主题：【原创】杂谈全球变暖 -- 快乐是什么

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七．模型

上一节，我们谈到，目前气候观测数据的精度其实不能为我们判断气候变化方向提供足够依据。下面，我们从模型的角度再简单介绍一下预测气候变化的努力。

如果我们把地球大气看作一个系统，比如站在月球上看，那么其能量收支是：

净能量 = 入射太阳光 – 反射太阳光 – 自身热辐射 +　其它

我们进一步假设，在一定长的时期内，在全球年平均的意义上，地球大气的能量收支是平衡的，即净能量等于０。上面的描述可以看作是气候模型的0维模式，这样简单的模型自然只能试图解决最简单的问题，即气温变化的方向和幅度。但我们马上发现，0维模型解决不了这个问题，原因是

１． 地球大气层顶的垂直入射太阳光强度虽称太阳辐射常数（是前面能量图里入射能量的４倍，大家猜猜为什么？），但其实还是有变化的，最有名的就是所谓太阳黑子周期，大约11年左右。

２． 反射太阳光就是入射光与反射率的乘积，即使不计入射光的变化，其反射率也是经常变化的，最典型的例子是云、冰盖、以及植被的变化，前面提到过火山喷发的后果（“核冬天”就是这个理论），甚至海面的风速也对反射率有影响。如果愿意再细致一点，我们还知道不同波长的光线对不同的分子和物质表面反射率也不同，很典型的例子就是蓝天，这对卫星观测很重要，也导致我们对反射率的估算误差不小。

３． 自身热辐射可以决定地表及大气系统的有效辐射温度，但即便我们可以非常精确地计算这个温度（暂时也做不到），得到的结果也不是地表温度。由于温室效应的原因，这个有效辐射温度大大低于地表温度。而且，金星的例子告诉我们，地表温度和有效辐射温度的关系不大。而且，与反射太阳光的观测一样，有效辐射温度与观测的波长及角度有很大关系，误差也不容忽视。

４． 其它因素常常被忽略不计，原因未必是它们不重要，而是大家实在忙不过来。比如，海底火山肯定会带给海底大量热能，这些热能会随着洋流到达表面，那么，海底火山活动的变化就自然对地表/大气系统的能量平衡有影响。

既然0维模型无法解决问题，那我们增加一点模型的复杂程度。加入高度这一变量后，就成了1维模型。这个模型可以模拟出大气层内的温度结构，并包括水蒸汽分布，云层位置，以及辐射随高度的分布。最重要的是，1维模型可以估算有效辐射温度和地表温度的关系，毕竟，我们最关心的还是地表温度。

1维模型尽管很简单，还是可以说明一些问题。二氧化碳等温室气体增加后，地表温度增加，冰盖减少，降低阳光反射率，水的蒸发也随之增加，提高空气中的水汽含量，进一步加强温室效应，这些强迫的变化都是正的，是个正反馈循环。同时，更多的水汽应该增加云量，从而反射更多的阳光，这可是个负的强迫，从而防止前述正反馈循环失控。

基本上，上述过程就是对温室气体增加后大气气候系统反应的一般理解，所以，温室气体的排放本身使得气候变暖是没有太大争议的。不过，水汽和云的作用没那么简单，尤其是云。具体地说，云不仅反射太阳光，同时有很强的温室效应，低空层云的反射降温效应为主，而高空卷云的温室效应更显著。Lindzen的最主要论点就是水汽其实是负反馈，因为蒸发和对流一直是降低地表气温的最主要途径，特别是水汽含量和分布变化会增加云层反射率的同时降低高空卷云量，从而进一步减弱正强迫。

既然牵涉到云和水汽，云物理和水循环就变得很重要了，云的形成主要有三种机制：对流、平流和辐射。对流云是由于大气中的空气对流形成的，主要是富含水汽的热气团上升，在温度随高度下降时，气团中的水汽达到饱和而凝结形成积云，其特征就是一朵朵的，底层边界明显，特别漂亮，人们最喜欢的“蓝蓝的天上白云飘，白云下面马儿跑”里面的云就是这类云，另外山坡迎风面的降雨和山顶上的帽状云也是。这些云对辐射的作用相对有限，但对水汽和热量的垂直传输非常重要，对流云带来了暴风雨和台风，也是云物理最喜欢的课题，前文提到过的郭晓岚就是对流云专家。题外话，美国加州本来处在干旱带，山脉的存在使得太平洋吹来的水汽大部分在山脉西部形成降水，把加州沿海变成了丰饶的农场，但翻过山去，后面就成了非常干旱的沙漠，死谷和内华达就是例子。

