吴其冈：人类活动和全球增暖

【编者按】自上世纪90年代以来，有关全球变暖的争论愈演愈烈，至今已经成为一个重要的政治与生态话题。“复旦通识”组织“全球变暖”系列，邀请不同高校相关学科的教师撰文，从各自的专业领域与学术兴趣出发，围绕全球变暖这一席卷国际政治和社会舆论的重大公共议题，进行不同角度的观察与讨论，思考“人类命运共同体”将如何面对这一可能即将席卷全球的危机。以下是复旦大学大气与海洋科学系吴其冈教授的文章《人类活动和全球增暖》。

全球增暖是当今地球科学的热门研究领域，也是国际社会争论较多的热门话题。自工业化时代以来，人类活动大幅增加二氧化碳等温室气体排放，目前温室气体的浓度远远超出了过去80万年自然变化的范围，全球平均温度增温大约1.1°C，1950年后北半球的平均温度很可能是过去1300年内最温暖的时候。本文主要根据联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）于2007和2013年发表的第四及第五次气候变化评估报告结论，描述过去百年全球变暖的观测事实，解释人为温室气体增加如何导致全球增暖，帮助非大气科学背景的学生理解有关全球变暖的科学问题。

图1. （a）：观测到的全球年平均温度针对1901-1960年平均的异常变化，及1900-2019、1950-2019和1980-2019年的全球平均温度的线性趋势拟合;（b）利用观测温度记录估算的1900-2019年线性全球温度趋势图（黑点表示在95%置信度下，观测格点温度趋势显著）。

地球系统显著暖化

自1850年以来，根据全球平均地表温度的仪器观测测资料，2015-2019年是有记录以来最热的五年，最近120年（1900年-2019年）的温度线性趋势为1.10°C，全球陆地和海洋温度普遍升高，在北半球高纬度地区温度升幅较大，内陆变暖速率比海洋快（图1）。在1950年后，在大部分陆地地区发生冷昼、冷夜和霜冻的频率已经减少，而热昼，热夜和夏季热浪已变得更加频繁。

1980-2019年间全球平均温度线性趋势达每十年0.194°C，远大于1900-2019、1950-2019时间段每十年0.092和0.147°C，表明近期全球温度正在加速上升。全球增温引起北极海冰，北半球春夏季积雪，南北半球的冰川、冰帽和极地冰盖呈现显著融化趋势。卫星资料显示，1980年后北极年平均海冰面积以每十年4.8%的速率退缩，夏季九月份海冰退缩率则高达每十年12.9%，大约50%的夏季海冰已经消失。以上冰雪圈的变化，和海洋增温造成的热膨胀，是全球海平面呈上升趋势的主要原因。自1900年以来，全球平均海平面上升了约0.16米，1900-1990平均上升速率为每十年1.4厘米，而从2006年以来增加到每十年3.6厘米。以上观测记录表明地球系统正经历着一次以变暖为主要特征的显著变化。

图2. 目前地球年度和全球平均能量平衡估算，和自然温室气体效应的示意图（https://www.ipcc.ch/report/ar4）。

温室效应

全球表面的温度由地表能量平衡决定。太阳为地球的气候提供动力，在白天每一秒钟内，到达面向太阳的地球大气顶层表面的能量为每平方米1360瓦特（W）（称为太阳常数），而均摊到整个地球，每秒钟内到达每平方米表面的能量只有太阳常数的四分之一（约340W，图2），到达大气顶层的太阳光中约有30%（100W）被云，气溶胶和地球表面的冰雪等反射回太空，被地球表面吸收161W。为了平衡被吸收的太阳辐射能量，地球本身也必须向太空辐射出长波辐射（398W）。大气中含量最高的气体氮气和氧气对太阳短波辐射和长波辐射几乎没有任何影响，而二氧化碳（CO2），甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）等少量气体，以及云与水汽等可以吸收地表释放的长波热辐射，提高大气温度，同时这些温室气体也各个方向发射长波辐射，其中向地球表面发射长波辐射约为342W。因此，由于温室气体存在，地球失去的长波辐射（56W）远小于地表发射的长波辐射（398W），有助于地球表面的温度升高，就是所谓的自然温室效应。地球表面的净辐射收支为105W（吸收短波辐射和损失长波辐射之和），通过潜热和感热的能量形式被释放给大气104W，大约有1W的热量存储在海洋中，加热海温。有云的夜晚往往比无云的夜晚要温暖，因为云有温室效应，向地表辐射长波能量。假如移去地球大气中所有温室气体，地面接收的太阳辐射和发射的长波辐射处于平衡，这时地球表面的平均温度大约是-19°C，比地表观测温度（14°C）低33°C，届时地球不适合人类居住。金星大气表面95%是CO2，因此金星大气的温室效应远比地球强得多，表面平均温度达730°C。

图3a. 南极冰芯反演的过去的80万年里CO2浓度（百万分率，ppm），CO2浓度的极大和极小值分别对应间冰期和冰期。

图3b. 1958-2019年美国夏威夷温室气体监测CO2浓度变化（https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/）。

人为温室气体增加是全球增暖的主要驱动

增加地表温度可由增加地面接收的太阳短波辐射（通过改变地球轨道或太阳本身，或者减少被反射的那部分太阳辐射），或者通过增加温室气体浓度，减少地球表明的净长波辐射损失。近百年的全球增暖，太阳常数和地球轨道的波动很小，主要是人为温室气体增加造成的。

