大气CO₂和其他温室气体含量的增加所可能引起的全球变暖已成为目前最重要、影响最深远的全球环境问题之一。

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全球变暖

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IPCC第四次科学评估报告指出，最近一百年（1906-2005年）全球平均地表温度上升了0.74℃，其中近50年的线性增暖趋势（0.13 ℃/10年）几乎是近100年的两倍。

全球变暖的证据不仅来自于地表温度的观测。资料表明：对流层中下层温度的升高速率与地表温度记录类似。另外，自1961年以来的观测表明，全球海洋平均温度的升高至少已扩展到3000m深度，海洋已经并且正在吸收90-93%被增添到气候系统的热量。这一增暖引起海水膨胀，并造成海平面上升。

大气中的水汽含量在增加。至少从1980s年代开始，无论在陆地和海洋上空，还是在对流层上层，平均大气水汽含量都有所增加。地表温度的上升导致蒸发增加，而较暖的空气能够容纳更多的水汽。这提供了全球气候变暖的间接证据。

南北半球的山地冰川和积雪总体上都呈退缩状况。冰川和冰帽的大范围减少造成的融水，通过径流入海，也导致海平面上升。20世纪全球海平面上升约0.17m，在1961至2003年期间，其上升的平均速率为1.8mm/a左右，但1993年以前验潮仪测量的值可能偏低，在1993至2003年期间卫星测量的结果约为3.1mm/a。尽管这种较高速率所反映的是年代际变率还是长期增加趋势目前尚不清楚，但最新资料显示，格陵兰和南极冰盖范围（面积与厚度）的减小，很可能造成了上述期间的海平面上升。

总之，观测事实表明，气候系统（不仅是大气温度）已经发生了明显的变暖。

图 全球能量平衡（绝对单位，年平均）示意图（Trenberth, Fasullo, and Kiehl, BAMS, 2009, March）。对于气候系统能量平衡的任何扰动将导致地球气候的变化,在气候变化研究中经常使用辐射强迫一词来表征地球辐射收支的变化对气候状态的影响。辐射强迫在数值上定义为某种辐射强迫因子变化时所产生的对流层顶平均净辐射的变化（太阳辐射+红外辐射），单位：W/m2。

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全球变暖的可能原因

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地球气候可以在一切时间尺度发生变化（从10-1年到5×109年），而引起不同时间尺度的气候变化的原因（或称驱动力）是不同的。有的是来自地球系统本身，如火山喷发、海—陆—气相互作用、地壳运动、地球转动等，有的则是地球以外的因子，如太阳变化、银河系尘埃等。不同因子引起的气候变化，不但时间尺度不同，而且空间范围和强度均有所不同。一般来说，较短时间尺度的气候变化其空间范围和强度也相对较小。对于当代气候变化研究来说，目前比较关心的是，百万年尺度的地质年代、万年以上的地球轨道尺度、千年尺度，特别是可能与人类活动有关的百年尺度。

如果考虑人类诞生以来的全球气候变化，则可以将其原因归结为自然因子（例如，太阳变化与火山喷发等）以及人为因子。在人为因子中，主要是（1）地球大气组成的变化；（2）土地利用与土地覆盖的变化（LUCC）。关于如何评价自然或人为因子的气候效应，目前已经提出了若干种方法。例如：地面温度的变化、辐射强迫、全球增温潜能（GWP）与全球温变潜能（GTP）等。

图 不同类型强迫因子和机制的全球平均辐射强迫（据 Forster et al., 2007）。图中显示了工业革命以来不同强迫因子和机制（包括人为的和自然的）产生的全球平均辐射强迫及其不确定范围；图中还同时给出了各种辐射强迫的气候效率因子与其他特征，包括其时间和空间尺度以及科学理解水平。

注：图中气候效率因子并未用来修正图中的辐射强迫数值；时间尺度表示对于某一给定的辐射强迫项，当有关的释放和变化停止后，它仍将在大气中持续的时间。由于CO₂从大气中的清除涉及大量跨越不同时间尺度的过程，对这些过程目前尚未充分了解，因此很难精确地给出一个CO₂强迫的时间度。

自1750年以来，所有人为辐射强迫因子产生的全球平均辐射强迫约为1.6[-1.0,0.8]W/m2，这表明人类活动极有可能对全球气候变暖产生实质性影响。人为辐射强迫很可能至少是太阳变化（总辐射通量密度变化）的辐射强迫的5倍以上。因此，在1950~2005年这50多年间，与人为强迫相比，自然强迫（太阳辐射通量密度变化与火山气溶胶）使全球变暖的可能性几乎不存在。

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未来气候变化的预估

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第四次评估报告第一次通过气候模式科学团体（community）对气候模式所做大量数值试验进行大规模协调、资料管理和资料发布，来自全球各地14个模式中心的23个全球气候系统模式参与了大约14组成因和预估数值试验，其范围和规模都是空前的。而且为了做极端天气气候事件的预估，有些复杂的全球气候系统模式的全球大气环流模式分辨率已经高达20 km。

综合多模式多排放情景预估结果表明，到本世纪末，全球地表平均增温1.1~6.4℃，全球平均海平面上升幅度预估范围为18~59cm。在未来20年中，气温大约以0.2℃/10年的速度升高。即使所有温室气体和气溶胶浓度稳定在2000年水平，每10年也将进一步增暖0.1℃。如果排放处于SRES各情景范围之内，则增暖幅度预计将是其两倍（0.2℃/10年）。如果21世纪温室气体的排放速率不低于现在，将导致气候的进一步变暖，某些变化会比20世纪更明显。

目前对变暖的分布和其他区域尺度特征的预估结果较第三次评估报告更为可信，包括风场、降水、极端事件和冰的某些方面的变化。预计陆地上和北半球高纬地区的增暖最为显著，而南大洋和北大西洋的变暖最弱；积雪会缩减，大部分多年冻土区的融化深度会广泛增加，北极和南极的海冰会退缩。极热事件、热浪和强降水事件的发生频率很可能将会持续上升；年热带气旋（台风和飓风）的强度可能会更强，伴随着更高峰值的风速和更强的降水；热带以外的风暴路径会向极地方向移动，引起热带外地区风、降水和温度场的变化；高纬地区的降水量很可能增多，而多数亚热带大陆地区的降水量可能有所减少。

由于各种气候过程、反馈与时间尺度有关，即使温室气体浓度趋于稳定，人为增暖和海平面上升仍会持续数个世纪。

海洋和陆地生物圈对CO₂吸收的自然过程大约清除了人为CO₂排放的50%~60%，海洋对人为CO₂的吸收，导致了表层海水酸化程度的不断增加。预计21世纪全球平均大洋表面的pH值将会降低0.14~0.35个单位，加剧了工业化前至今0.1个单位的降幅。

本文由刘四旦摘编自浦一芬、戴新刚、张人禾等编著《大气科学研究方法》一书。原文作者：石广玉、王标。标题为编者所加，文字有缩减。

ISBN 978-7-03-043404-3

《大气科学研究方法》收集了大气科学发展过程中一些导致重大科技创新或转折性突破的经典案例，系统总结了这些案例中科学思维的突破、技术或工具的创新，归纳成可供借鉴和运用的大气科学研究方法。特别着重剖析了在大气科学发展史上具有里程碑意义的典型案例，如Rossby波（罗斯贝波）的发现、Lorenz（洛伦茨）混沌理论的提出等。其内容涉及大气探测技术方法、天气预报发展过程、数值天气预报及其理论基础、气候系统概念、海气相互作用、短期气候预测、全球变暖、非线性及可预报性研究等。

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