平流云主要是由于气团的大尺度平流，特别是冷暖气团的交汇，导致交汇面上的凝结。大家在天气预报中看到的多云和阴天通常是这样的云，大范围持续降水也主要是这类原因。这些云的面积大，对大气辐射的影响也远远超过漂亮的积云。

辐射云是由于大气辐射带来的降温形成的自然凝结。在春秋天，大家如果在清晨在野外开车或露宿，经常会在湖面、田野和山谷中，看到离地面1米左右的地方有一层轻薄的雾，似梦似幻，像仙境一样，那层雾就是辐射云，太阳升起来不久就会消失。当然，在气候研究中，这么低而薄的雾不重要，基本是被忽略不计，留给诗人激发灵感。辐射云容易形成高空卷云，也能形成中层的层云，加州西海岸很常见。辐射云所占面积也不小，对能量平衡很重要。

云物理虽然告诉我们云和水汽的形成及转换，但故事并不完整，特别是因为大气中水循环的最重要模式并不是垂直的，否则大部分陆地就不会有降水了。大气环流是输送水和热量的最重要方式，也是气候分布的决定性因素，最主要的环流都是从纬度环流，１维模型就不够用了。

２维模型就是除了高度外，再加入纬度。这一下，我们就可以探讨水汽和热量向高纬的传输，这是动力学的领域。由于水汽饱和度随温度的变化不是线性的，热带地区温度升高所带来的水汽含量很大，输送到高纬后凝结放出的热量也更多，所以模型中的较高纬度地区对全球变暖更加敏感，剧烈天气和降水有可能会更频繁出现。

谈到天气，我们都知道，风向主要是以东西向为主，现在北京就主要刮西北风，夏天就刮东南风，这当然与我们大部分住在温带有关，赤道的风向就很不一定。而且，从地图上可以看到，在中高纬地区，海岸线一般是南北向的，水汽的循环离不开东西向的传输，所以，要考虑气候的精细变化，我们还是继续建设模型。

3维模型加入了经度，这样，我们就有了一个相对完整的大气系统模型，基本上可以涵括所有变量了。这个模型里，地表形态（水、地、冰）、海拔、植被等等均可以参数化模拟，海洋模型也可以被耦合进来，可以模拟大气环流、云物理和辐射的反馈，追踪水循环、碳循环、臭氧层，以及气候变化的地域性影响。就像一个跑车迷看到法拉利，3维模型是绝大部分气候研究者的终极追求。

有了法拉利这样的3维模型，我们为什么还不能预测温室气体升高所带来的气候变化呢?原因是大气系统的非线性反馈机制太复杂，而我们的数据和理解都还远远不够，特别是这个变化的幅度又相对微弱。模拟出现在的气候本身并不代表我们真的了解大气系统的机制，因为随着模型的复杂化，里面引入的参数越来越多，由于气候的敏感性，模型大师们(魔术师？)通过调整不同参数，总是可以让模型结果基本符合现有观测的。这就有点像是吃中药，一大堆药草放在锅里煮，吃完后也许真的把病人治好了，但对西医来说，最头疼的是说不清到底是里面哪颗药草中的哪种成分真正在治病。（对西医）更痛苦的是，下一个病状完全相同的病人，随着体质甚至季节的不同，同一锅汤药可能就治不好。现在的复杂3维模型就像是一锅浓浓的药汤，我们并不确切知道它对全球变暖这个病症一定有效。

