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模擬是一种手段，它是我們用來預測未來變化或借以解釋過去曾經發生過的事件的重要方面。為了檢驗模擬對于描述實際古气候事件的各种數据的适應性，了解過去曾經發生過的事件的某些重要方面是關鍵所在。這樣的檢驗，將有助于科學家了解，如何使用來自這些模型的有關信息以及如何去證實他們的預測。我們因此也將能在進入新世紀之際，更好地對面；臨的大量公共政策問題進行評价。遺憾的是，已知的气候模式可能未能包含所有的未來條件，而我們的各种模型尚未能針對迥异于已知气候模式的各种情形進行較好的調整。因此，我們仍需繼續尋找進一步檢驗模式的各种途徑。我們所擁有的用以進行這類檢驗的最好的物理實驗室，并不是那种由玻璃和鋼材构筑而成的實驗室，而是地球本身，特別是我們所掌握的有關地球歷史時期的知識。是上下漲落還是衡穩趨勢 可以在各种不同的尺度上對气候進行模擬，這些時間尺度可以從數千万年（例如，白至紀的時間尺度）到10万年（如冰川期、間冰川期的交替變化），抑或數年。 為了了解并可靠地預測全球變化，需要進行許多不同時間尺度的模擬。与地球系統科學有關的全球變化問題，主要考慮的是人類引起的气候變化。根据全球气溫記錄，并進行适當平均，顯示自19世紀中葉以來全球溫度上升了大約0SC（圖3．1）。有人仍堅持認為這一變熱趨勢，特別是20世紀80一90年代創記錄的變熱，僅僅是一种自然漲落。因此，對各种時間序列下可以識別的特征變化類型進行分析，或許會提供一些幫助。 其中一种變化是這樣一种周期性變化：時間序列圍繞某一均值上下擺動。 還有一种可能是在兩個長期均值之間的跳躍性變化。例如，當一座火山噴發時，拋向平流層的硫酸煙霧將阻擋部分太陽光，并引起地表的快速冷卻，這就是一种跳躍性變化。地表的變冷效應通常可以保持1年左右，然后溫度在一個數年的變暖趨勢中呈逐步升高趨勢。1991年菲律賓的皮納圖博火山的噴發就是這一情形，其溫度效應可以在圖3．l中觀察到。 在長期的上升趨勢中也可以出現短期的下降趨勢。在過去100年間，全球表面溫度經歷了一种整体的上升趨勢。疊加在這一上升趨勢之上的，是一些數年或數十年的溫度“反彈”。這些反彈是一些自然的、隨机的漲落過程，還是由一些可以确定的气候系統以外的外界營力（不管它們有多么小）引起的？如火山塵埃、太陽輻射變化及人類活動等。對此，研究人員和气候觀測者們仍爭吵不休。 一個有趣的假想例子是這樣一种時間序列，在該序列中，雖然溫度的長期平均值是恒定的，但隨著時間的推移，序列內的變异增加了。例如，溫度下降到OC以下僅僅几個小時，就足以使一棵玉米夭折。對這棵玉米來說，溫度越過冰凍這個門檻就是一次大事件，不管這种溫度僅僅是一种隨机的漲落變化還是代表了一种真實變化的趨勢。同樣，一只鳥或一只昆虫死于30C以上的高溫所預示的是一种變异程度不斷增加的趨勢，對這些動物來說，這是一件相當大的事件，但是，對一個只關注溫度的長時期變化的气候學家來說，他并不會將此視作是一种气候變化。同樣，對于那些老年人或流浪者來說，僅僅几天的酷暑即可置人于死地，有如1995年7月熱浪襲擊芝加哥時所發生的悲慘事件一樣。 科學家們總是在尋找變异背后的种种原因，如果這些原因是可靠的，它們將有助于科學家們在漲落中區分出真正的變化。正如我曾經指出的那樣，過去的气候是多變的：有冰川期、有延續數千万年的無冰時期、甚至還有一二十億年大气中缺失或极少含有氧气的時期。与現代相比，各大陸曾處在不同的地理位置，來自太陽的能量也不一樣，而大气的成分亦有差別。換言之，地史時期的一些天然“實驗”曾見證了一些尺度极大的變化，在許多情形下，甚至比人類在未來几十年內通過改變大气化學成分所能施加的影響還要大。但是，与人類所可能施加的影響相比，這些巨大變化的自然速率通常（但不完全是）要緩慢得多。要預測气候，我們不應僅僅局限于尋找驗證的手段，我們還需要識別、分析促使气候變化的各种因素，這些因素被稱為“气候營力”。 