1、全球氣候變暖研究中的不確定性龔道溢1）王紹武2）1）北京師范大學資源科學研究所環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京，1008752）北京大學地球物理系,北京，100871摘要：本文討論了有關全球變暖研究中存在的一些不確定性。主要包括三個方面，即資料方面的不確定性，氣候變化機制方面的不確定性和預測方面的不確定性。城市熱島效應是資料中最大的誤差來源，特別是一些最近幾十年快速發展的城市，其熱島效應的誤差沒有很好地得到檢查和排除。資料覆蓋面也很不完善。地面觀測溫度在1979年到1999年的趨勢是0.19rC/10a,但覆蓋全球的衛星觀測資料（反映對流層低層到中層）趨勢只有0.06七/10a。北極地

2、區的溫度變化也沒有設想的那樣強烈。使用海表溫度比使用海表氣溫得到的變暖估計值偏高。1979年以來，用氣溫代替海溫，趨勢只有0.13七/10a。海洋在氣候變化中的作用需要更深入的研究。利用代用資料來估計全球溫度的變化，帶來的不確定性較大，特別是樹木年輪，因為CO2濃度的增加可以加速植物的生長，其年輪寬度并不一定主要反映與溫度的關系。未來氣候變化的預測有很大的不確定性，到2100年全球平均氣溫達+1.4七+5.8七的估計很可能偏（Wj。關鍵詞：氣候變暖，不確定性，預測中圖分類號：P467文獻標識碼：A1前言近地面觀測的溫度顯示，近一百多年來全球溫度有強烈的增暖，線性趨勢達到+0.44C/100ao

3、在觀測的記錄中1998年是有觀測記錄以來，全球溫度最高的一年，溫度距平達到+0.57七1-3,20世紀90年代是近百年最暖的10年。許多代用資料建立的長序列則表明，不僅1998年是近千年來溫度最高的一年，而且整個20世紀也是近千年中最暖的一個世紀4。許多的研究把人類活動造成的CO2增加，看成是造成全球變暖的主要原因。不過，長期以來對此就有不同的觀點，不僅是對變暖的原因，還包括變暖本身都有爭議5。當然，全球氣候變暖研究中的確還存在許多的不確定性，有些方面的不確定性還相當大，因此，要想更好地理解全球變暖及其原因，有必要對這些不確定性作出了解。本文從幾個不同方面對此進行討論。2資料中的不確定性資料中

4、最大的問題是城市熱島效應的影響。目前所使用的地面溫度觀測記錄大部分都是來自大的城市。而隨著城市的發展，熱島效應必然會造成長期的氣候序列產生系統的偏差。如何合理地排除這部分誤差，尚無滿意的結果。一些全球平均溫度序列都是由全球數千個觀*國家自然科學基金（40105007）及國家重點基礎研究發展規劃首批項目（G1998040900）資助第一作者簡介：龔道溢，男，湖南石門人，1969年1月生，理學博士，主要從事氣候診斷分析與全球變化研究。網址:;Email:gdy測站結果處理而來，嚴格意義上來講，只有那些位于郊區或鄉村的觀測才能直接使用，而在城市中的資料都可能不同程度地受到了熱島效應的影響。目前還沒有

5、任何一種方法可以對每一個測站都進行熱島效應的檢驗和訂正。例如有些研究指出，很多情況下，對北美一些大城市熱島效應的估計可能過低6,因此造成訂正后的結果也是溫度偏高。而且由于各個國家和地區的經濟和城市的發展水平有很大的不同，也給統一的訂正造成極大困難。比如，我國北方的許多城市的觀測氣溫近幾十年來都有非常迅速的變暖，如果這種變暖完全是由于全球變暖造成的，那么相隔不遠的兩個站的溫度的差值應該保持穩定。但是實際上情況不是這樣，例如北京與規模相對比較小的承德市，年平均溫度在1980年代以來異常偏高，上海與屯溪的差值也是如此，見圖1。這說明自從改革開發以來，我國大城市的快速發展造成的熱島效應已經對其溫度觀測