自工业化时代以来，人类活动大幅增加CO2等温室气体排放，大气中CO2的增长率为海洋吸收率的2倍，在1750，1980和2020年全球平均CO2含量分别为278， 339和415ppm（1ppm 代表百万分之一），自1750年已经上升137ppm （约50%），其中76ppm的涨幅出现于1980 年后，表明CO2排放加速。目前CH4和N2O浓度分别为1875ppb和332ppb （1ppb 代表10亿分之一）。以上三类主要温室气体含量目前已经远远超过了过去80万年的自然变化的范围：180-300ppm （CO2）（图3），330-800ppb（CH4）和200-280ppb（N2O）。 全球CO2浓度的增加主要是由于化石燃料的使用， CH4和N2O浓度主要是由于农业生产，毁林和化石燃料的使用。和1750年相比，这些主要温室气体增加导致大气层顶向太空外长波辐射每平方米减少约3.1W。这相当于在地球大气层顶平均多接收了3.1W的太阳短波辐射，太阳常数必须增加18W （从1360增加到1378W），约1.30%才能达到这个效果，而这远大于1750年以来太阳常数波动范围（大约2W，0.15%的太阳常数）。根据IPCC第四及第五次气候变化评估报告结论，1950年后的全球平均温度增加主要是温室气体增加贡献的。

火山活动也是影响全球温度的重要因子，爆发性火山喷发有时会从高空向大气中喷射出大量的尘埃和硫酸盐气溶胶，增加大气对太阳辐射的反照率，对地表温度有一定的降温作用。在20世纪初期，全球平均温度上升（图1），在这段时间里温室气体的浓度上升较慢，太阳常数有所增加，火山活动规模较小，火山和太阳活动对1900-1950年全球增温大约有一定贡献。在1940-1970年期间，快速的工业化以及随后的二战增加了北半球的污染，大量增加的硫酸盐气溶胶增强对太阳辐射的反射，减少地面吸收的太阳辐射，人为气溶胶增加是这段时间全球平均温度变冷（图1）的主要原因。自1980后温室气体增加远超过火山活动和人为气溶胶增加的降温作用，全球观测温度呈现快速变暖特征。

气候系统存在多种正反馈机制，能进一步增强温室气体的全球增暖温室效应。CO2增加导致地面和大气温度增加，更多陆地和海洋的液态水蒸发进入大气层，大气温度每增加1°C，饱和绝对水汽增加约7%。水汽是最强的温室气体，在地面到5公里之间，其对长波辐射的吸收率远大于其他温室气体，所以水汽的增加将使得地表和大气温度升高更多，从而导致更多的液态水蒸发进入大气层，产生更强的增温，从而构成一个正反馈的过程，称为水汽正反馈，其对温室气体增加导致的全球平均温度增暖幅度放大约一倍。

冰雪对太阳辐射的反照率（0.6-0.8）比陆地和洋面（0.1-0.2）大得多，冰和雪覆盖面积的变化将造成地表接收太阳辐射能量的巨大变化。CO2增加导致地面和大气温度增加，冰和雪开始融化，暴露出来的较深色的地面和洋面有利于吸收更多的太阳热量，地表温度进一步升高，进而又造成更多的雪冰融化，温度再进一步升高，这种反馈循环被称为称为冰雪反照率反馈。以现代气候变化为例，北极附近的变暖比全球其他地方的变暖幅度大得多，这也是因为北冰洋的海冰和周边的雪盖减少的正反馈在起作用。冰雪反照率反馈放大最初由于温室气体的增加而造成的全球平均温度变暖幅度约10-20%。

古气候冰期和间冰期轮回的原因

过去80万年古气候变化具有大约10万年周期的冰期-间冰期旋回特征，距今1.15万年至今是间冰期，大约12.5，24，32.5和41.5万年前均为间冰期（图3）。间冰期有时可能比现代高2-4°C，而冰期则最低可能比现在低8°C，这样的温度振幅远超过目前观测温度变化幅度。冰期和间冰期的转化主要由于地球轨道变化导致的，即米兰科维奇周期或冰期‘轨道’理论解释，其中冰-雪反照率正反馈起着至关重要的作用。冰期通常是地球轨道改变后，北半球夏季高纬度地面接收的太阳辐射减少到极低值，冬季下雪在夏季融化很少，雪累积越来越多，在冰雪反照率正反馈作用下，这使冬季降雪持续整年并因此堆积成北半球冰川的冰盖，造成全球温度下降。同样，间冰期是由于轨道变化决定了具有极大的北半球高纬度夏季太阳辐射的时间段，引起冰川的快速消失和极冰退缩，全球温度升高。

结束语

工业化时代以来燃烧化石燃料和毁林等人来活动，大大地加强了自然温室效应，主导了全球变暖，而太阳和地球轨道因素影响很小。目前CO2排放加速，同时CO2会在大气中滞留时间可以超过50年，按照目前的升温速率，全球平均温度将会在2030-2050年再升高0.4°C。全球快速增暖和海平面上升将影响每个人的生活质量，各国政府需要强有力的国际合作，采取行动减少温室气体排放，增强对气候变化的应对能力。