循環 地球軌道形狀控制某時某地抵達地球的陽光數量，它就是一种气候營力。比如，來自太陽的熱量促使了季節的變換。基本的大气循環是由太陽營力來驅動的。當陽光照射進來時，其中一部分陽光立即被反射回太空，這种反射絕大部分是由云、沙漠和冰蓋來完成的。地球的這种反射陽光的能力又被稱為反照率，它決定了所吸收的太陽能的數量。人造衛星觀測所得地球整体的反照率為30％左右。 因為地球呈球形，其表面積的50％位于南緯30C線和北緯30C線之間。地球的形狀使得陽光直照熱帶地區，而在高緯度地區則以一定角度斜向照射，這使得熱帶、亞熱帶等低緯度地區所吸收的陽光遠遠超過50％。結果使得熱帶地區被過分加熱，而极地地區則吸收較少的熱量。 但是，如果控制气候的僅僅是太陽的輻射，那么，赤道地區的過分加熱應使該地區變得更熱，而极地地區冬季光照的缺失則會使它變得更冷。因此，必須還有其他一些過程在起作用。其中一個明顯的過程就是活動的流体（特別是大气和海洋）使得熱量圍繞地球不停地發生轉換。 熱空气在熱帶地區上升，然后向上、向外遷移至更冷的區域，最后在數千千米之外下沉到极地地區。伴隨著熱空气的運動，出現一股与其并列或位于其下方的流向赤道的回流。這种循環被稱為哈得萊環流（Hadley Cell）。地球是一個旋轉的球体，這一事實將使空气的流動軌道發生偏斜，這又使問題進一步复雜化。 如果你借助一團空气旅行，首先向L，然后向极地移動，在北半球，你的運行路線將向有偏轉；而在南半球，你的運行路線將向左偏轉。事實上你本身的軌跡并沒有發生偏轉，只是相對你底下旋轉著的地球來說，你的軌道才顯示出偏轉。北半球的旋風是逆時針旋轉，南半球的旋風則是順時針旋轉，也是由于這一原因。旋風中心的气壓要低于其邊緣的气壓。這樣，涌向中心低气壓區的气流在北半球向右偏轉（逆時針），在南半球則向左偏轉。衛星照片上這些風暴的螺旋型形狀，就源自于這些偏轉和風掠過地表所引起的摩擦力的聯合效應。加斯帕爾·德·科里奧利（Gaspar de Coriolis）數世紀以前，即在一個數學方程中描述了這一偏轉現象，因此它又被稱之為科里奧利效應。由于科里奧利力使得熱帶地區上升的熱空气發生偏轉，在南、北半球的低緯地區出現的是西風（即風從西邊吹來）。 大气圈內任何兩地的溫差產生了風。這种溫差反過來還產生了密度和壓力的差异，從而導致空气上升、風等現象的出現。急流在夏季相對較弱，但它在冬季則要強得多，這是由于在冬季雖然极地气溫下降，但熱帶地區的气溫相對來說終年保持溫熱。因此，在冬季，高緯和低緯地區之間的溫差達到最大，哈得萊環流更強，更多的空气和熱量由熱帶傳送到兩极，循環更加活躍，急流更加多變，且更靠近赤道的位置。 當大規模的環极地風相對于旋轉的地球達到一定的速度時，它們將變得不穩定。如果急流不穩定，它們將分裂成高壓和低壓渦流，后兩者也被稱為气候系統。大气遵循質量、動量及能量守恒的物理規律，可以用一組方程來表達這些規律，這些方程的解可以用來對運動著的气候系統的行為進行數學模擬，而這正是理查森在20世紀20年代試圖引進的革命性方案。這些模擬解釋了為什么中緯度地區的气候模式通常每隔數天就發生變化，而熱帶地區（有時包括中緯度地區）的气候模式有時可以連續數月保持穩定。 急流的位置對局部的或區域的气候條件來說至關重要，因為它控制著風暴的形成，并分隔熱帶气團与极地气團。 你肯定听說過非洲、南美洲及亞洲的季風（在北美洲則有一相對較弱的季風）。從冬季到夏季，海水表面溫度只有少數几度的變化，這是由于浩瀚的海洋也是一個巨大的聚熱体，它擁有科學家們所指的巨大的賭熱能力（或熱容）。陸地就不同了，由于其熱容要小得多，其溫度在季節之間可以出現數十度的變化。因此，相對于各自的周圍地區，亞洲、非洲及南美洲大陸的中央部位的溫度，在夏季真的升高了。被加熱的空气在陸地上升。与此相伴，來自海洋的充滿了水分的空气吹來填補熱空气上升所留下的空間。