6、記錄造成了深刻的影響。如果初步將他們的溫度差值的增加看成是熱島效應的貢獻，除去之后，則北京和上海觀測氣溫近來的快速上升趨勢就會大大地下降。在Jones和Hansen等的全球溫度數據中，對一些測站由于城市化造成的熱島效應的影響有一些控制和檢驗措施，如果熱島效應是長期存在緩慢增加的話，情況還好處理一些，但是如果只是在最近的幾十年中才特別明顯，象中國的許多城市一樣，則很難單獨進行處理和剔除。19501955196019651970197519801985199019952000(?券圖1.幾個大城市與周圍較小城市年平均溫度的差值.實線是北京與承德氣溫的差，虛線是上海與屯溪的差.都已經處理為對整個序列

7、平均的距平值.Figure 1. Annualtemperaturedifferencebetweenthebigcitiesandtherelativesmallcities.SolidlineshowstheresultofBeijingminusChende,anddashedlineforShanghaiminusTunxi.C/圖2.不同的溫度資料體現出來的趨勢差別。代表陸地氣溫和海表溫度，“十”代表陸地氣溫和海面氣溫，“”代表衛星觀測氣溫Figure 2. Temperaturetrendsrevealedbythedifferentdatasets.“'Landairte

8、mperature+seasurfacetemperature,“4Landairtemperature+marineairtemperature,"*Satelliterecords.觀測資料覆蓋面的不足也是一個大的問題。近百年來比較好的有連續觀測資料的臺站，其覆蓋范圍大致上只占整個地球表面積的18%左右。即使是現在覆蓋面大大改善后，在極地和海洋地區的觀測仍然是明顯不足。目前的全球溫度序列是根據陸地的觀測氣溫和海洋表層溫度來計算的，而海洋表層溫度和海面氣溫是有差別的。Christy等7最近做了一個試驗，比較了用海表溫度和海面氣溫可能造成的誤差。結果發現，如果不用海表溫度(SST)而

9、改用海面氣溫，1979年到1999年期間全球平均溫度的線性趨勢下降到了0.13。/10a，比用海表溫度序列的同期全球溫度趨勢(0.19七/10a)有顯著下降，幅度高達32%。見圖2。代用資料估計溫度的長期變化，也存在很多的不確定因素。在眾多代用資料中，只有根據雪線和鉆孔地溫廓線反演的地表溫度的誤差最小，在0.5七以內。其他的代用資料誤差都較大。通常使用最多的是樹木年輪，不過根據樹木年輪重建的氣溫和地溫廓線反演的地表溫度之間有明顯的偏差。見表1。根據鉆孔溫度反演的地表溫度變化，要比用樹木年輪重建的溫度變化幅度大，工業革命后的1960-1991平均值比工業革命前的1500-1700年平均值要高出約

10、0.8C,考慮到前面的一段時期正好處于小冰期，所以這個量級的升溫看起來也比較合理。而用樹木年輪重建的溫度，升溫的幅度只有大約0.33七。二者間相差0.47七，這個數值與近百年來的全球增溫屬一個量級。Mann等4利用樹木年輪重建了公元1000年以來的平均溫度序列，不過在這個千年序列中，中世紀暖期和小冰期都不明顯，只是從19世紀后期以來氣溫有強烈的上升趨勢。Mann等的解釋是小冰期和中世紀暖期可能都是局地現象，因此做了半球或全球平均后就不明顯了。對此，是有很大爭議的，Broecher8專門在“科學”雜志上撰寫了一篇論文，指出近千年來中的一些特殊氣候時期和事件的尺度是全球性的。而且在整個全新世中全球

