全球147個氣象站的直接觀測數(shù)據(jù)。他詳細(xì)介紹了大氣CO2的累積速率、水汽和CO2對紅外線的吸收、CO2對大氣逆輻射的影響、大氣逆輻射及其與溫度的關(guān)系，觀測數(shù)據(jù)明確揭示：自1880年以來，CO2濃度增加導(dǎo)致地球每年以0.005°C的速度變暖。

第一份器測全球升溫?cái)?shù)據(jù)（Callendar, 1938）

毫不意外，卡倫德的結(jié)果遇到了嚴(yán)重質(zhì)疑。例如，時任英國氣象局局長喬治-辛普森爵士（Sir George Simpson）認(rèn)為大氣尚未達(dá)到輻射平衡，具體地點(diǎn)的溫度幾乎全部由空氣垂直運(yùn)動控制，聲稱溫度與CO2含量同步上升只是巧合。

面對群情洶洶，卡倫德把答案留給了時間，他寫到，“未來20年的溫度曲線將為評價二氧化碳增溫的準(zhǔn)確度提供寶貴證據(jù)”。

不料全球溫度的器測數(shù)據(jù)令人卡倫德大跌眼鏡。

3

二戰(zhàn)后的降溫推動氣候變化研究

1945年二戰(zhàn)結(jié)束，世界范圍內(nèi)的工業(yè)化導(dǎo)致CO2排放量快速增加，1958年CO2排放量幾乎是1945年的2倍。但是，全球溫度在這10余年間卻略有降低（Mitchell et al., 1961）。這迫使氣候?qū)W家不得不去考慮新的反饋機(jī)制。

同一時期，美國學(xué)者花了6年從格陵蘭島西北部的世紀(jì)營（Camp Century）獲得了第一根透底冰芯。研究者注意到，冰芯記錄中，氣候由暖向冷的轉(zhuǎn)變 “短的驚人”：末次冰期的開始只花了100年左右（Dansgaard et al., 1972）。

焦慮在1972年1月達(dá)到高潮。42位學(xué)者在布朗大學(xué)召開研討會，聚焦“間冰期何時以及怎樣結(jié)束”。他們回顧了古氣候研究進(jìn)展，初步達(dá)成共識：當(dāng)下的暖期可能在數(shù)百年內(nèi)以快速降溫宣告結(jié)束；現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以預(yù)測冰期到來的時間和評估人類活動的影響（Kukla & Matthews, 1972）。

Kukla和Matthews給美國總統(tǒng)的信，倡議氣候變化研究

1972年12月3日，哥倫比亞大學(xué)拉蒙特-道爾提地球觀測臺 George Kukla 和布朗大學(xué)地質(zhì)系主任 Robert Matthews 以會議紀(jì)要為藍(lán)本，聯(lián)名致信美國總統(tǒng)尼克松，稱 “幅度史無前例的全球氣候惡化，具有非常真實(shí)的可能性，而且可能很快到來”。一個月后，美國國務(wù)院國際科技事務(wù)局復(fù)函，將信件交大氣科學(xué)跨部門委員會評審。評審順利通過。1974年8月美國商務(wù)部負(fù)責(zé)組建氣候變化委員會，美國海洋和大氣管理局局長兼任委員會主席。

氣候變化研究歷史中，Kukla 和 Matthews 的這封信影響力絕無僅有：氣候變化從此登上美國政治舞臺，在極大推動相關(guān)研究的同時，也成為各方政治力量角逐的舞臺。

4

全球變暖蓄勢待發(fā)

1958年3月，在二戰(zhàn)后降溫初步確認(rèn)的同時，Charles Keeling 開始在夏威夷群島冒納羅亞火山長期定點(diǎn)觀測大氣CO2濃度，1960年首次公開數(shù)據(jù)。

海洋地球化學(xué)家 Wallace Broecker 冷靜地審閱了世紀(jì)營冰芯數(shù)據(jù)。他注意到，過去1000年中，世紀(jì)營冰芯的溫度變化存在80和180年周期，1945年開始的降溫可能是溫度自然波動的一部分。他還利用數(shù)值模擬評估了實(shí)測CO2增量對溫度的影響，并按3%的化石燃料增長速度預(yù)測未來溫度變化。1975年8月8日，他論文中斷言，自然降溫已經(jīng)被人為排放CO2的溫室效應(yīng)所補(bǔ)償，降溫將在1980年代的某個時候停止；之后，CO2將主導(dǎo)全球溫度變化，到21世紀(jì)最初十年，我們將經(jīng)歷過去1000年里從未有過的溫暖氣候。

1975年8月8日，Global Warming首次作為科學(xué)術(shù)語出現(xiàn)