其結果就是夏季風的出現：它帶來的降雨維持了這些地區的自然和人類的生態系統。 海洋溫度的另一個常見模式是美洲大陸西海岸外側的上升冷水流。其成因是當風掠過海面時，兩者之間的摩擦產生了水流。沿著北美西海岸，通常來自西北方向的風似乎在將海水擠向海濱。但由于海洋中科里奧利力的作用，實際上發生的是北半球的海流發生向右的偏轉。也就是說，來自西北方向的風，在北半球將引起海流的向右偏轉，從而實際上導致海水离開西海岸。隨著表層海水向西南方向發生偏轉（亦即偏离海岸），來自深部冰冷得多的水体就頂替上來。這就是為什么人們甚至在仲夏的加利福尼亞海邊游泳時，仍需穿緊身保暖潛水服的原因。這种上升水流含有丰富的營養成分，因此它支持了丰富多彩的海洋生態系統。 除了季風雨及北美洲和南美洲海岸外的上升冷水流以外，气候學家和海洋學家們還在研究一种叫厄爾尼諾（E Ni5O）的現象所產生的效應，厄爾尼諾的字面意思是“孩子”，它指的是基督孩子，它是一种在圣誕節期間最為常見的周期性現象。每隔數年，与赤道太平洋地區水体的強烈來回晃動有關的大气風和海洋內部波浪，促使秘魯海岸外的海水出奇的熱，而在熱帶太平洋的西端則出現冷水。秘魯海岸外的熱海水也使大气圈得到了加熱。加熱空气的上升，使得在上升冷水流地區正常情況下應該出現的空气下沉趨勢，發生了逆轉。1983年和1995年的兩個冬季就是极好的例子。東太平洋海區的熱表層水改變了降雨模式，并使風暴向南進入加利福尼亞，引起該地區的洪水。此外，這种降雨模式的變化又會引起海水表層溫度方面的反饋，從而构成海一气相互作用的一系列過程的一部分。改變東熱帶太平洋海區正常情況下的上升冷水流的趨勢，不僅導致了秘魯驟雨的出現，而且還引起澳大利亞的干旱乃至新几內亞的火災，因為后者在正常情況下經歷的是潮濕的雨林气候。此外，厄爾尼諾還產生一些全球性的影響。正常循環模式和厄爾尼諾循環模式之間的擺動就是所謂的南方濤動信號（Southern oscilla－tion signal），一般情況下它每隔五年左右發生一次，但從1990年至1995年，厄爾尼諾現象一直出現著，某些人稱之為“死不了的厄爾尼諾”。這种情況只是一种偶然情況，還是一种我們將不得不与之為伴的气候變化？大气、海洋的電腦模型以及海一气耦合模型，正在開始對這些因素進行成功的模擬，這是了解諸如溫室气体不斷增加等全球變化，是否還將影響厄爾尼諾這一重要現象的一個前提條件。迄今為止，雖然人們對持續的厄爾尼諾這一奇特現象所產生的后果有一較清晰的認識，但其成因問題仍有待解決。 內因還是外因 在談及气候變化的原因時，我曾指出需要區分兩類基本的原因：內因及外因。“外”意味著由系統外引起，且不大受系統內的變化的影響，但是外部過程并不一定非得在地球之外（如太陽之于地球）發生。如果我們討論的焦點是一星期時間尺度上的大气變化（天气），那么，產生CO。的海洋、陸地表面、生物群及人類活動都是外因，因為這些過程并不會因為短期內的大气變化而遭受較大影響。但是如果我們討論的是几十万年尺度的冰川期、間冰）11期旋回，那么，海洋和冰蓋就构成內部气候系統的一部分，并且將作為地球气候系統的一個內在組分而發生變化。因此，對一個气候系統來說，何為外因何為內因并非絕對，而是取決于所討論的現象以及所涉及的時空尺度。 以上少數几個例子旨在說明，在電腦模型中，從眾多因素中選定某一气候系統的內因及外因是一件复雜的工作。發現混沌理論的先驅者，美國麻省理工學院（MIT）的气象理論學家愛德華·洛倫茲（Edward Lorenz）在20世紀60年代就認識了這一內、外因之爭的重要性。洛倫茲注意到，一個复雜的所謂的非線性系統可以有不同類型的行為。非線性意味著一個系統對某一外力的響應，并不与外力大小成正比關系。例如，假如有這樣一個非線性系統，當施以1個單位的外力時，它將作出1個單位的響應；如果外力變成2個單位，系統的響應可能將變為6（或1．5）個單位（或者系統將產生崩潰——這是一個非常非線性的響應）。