11、氣候存在1500年左右的自然周期波動，最近的溫度上升很可能是這種波動的表現。表1.不同作者和資料反映的工業革命后與工業革命前的平均溫度的變化Table1.Differentwarmingduringtheindustrialperiodsinducedfromtheproxydata.作年份溫度差C資料文獻Overpeck19970.9*鉆孔溫度9Huang等20000.9*鉆孔溫度10Harris和Champman20010.7*鉆孔溫度11Crowely和Lowery20000.3*樹輪12Mann等19990.3*樹輪4Jones等19980.4*樹輪13*19601991平均減1500

12、1600平均，*19601991平均減15001700平均近來有研究指出，利用樹木年輪的寬度重建過去的溫度，可能并不能真正反映溫度的變化，因為植物的光合作用對大氣中CO2的含量很敏感，近百年來的樹木年輪寬度的增加可能是植物生理特性對CO2的響應。只有CO2與植物的生長之間的關系保持穩定，那么重建的氣候序列才是可靠的，實際上這種關系是隨時間在不斷變化的，后果是造成木材的加速生長，而目前的重建研究中沒有考慮到這一點14,15。木材的密度對此可能不敏感，如果不用寬度而使用木材的密度，則會有不同的結果。Briffa16曾用了北半球近400個地方的密度年表，Mann等4的結果形成重建的溫度序列并沒有反映

13、出近百年來有非常強烈的變暖趨勢。這與了很大的反差。3機制的不確定性模式和理論研究表明，如果由于溫室氣體增加造成的全球溫度變暖，在高緯度地區將非常最突出，尤其是北極地區溫度的強烈上升。根據觀測資料，北半球高緯度地區（55叭-854）的溫度上升趨勢在1920年代到1940年代期間，比1970年代以來更強烈，近期的平均溫度也只是大體與1930年代的水平相當17。而Pryzbylak18使用了更能反映北極的觀測臺站資料（70N85N）,其資料只用到1990年代初，結果表明從1940年代開始，溫度一直在下降，即使是從1980年代到1990年代初，溫度也沒有很明顯的變暖趨勢。其他的不同來源的資料也證實了這

14、個結論19。如果包括更低緯度的地區（到55口N）,在最近的30年中，就會出現約1.5七的變暖，因此，溫度的上升更主要的是中緯度地區而不是北極。而中緯度（尤其是亞歐大陸地區）的地面溫度與大氣環流有非常密切的關系，其溫度的明顯改變并不一定完全是反映出溫室效應的結果2°23。根據模式模擬的結果，如果溫室效應在溫度變化中是居于主導地位，那么近百年來由于CO2的增加，全球平均溫度應該已經上升了大約1七。不過實際觀測資料的結果并沒有這樣大，一個方面可能是模式本身的問題，也可能是氣候系統還有其他的過程在起作用，尤其是有巨大熱容量的海洋。Levitus等24發現全球幾大洋3000米厚的上層海水從19

15、55年到1995年所儲存的熱量增加了2父1023焦爾，溫度增加了0.06C這相當于地表有凈的0.3W/m2的熱量通量。因此一些人認為全球氣候模式模擬的溫度變化在1970年代以來高于世紀觀測結果，是因為模式中沒有考慮到這些進入海水中的“額外”的熱量。如果模式中這些熱量通過某種機制進入海洋中，那么模擬結果會有很大的改善。不過，相對大氣來說，海洋是非常穩定的流體，上部暖而輕，下部冷而重，因此沒有很強的類似大氣中的對流。這些“額外”的熱量如何進入上層海洋的呢？并不清除，因為海洋溫度的升高并非由大氣的加熱所引起，太陽輻射最多也只能到達表層100米的深度，而且表層海水是通過與大氣的能量交換達到熱量平衡的，

