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媒体：知识分子 作者：唐自华
专业号：袁帅
2020/5/31 13:39:33
气候变化是如何被发现的？| 气候大会特别策划
编者按
如今，气候变化已经成为全球关注的焦点问题，被认为是这个时代的决定性问题。在过去的两周，《知识分子》 “气候大会特别策划” 系列回答了 “全球变暖是真的吗？” “升温1.5度还是2度，世界会有何不同” “应对气候变化，植树造林的作用有多大？” 等问题。
今天的文章，将带领大家一起回顾气候变化的发现历程。
撰文 | 唐自华（中国科学院地质与地球物理研究所）
责编 | 王冠丽
气候变化是如何成为世人关注的话题？为什么全球变暖成为了焦点？它又怎样走进政治舞台中央？人类用了200年的时间，才厘清了气候变化背后的科学原理，并通过仪器观测、数据集成、模拟计算深入认识了地球气候系统。
“谁发现了全球变暖？不是一个人，而是很多个科学团体。他们的成就不仅是积累数据进行计算，而且把数据联系在一起。这显然是一个社会过程。这一过程非常复杂非常重要。” 美国科学史家 Spencer Weart 如是说。
今天，我们就共同回顾气候变化的发现历史。
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全球变暖的科学基础
气候变化记录至少可以追溯到3000年前。竺可桢先生曾援引《左传》和《诗经》中的物候资料来证实气候变迁，但认识其科学原理一直要等到19世纪。
法国数学家傅立叶奠定了地表温度研究基础。他写道：“大气的介入可以增加 [地表] 温度，因为阳光的热量在穿过空气时遇到的阻力要比在转化为不发光的热 [红外辐射] 时遇到的阻力小”。这被认为是大气温室效应的来源而广为引用（Fleming, 1999）。
1861年，丁达尔（John Tyndall）通过实验测定了气体吸收和发射红外辐射的特征，发现大气温室效应是由含量很少的水汽和CO2贡献的，而主要成分氧气、氮气并没有温室效应。这意味着，改变几种痕量气体的浓度就可能影响气候，但丁达尔还不能定量计算温室效应。
丁达尔的实验装置（Tyndall, 1861）
1896年，阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）利用月光的观测数据，计算了大气中水汽和CO2对红外光的吸收特性。考虑水汽和冰-雪反照率的正反馈后，他首次提出，CO2浓度增加一倍，全球温度将升高6°C。
现在，我们对温室效应的机制认识更清楚，温室气体种类更多样，甚至可以逐条谱线精确计算红外光的吸收谱。考虑更复杂的反馈过程，根据最新估计，CO2浓度加倍，地表温度将上升1.5-4.5°C。
2
CO2温室效应的第一份观测证据
时代为验证阿伦尼乌斯的计算精度提供了绝佳时机。
19世纪末20世纪初，西方国家的工业化已经如火如荼开始。到二战前夕，化石燃料燃烧大约累计排放了1500亿吨CO2，推算人为排放的CO2将导致地球每年0.003°C的增温。而专业气象学者承认暂时、区域的气候波动，对CO2的温室效应满腹怀疑。
1938年，英国蒸汽工程师卡伦德（Guy Stewar Callender）发表了全球147个气象站的直接观测数据。他详细介绍了大气CO2的累积速率、水汽和CO2对红外线的吸收、CO2对大气逆辐射的影响、大气逆辐射及其与温度的关系，观测数据明确揭示：自1880年以来，CO2浓度增加导致地球每年以0.005°C的速度变暖。
第一份器测全球升温数据（Callendar, 1938）
毫不意外，卡伦德的结果遇到了严重质疑。例如，时任英国气象局局长乔治-辛普森爵士（Sir George Simpson）认为大气尚未达到辐射平衡，具体地点的温度几乎全部由空气垂直运动控制，声称温度与CO2含量同步上升只是巧合。
面对群情汹汹，卡伦德把答案留给了时间，他写到，“未来20年的温度曲线将为评价二氧化碳增温的准确度提供宝贵证据”。
不料全球温度的器测数据令人卡伦德大跌眼镜。
3
二战后的降温推动气候变化研究
1945年二战结束，世界范围内的工业化导致CO2排放量快速增加，1958年CO2排放量几乎是1945年的2倍。但是，全球温度在这10余年间却略有降低（Mitchell et al., 1961）。这迫使气候学家不得不去考虑新的反馈机制。
同一时期，美国学者花了6年从格陵兰岛西北部的世纪营（Camp Century）获得了第一根透底冰芯。研究者注意到，冰芯记录中，气候由暖向冷的转变 “短的惊人”：末次冰期的开始只花了100年左右（Dansgaard et al., 1972）。
焦虑在1972年1月达到高潮。42位学者在布朗大学召开研讨会，聚焦“间冰期何时以及怎样结束”。他们回顾了古气候研究进展，初步达成共识：当下的暖期可能在数百年内以快速降温宣告结束；现有数据不足以预测冰期到来的时间和评估人类活动的影响（Kukla & Matthews, 1972）。
Kukla和Matthews给美国总统的信，倡议气候变化研究