兩片阿斯匹林可以治愈一個人的頭痛，但吞下一整瓶的阿斯匹林則將致人于死地—一這是极端的非線性響應！ 有一种反應方式被稱為“确定性的”，它意味著系統對外力的響應是以一种一對一的方式（即使是非線性的）進行的。也就是說，一股特定的推力引起一种特定的響應，假使推力加倍，則產生另一种可以預定的響應：推力和響應之間有直接的因果關系。例如，將l％的太陽能反射回太空的火山塵埃，原則上將會引起一次可以确定的特定降溫；如果反射回太空的太陽能增加到2％，則會引起另一次特定降溫效應（不一定是線性的，但仍可确定）。 另一類系統行為是“隨机的”，意指系統按某些統計規律運作。例如，一對骰子是非确定性的，因為不存在一种關系能夠准确地預測每次扔骰子的結果：每扔一次，出現任何數字的概率是相等的。至少在原則上可以确定一种“統計分布”，它給出一對骰子各面任何組合的概率。許多天气系統即表現出這樣一种隨机行為，這一因素构成了天气預報中确定降雨概率的基礎。 洛倫茲引入的這种新的系統行為類型，后來被數學家們稱之為“混沌理論”。他指出，某些非線性系統既不是确定性的，也不是隨机性的。這類系統有一种圍繞某些被洛倫茲稱為“奇异吸引子”的狀態聚集的趨向，冰J；D期和；和冰川期就是這樣的一些狀態。人們還識別出自然界其他許多混沌行為的例子，包括玩具气球在天空中的飛行軌跡及不規則的熱津動等等。 气候記錄是由內在的還是外部的原因引起？气候這一复雜的自然系統是确定的、隨机的、混飩的，抑或是在不同的環境下以上三种狀態均可出現？科學界圍繞這些問題展開了激烈的爭論。 外在因素及系統的确定性意味著可預見性。例如，位于太平洋大島夏威夷海拔逾3000米處的冒納羅亞（Manna Loa）天文台，有一個太陽光檢測器。一般情況下，檢測器觀測到實際上有93．5％侵入到大气圈頂層的太陽輻射能最終抵達該處地表。然而在1963年，抵達冒納羅亞天文台的太陽能數量有一顯著的降低——下跌了几個百分點。這事實上是巴厘島的阿貢火山噴發所致，火山噴發將SO帶入平流層，SO。在平流層中通過光化學作用轉變為硫酸微粒，擴散至全球，然后在大約8年時間內緩慢降落。這一塵埃在大气層下層將這一部分太陽能反射回太空。地球因此將變得更冷，事實上這确實降低了十分之几攝氏度（見圖3．二）。回落時分，由于高空煙霧顆粒的作用，天空重新變亮，添以濃濃的紫紅色，使日落時的火山壯觀醒目。1983年，墨西哥境內的一座名叫奇切思的火山發生噴發，將火山頂部相當大的岩塊掀走。火山灰本身并不會引起明顯的气候變化，因為它在几星期內即可從大气圈下層降落地表，從而給當地居民帶來災難。引起气候變化的真正因素，是火山噴發帶人平流層的SO。。 或許是1991年菲律賓皮納圖博火山噴發的一個結果，1992年和1993年，全球平均地表溫度比往年要低0ZC。事實上，1992年是此前連續6年來第一年沒有出現破高溫天气的記錄。隨著火山塵埃消散殆盡，1994年和1995年的地表溫度又恢复新高。 土地利用是另一個必須加以說明的外部气候育力。例如，如果人類對亞馬孫河西林區以一個較快的速率進行森林濫伐，气候將會因之產生何种影響？對此，人們目前正在進行許多模擬研究來試圖加以确定。由于樹木具有可將水分吸至土壤深處的根部的功能，森林地區比不毛之地要蒸發更多的水分。樹葉通過微小的气孔呼吸CO。、O。及水蒸气。樹葉的气孔張開時吸進光合作用所需之CO。，然后呼出水分和O。。植物的蒸騰作用是大气圈水分的一個重要供給來源，森林濫伐則改變了蒸騰作用的速率。大气圈本身的CO。含量多少決定樹葉气孔張開時間的長短，而這又影響著蒸騰作用。如果森林濫伐伴隨著大規模的焚燒，燃燒產生的煙霧將會改變溫度、降雨量和云的多少。如果人類活動或自然過程改造了地表及生物群，這又將決定這些生物群賴以生存的天气的性質。這就是所謂的“生物地球物理反饋（biogeophysical feedback）”，它代表的是在地球系統的模擬中另一個必須予以澄清的內部過程。 他表的水土流失与森林濫伐有關。