16、而不是與更深層次的海水。這些都無法解釋上層和中層海水的溫度上升。近來強調大洋溫鹽環流的作用，不過其時間尺度與最近的氣候變化并不匹配。觀測資料顯示近幾十年來海水表層的溫度也大致經歷了兩次明顯的增溫，一次在1920到1940年代，另外一次是從1970年代后期以來。但是海水中熱量的增加總是超前海表溫度的變暖。海洋中增加的熱量什么時候，以何種形式釋放出來呢？都還不清除。有人估計可能會在21世紀，所以在做未來氣候預測的時候，這些熱量釋放到大氣中后會加劇全球溫度的上升趨勢。衛星觀測、探空氣球和地面觀測結果存在明顯差別的事實，已經引起人們的極大關注。由于對流層通常被看做充分混合的氣層，因此，整個氣層中從低空

17、到高空的溫度變化應該有很好的一致性。CO2增加氣候變化的模式研究中也說明整個對流層應該是一致變暖。從1979年1月開始，NOAA衛星搭載的微波探測儀（MSU）可以精確地遙感對流層低層（10008000m）的大氣溫度，精度可以達到0.01七，而且可以完整覆蓋整個地球。MSU探測的全球對流層底層平均氣溫從1979年到1999年期間的線性趨勢只有+0.06七/10a,如果去掉1998年強大的ElNino事件的影響，則幾乎沒有變暖的趨勢。Jones等25比較了MSU與地面觀測資料的異同，發現在北美，歐洲，澳大利亞等觀測資料比較可靠的地區，二者相當一致。而關系不太好的地區包括了印度洋、東南亞、西非、巴西

18、中部、太平洋一些地區、以及西伯利亞東北部地區。顯然，這些地區都是缺乏可靠觀測資料的地區。MSU資料的可靠性也可以用探空氣球觀測的對流層低層氣溫來作驗證，用與MSU大體相同的高度，計算的探空觀測氣溫與MSU溫度幾乎完全一致26。這也從另外一個方面說明MSU資料的科學性。由于衛星觀測的氣球氣溫與地面臺站觀測的氣溫的趨勢相差太大，不得不促使人們去查明原因。究竟是什么原因造成了二者的差別？是地面觀測氣溫的趨勢有誤，還是衛星觀測資料不對呢？美國國家研究委員會（NRC）專門對此問題進行了研究26。不過最后的結論是這兩種資料都是正確的，是某種未知的大氣物理過程造成了二者的差別。其結論的說服力顯得不夠充分，不

19、過至少有一點可以肯定，最近幾十年全球氣溫的變暖并非象以前認為的那樣整個對流層都迅速升溫，而是只出現在近地面非常薄的一層大氣中。從以往的氣候歷史看CO2與溫度的關系，會發現二者也存在許多的不確定性。最后盛冰期向全新世過渡期期間，從17000aBp到11000aBP,溫度迅速升高，同時CO2也增加了40%,從189Ppm增加到了265ppm,但是，CO2的變化要落后于溫度的變化落后約800年27,這可能意味著，CO2不一定就是氣候變化的絕對驅動因子，而溫度的變化則可能是CO2的變化的原因。Fischer等28研究了最近三次大冰期結束時的情況，發現大冰期結束后全球溫度的上升同樣是超前CO2的增加。與

20、此相類似，冰期開始時，CO2的減少也落后溫度的下降數千年29。此外，一些短時段內，如DO循環或新仙女木事件中，全球的氣溫變化也可以達到數攝氏度，但同期的CO2濃度的變化則少于10ppm。這些特殊時段全球溫度的變化與CO2沒有多大的關系。最近的一個世紀全球溫度的變暖，還沒有達到大暖期的程度。而從大暖期以來的長期的趨勢變化看，溫度與CO2的關系也并非完全一致。從8200aBp到1200aBP,圖3.重建的過去近千年北半球溫度4以及預測的未來100年全球溫度變化31,32Fig.3 Reconstructed northern hemispheric temperature for the past