之后，全球溫度一路走高，到2015年，溫度曲線幾乎完美契合了 Broecker 論文的預(yù)測。

Broecker的論文標(biāo)題是Climatic change: are we on the brink of a pronounced global warming ?，這被認(rèn)為是 “全球變暖” 作為科學(xué)名詞誕生的標(biāo)志。全球變暖迅速被學(xué)界廣泛接受。1976年，蘇聯(lián)著名氣象學(xué)家、物理氣候?qū)W先驅(qū) Mikhail Budyko 聲稱，“全球已經(jīng)開始變暖。” 1979年，美國國家科學(xué)院發(fā)表了由 Jule Charney 領(lǐng)銜的科學(xué)報(bào)告《二氧化碳和氣候》，肯定人為CO2排放導(dǎo)致升溫。這份包括附錄在內(nèi)只有22頁的報(bào)告首開氣候評估先河。

5

IPCC走進(jìn)舞臺中央

1986年，“全球變暖” 誕生僅僅十年后，不同團(tuán)隊(duì)集成的數(shù)據(jù)顯示，過去十年是有器測記錄以來最熱的十年。

以全球變暖為主要特征的氣候變化迫在眉睫，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署于1988年成立了政府間氣候變化專門委員會（IPCC），試圖為決策者提供有關(guān)氣候變化嚴(yán)格而均衡的科學(xué)信息。IPCC 主要通過評估已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)，發(fā)布?xì)夂蜃兓u估報(bào)告。迄今，IPCC 先后發(fā)表了5輪氣候變化評估報(bào)告。報(bào)告使用 “全球變暖” 描述與溫室氣體濃度增加有關(guān)的地球升溫，用 “氣候變化” 表述更廣泛的氣候響應(yīng)。

到1990年，全球氣溫在過去100年中上升0.3-0.6°C，器測記錄顯示5個全球溫度最高的年份都出現(xiàn)在1980年代，海平面上升10-20厘米。IPCC發(fā)表了第一次氣候變化評估報(bào)告，肯定了氣候變化，但還不能明確人為活動的影響。

5年后，IPCC第二次報(bào)告中指出，人類活動對氣候系統(tǒng)的影響可以 “被檢測出來”，氣候變化已經(jīng)帶來了許多不可逆轉(zhuǎn)的影響。

進(jìn)一步認(rèn)識人為因素對變暖的影響，需要評價目前的變暖在歷史中的地位。1998-1999年，Michael Mann 等發(fā)表的過去千年溫度重建序列顯示：前900年溫度持續(xù)緩慢降低，最近100年突然上升，成為最溫暖的一個世紀(jì)，即曲棍球棒形狀的溫度曲線。作者言之鑿鑿，論文萬眾矚目。

2001年，第三次氣候變化報(bào)告明確指出，“新的更強(qiáng)證據(jù)表明，過去50年觀察到的大部分增暖可以歸咎于人類活動”，認(rèn)為 “通過減少溫室氣體排放，可以降低預(yù)測的氣候變暖和海平面上升的速率和程度”。20世紀(jì)后期北半球史無前例的增溫得到了越來越多的支持。

Mann等（1999）重建的過去千年溫度序列，“曲棍球棒”

2007年的第四次評估報(bào)告承認(rèn)溫度重建存在覆蓋度不夠和結(jié)果不確定性等問題，同時堅(jiān)持認(rèn)為：氣候系統(tǒng)變暖毋庸置疑；自20世紀(jì)下半葉北半球平均溫度很可能高于近500年任何時段的平均溫度，并且可能最近1300年中最高的；人為溫室氣體排放很可能是變暖主要原因；積極推動各國積極減排溫室氣體。

IPCC最新的氣候變化評估報(bào)告發(fā)表于2013年。報(bào)告顯示，1880-2012年全球增溫0.85°C，同時強(qiáng)調(diào)，“人為溫室氣體排放極可能是20世紀(jì)中期以來氣候變暖的主要原因。”過去30年里，謹(jǐn)慎評估了各種溫室氣體的不確定性、氣候系統(tǒng)調(diào)整與反饋過程的復(fù)雜性，排除了合理的懷疑之后，IPCC（2019）愈發(fā)肯定：只有人為溫室氣體排放導(dǎo)致全球變暖，才能完整解釋工業(yè)革命以來的氣候系統(tǒng)變異。

1850年以來的全球溫度和CO2記錄

這個判斷是不斷深入認(rèn)識氣候系統(tǒng)才逐漸明確的。兩百年來，無數(shù)學(xué)者從原理、實(shí)驗(yàn)、觀測、模擬、集成等等方面不斷迭代、反復(fù)檢驗(yàn)，最終在IPCC主持下，全球變暖成為數(shù)千位專家經(jīng)過不計(jì)其數(shù)的討論達(dá)成的共識。

誠如美國科學(xué)史家 Spencer Weart 所言：“誰發(fā)現(xiàn)了全球變暖？不是一個人，而是很多個科學(xué)團(tuán)體。他們的成就不但積累數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，更要把數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。這顯然是社會過程。這一過程非常復(fù)雜非常重要，因此，最終被體制化為IPCC 的研討、評閱以及談判。”