北卡羅來納州的實測結果表明，該地區在森林濫伐后出現更多的水土流失，這是由于土壤固結并因而導致保持土壤水分的植被減少了。此外，由于裸露的土壤或草地相對森林而言，其蒸騰作用減弱，這又使更多的水得以流失。其結果可以導致下游的洪水災害，特別是當有足夠多的土壤被侵蝕而使水土流失急劇增加時，更是如此。然而，非線性的气候系統是非常复雜的。例如，如果森林濫伐在一足夠大的規模上進行，即使森林濫伐使降水量中流失的成分增加，它也可以使蒸騰作用減弱到使降水量減少的程度，因此將導致水土流失總量的降低。人們曾將這一机制應用于亞馬孫河。森林所無償提供的所謂生態系統服務功能之一就是控制洪水，其他功能包括控制自然害虫數量、廢物再循環以及營養成分循環等。 我業已指出，碳循環以多种方式与大多數的外部和內在因素相聯系。它涉及溫室效應、光合作用、呼吸作用等自然過程。當然，礦物燃料的燃燒及森林濫伐是直接影響碳循環的一些全球變化。气候調節著碳的儲集和流動，而人類在此扮演著非常重要的角色。毋庸置疑的證据表明，正如南北兩极的冰芯所揭示的自工業革命以來CO。。含量的增加（25％）是由人類活動引起一樣，冒納羅亞天文台及其他一些遠离兩极的地點所直接觀察到的CO。含量，自1957年以來的增加值（10％），也是由人類活動所致（見圖2．3）。 在所有這些外部和內在因素中，何者對气候產生最重要的影響呢？ 很顯然，諸如土壤中的碳這類非常緩慢的循環的變化，不至于會對來年的天气產生影響，因為后者与諸如海洋表層水溫模式等更為迅速的變化有關。對1一2年的全球平均溫度來說，一次火山噴發是一個5「常重要的外部因素。但對一個世紀的時間尺度（大致相當于人類使CO。含量翻一番或使自然森林消失所需的時間）來說，火山塵埃似乎只是一些短期的干扰。因此，上述問題的答案將難以令人滿意：“它既取決于某种气候營力尺度下最為主導的影響因素，也与地球系統內部各個子系統的特征的響應時間有關。”此外，地球系統對各种人類干扰的響應，可以是一些不同因素之間的任意組合。 以上所有討論說明了气候預報為什么仍是不准确的一項工作。我們所討論的系統，在不同的時間段里遭受無數种不同方式的影響。對一确定時間段的系統來說，我們自認對其外部和內在的各种變量已有相當程度的了解，但對于每個變量是如何影響系統，我們并不完全了解。我們知道气候具有非線性成分，但我們并不了解系統的各個方面在多大程度上是決定性的、隨机的或混飩的。火山塵埃和（可能的）溫室气体引起的大多是一些确定性的系統響應。四季變換是對地球軌道几何形狀變化的一种響應，基本上是确定性的且可預測的，但對于一個特定的冬季來說，它与長時期冬季平均情況的差別，最多也只能部分地進行預測。 由于大气圈的混沌的、不可預測的性質，目前要預報一星期或兩星期之后的天气，原則上是比較困難的。現有的气候模型常招來批評者的嘲笑。某些反對者提出的一個典型的指責就是：“如果你連兩周后的天气都無法予以准确預報，你又怎敢預報未來20年的气候（長時期天气的平均情況介”然而，雖然將一對骰子擲了許多次之后仍無法可靠地預測此后每擲一次的結果，但這并不能阻止我們對兩粒骰子各面組合的概率巧妙地進行預測，如果我們使用灌鉛骰子并且知道如何操縱它們，那么我們還可以可靠地預測上述概率事件的替代事件。電腦模擬技術是我們所擁有的用以進行“假如……那么……”這類實驗的唯一有效的手段，人類對未來气候的影響（此處相當于“气候骰子”）就是這類實驗之一。地球气候系統既有眾多的不确定之處，也有大量得到廣泛承認的事實。因此不難明白在系統中出現錯誤是一件微妙而容易的事。但全球變化營力的飛快速率并沒有留給我們多少選擇余地，我們只有利用這些以已知的物理學和生物學原理為基礎的不斷更新的手段，來增進我們的認識，改善我們的預測技術，并將那些將對下一世紀的地球生命產生影響的可能后果告知決策部門。 |
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