21、 millennium全球的溫度是緩慢地在下降，而CO2則增加了約25ppm,而且這種增加基本上是線形的30。431,32andtheprojectedglobaltemperatureduringthe21stcentury4預測的不確定性要對未來氣候變化的情景作出可靠的預測目前還存在很多的困難。如果簡單地把預測看成是一個從輸入到輸出的問題，觀測的氣候變化是輸入參數，未來的變化是輸出參數，那么，誤差來源有兩個，一個是輸入參數。輸入參數的信度有多大呢？IPCC報告中給出了12個不同的因子，包括氣溫和降水強度等，目前對這些因子及其變化的科學理解水平參差不齊，“很低”的占67%（8個因子），“低到

22、很低”的占75%,達到“高”的只有一個因子。另一種誤差來源于處理過程。主要是強迫的估計和參數化引起的不確定性造成的。目前各種強迫因子的強度只能給出一個可能的變化范圍，有些因子如氣溶膠的間接影響，其相應的溫度響應從0七到-1.5七，一些礦物顆粒的響應在-0.5七到+0.5七，是正是負甚至都還不能確定。把所有的溫室氣體，氣溶膠，土地利用造成的反照率，太陽活動，臭氧等都考慮進來，則溫度的可能響應是一個很大的變化范圍，從+3.2七到-1.8七，上下可以相差到5七。這個數值是近百年觀測溫度變化量的十倍，與冰期和間冰期氣溫的變化都大體相當了。基于這種不確定性的估計，對未來一個世紀氣候的預測也當然有很多的問

23、題。IPCC第3次報告作出的預測是，到2100年全球平均氣溫達到1.4P到5.8二31,32,為了直觀比較，圖3中給出了重建、觀測和預測的氣溫。最突出的特點有兩個，一是與過去一千年作比較，未來的升溫幅度是相當大的，其次一個特點是未來溫度變化的可能范圍也是巨大的。1995年IPCC第二次評估報告中給出的預測全球溫度變化在1.0七到3.5七，最新的估計比上次的估計偏高了1.4七，變化幅度也更大。這也意味著預測的不確定性更大。只有更好地解決了這些不確定性，對未來的預測水平才有可能得到提高。5結論近百年來全球溫度的增加主要是接近地表層的大氣的升溫，整個對流層溫度并沒有相應程度的顯著上升。考慮到資料中的

24、城市熱島效應、資料覆蓋面、分辨率等的影響，近一個世紀以來的溫度變化趨勢可能并沒有原來估計的那樣高。全球溫度變化中氣候系統其他成員，特別是海洋發揮了什么樣的作用，以及將來會發揮什么樣的作用，還不清楚。基于很大不確定性作出的未來氣候變化的預測，可信度相對較低。IPCC做出的到2100年全球溫度變化到達+1.4C+5.8C的估計，很可能是偏高了33。參考文獻1 HoughtonJT,FilhoLGM,CallanderBA,etal,(Eds).ClimateChange1995:TheScienceofClimateChange.CambridgeUniversityPress,Cambridge

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39、series,(b)mechanismofglobalclimatechangeand(c)thescientificunderstandingoftheobservedclimateelements,includingthevariability,theappropriateparameterization,andthereproducingintheclimatesimulation.Basedonthosefactorstheprojectionoffutureclimateismade.Onthedata,thebiggestproblemistheurban-heat-islande

40、ffectinthetemperaturerecords,temperaturemeasurementsmadeinrapidlygrowingcitiesmaybecontaminatedbythiskindofhuman-inducedexcessiveheat.Thisgivesafalseimpressionoflong-termwarming.Althoughtheurbanadjustmentisoftenapplied,therearestillconsiderableerrors.Thethoroughcorrectionisverydifficult,sincetherearenon-stableurbanizationeffectallovertheworldandthroughalltimes.Forexample,themanifestfalsewarmingappearinthebigcitiesinChinaduetotherapiddevelopmentandpopulationexpandingsincethelate1970s.Thesehuman-inducedtemperatureincreaseshavenotbeencorrectedpriortobeingaveragedtogettheglobalm