1972年12月3日，哥伦比亚大学拉蒙特-道尔提地球观测台 George Kukla 和布朗大学地质系主任 Robert Matthews 以会议纪要为蓝本，联名致信美国总统尼克松，称 “幅度史无前例的全球气候恶化，具有非常真实的可能性，而且可能很快到来”。一个月后，美国国务院国际科技事务局复函，将信件交大气科学跨部门委员会评审。评审顺利通过。1974年8月美国商务部负责组建气候变化委员会，美国海洋和大气管理局局长兼任委员会主席。
气候变化研究历史中，Kukla 和 Matthews 的这封信影响力绝无仅有：气候变化从此登上美国政治舞台，在极大推动相关研究的同时，也成为各方政治力量角逐的舞台。
4
全球变暖蓄势待发
1958年3月，在二战后降温初步确认的同时，Charles Keeling 开始在夏威夷群岛冒纳罗亚火山长期定点观测大气CO2浓度，1960年首次公开数据。
海洋地球化学家 Wallace Broecker 冷静地审阅了世纪营冰芯数据。他注意到，过去1000年中，世纪营冰芯的温度变化存在80和180年周期，1945年开始的降温可能是温度自然波动的一部分。他还利用数值模拟评估了实测CO2增量对温度的影响，并按3%的化石燃料增长速度预测未来温度变化。1975年8月8日，他论文中断言，自然降温已经被人为排放CO2的温室效应所补偿，降温将在1980年代的某个时候停止；之后，CO2将主导全球温度变化，到21世纪最初十年，我们将经历过去1000年里从未有过的温暖气候。
1975年8月8日，Global Warming首次作为科学术语出现
之后，全球温度一路走高，到2015年，温度曲线几乎完美契合了 Broecker 论文的预测。
Broecker的论文标题是Climatic change: are we on the brink of a pronounced global warming ?，这被认为是 “全球变暖” 作为科学名词诞生的标志。全球变暖迅速被学界广泛接受。1976年，苏联著名气象学家、物理气候学先驱 Mikhail Budyko 声称，“全球已经开始变暖。” 1979年，美国国家科学院发表了由 Jule Charney 领衔的科学报告《二氧化碳和气候》，肯定人为CO2排放导致升温。这份包括附录在内只有22页的报告首开气候评估先河。
5
IPCC走进舞台中央
1986年，“全球变暖” 诞生仅仅十年后，不同团队集成的数据显示，过去十年是有器测记录以来最热的十年。
以全球变暖为主要特征的气候变化迫在眉睫，世界气象组织和联合国环境规划署于1988年成立了政府间气候变化专门委员会（IPCC），试图为决策者提供有关气候变化严格而均衡的科学信息。IPCC 主要通过评估已经发表的文献，发布气候变化评估报告。迄今，IPCC 先后发表了5轮气候变化评估报告。报告使用 “全球变暖” 描述与温室气体浓度增加有关的地球升温，用 “气候变化” 表述更广泛的气候响应。
到1990年，全球气温在过去100年中上升0.3-0.6°C，器测记录显示5个全球温度最高的年份都出现在1980年代，海平面上升10-20厘米。IPCC发表了第一次气候变化评估报告，肯定了气候变化，但还不能明确人为活动的影响。
5年后，IPCC第二次报告中指出，人类活动对气候系统的影响可以 “被检测出来”，气候变化已经带来了许多不可逆转的影响。
进一步认识人为因素对变暖的影响，需要评价目前的变暖在历史中的地位。1998-1999年，Michael Mann 等发表的过去千年温度重建序列显示：前900年温度持续缓慢降低，最近100年突然上升，成为最温暖的一个世纪，即曲棍球棒形状的温度曲线。作者言之凿凿，论文万众瞩目。
2001年，第三次气候变化报告明确指出，“新的更强证据表明，过去50年观察到的大部分增暖可以归咎于人类活动”，认为 “通过减少温室气体排放，可以降低预测的气候变暖和海平面上升的速率和程度”。20世纪后期北半球史无前例的增温得到了越来越多的支持。
Mann等（1999）重建的过去千年温度序列，“曲棍球棒”
2007年的第四次评估报告承认温度重建存在覆盖度不够和结果不确定性等问题，同时坚持认为：气候系统变暖毋庸置疑；自20世纪下半叶北半球平均温度很可能高于近500年任何时段的平均温度，并且可能最近1300年中最高的；人为温室气体排放很可能是变暖主要原因；积极推动各国积极减排温室气体。
IPCC最新的气候变化评估报告发表于2013年。报告显示，1880-2012年全球增温0.85°C，同时强调，“人为温室气体排放极可能是20世纪中期以来气候变暖的主要原因。”过去30年里，谨慎评估了各种温室气体的不确定性、气候系统调整与反馈过程的复杂性，排除了合理的怀疑之后，IPCC（2019）愈发肯定：只有人为温室气体排放导致全球变暖，才能完整解释工业革命以来的气候系统变异。
1850年以来的全球温度和CO2记录
这个判断是不断深入认识气候系统才逐渐明确的。两百年来，无数学者从原理、实验、观测、模拟、集成等等方面不断迭代、反复检验，最终在IPCC主持下，全球变暖成为数千位专家经过不计其数的讨论达成的共识。
诚如美国科学史家 Spencer Weart 所言：“谁发现了全球变暖？不是一个人，而是很多个科学团体。他们的成就不但积累数据进行计算，更要把数据联系在一起。这显然是社会过程。这一过程非常复杂非常重要，因此，最终被体制化为IPCC 的研讨、评阅以及谈判。”
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