举个例子，我们先躲开水汽和云的反馈机制和海气耦合这样最让人头疼的话题，谈个不太受人重视的小问题。如果全球变暖，那么水汽增加是一定的，那么降水也可能增加（不是一定的），而降水会带走空气部分二氧化碳，这部分大家考虑不多。再比如，二氧化碳和气温的升高会有利光合作用，加速植物生长。一方面，二氧化碳被从空气中吸收走，降低了温室效应，但植被的增加一般会降低地表反射率，提高对阳光的吸收，同时植物叶片会大大增加水汽蒸发的面积，增加空中的水汽，从而加强温室效应。

模型的完善还存在很多问题，数据的缺失也是重要原因，这里就不再重复了。虽然今天的模型还存在种种问题，但模型是我们预测未来和决定对策的最有力工具，没有是万万不行的。

八．结语

人类活动，特别是进入工业化社会以后的活动，对地球气候产生了相当的影响，近１５０年以来观测到的数据显示，全球年平均气温（其实是近地表大气温度）是在显著上升的，即上升幅度超过正常波动的范围。气温上升的原因一般归于二氧化碳等温室气体排放量的增加导致的温室效应增强。

气候系统的反馈机理尚有很多疑问，如水蒸汽、云、洋流等等，所以气温上升的幅度存在不确定性，目前公认的范围大约在２－４摄氏度之间，IPCC有时也采用1-5度的范围。

全球变暖是个非常有挑战性的科学话题，涉及到很多领域。这是一些主要变量：

１． 太阳辐射常数，阳光在垂直于入射角的照射强度，即太阳光的功率，这就是我们的引擎马力，已知有１１年的太阳黑子周期，其变化对地球气候占主导地位

２． 地球轨道，包括公转、自转、黄道角，有点像那个气缸冲程，变化有周期性，但与我们关心的时间尺度无关，基本可以忽略

３． 地球总反射率，这决定了气候系统真正吸收了多少太阳能，相当于摩擦损耗吧。这个参数与很多变量有关，最突出的是冰盖，植被，及云量。

４． 全球平均辐射温度，大气层顶的辐射温度，由离开气候系统的长波辐射（outgoing longwave radiation）决定，长年的全球年平均值应当与净入射阳光值（入射减去反射）相当，否则地球气候就不平衡。这个参数相当于汽车的速度

５． 二氧化碳，罪魁祸首，主要吸收长波辐射，大气中含量很少，但增加比例很高，有点儿像汽油含铅量

６． 水蒸汽，身兼数职，负责传输潜热，调整空气温度梯度，吸收长波辐射，也吸收一些太阳光，决定云量多少及位置高低

７． 云，高效吸收长波辐射，高效反射太阳光，对地表温度的最终影响取决于云层厚度和高度

８． 海洋，主要是海气耦合效应，热容量巨大，对CO2的吸收不容忽视

９． 其他，火山喷发会增加反射或平流层对太阳光的吸收，降低地表温度，海底火山则把地热传到地表，潮汐会带来摩擦（产生热量），等等。

还有很多衍生概念也很有意思。对这个问题有兴趣的人，我还是强烈推荐橡树村兄非常出色的IPCC读书笔记系列，那里图文并茂，内容充实，是不可多得的好东西。兄弟看了，颇有“崔颖题诗在上头”的感觉。

全球变暖本来是一个纯粹的学术问题，早年参与的人并不多，争论时也是以科学研究为主。后来，由于潜在的经济地理影响才引起社会注意，２０年后的今天，已经有两个炸药和平奖（IPCC 和Gore）,还带来了象征中国崛起的哥本哈根会议，养活着大批靠碳排放交易吃饭的金融家，更不要说忧心忡忡的环保人士，忽悠新能源的总统/总理，造多晶硅的中国企业... 当然，最高兴的是大批的气候研究人员，这些人中的大部分都要感激20年前那场争论给他们带来的巨量科研经费、媒体关注和工作机会。

全球变暖话题的泛政治化，IPCC起到了很大的作用，媒体的危言耸听和科研从业人员的推波助澜也带来了不良影响，我们应该警惕西方利用这一话题来达到其阴暗的政治目的。哥本哈根会议中，中国政府的表现应该说还是不错的。

不过，对于真正的科学工作者来说，更应该关注的还是科学本身。恺撒的归凯撒，上帝的归上帝，让科学还是归科学吧。

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