IPCC说了什么？（十五）?对气候的预估

人们研究气候的变化及其变化的原因，一个重要目的就是要了解，未来会发生什么，这就是对未来气候的预估工作。IPCC从第一次报告开始就对未来气候变化进 行预估。在预估的方法方面，相关研究已经有了很明显的进步。目前进行预估使用的仍然是各个气候模式，而这些气候模式往往包含了最新的研究成果，也使得预估 考虑的因素越来越多，在具体数学方法上也有进步。这就导致了预估结果也有进步。下面这个图说的是前三次评估报告进行的预测与实际观测结果之间的比较。第一 次评估中，预测1990到2005年间全球平均温度每十年上升0.3摄氏度，这个数值目前普遍认为偏高。第二次评估中，由于增加了对气溶胶冷却效应的定量 分析，而气溶胶是可以起到降温作用的，所以这个预估的升温速度降低到了每十年0.15摄氏度。第三次评估报告中的预测与第二次类似。实际上呢，这期间观测 到的全球平均温度的升温速度是每十年0.2摄氏度。虽然与预估的结果仍然有差距，不过应该说还是不错的了，大趋势预测正确，这就为这类预估提供了一定的信 度。

IPCC前三次报告对未来全球平均气温变化的预估

造成预估不准确的原因是多方面的，方法本身仍然有进步空间当然是重要的一个，另外一个，就是这些预估是基于一定的对各种自然、人为因素的变化的预估的，而 对这些因素的预估，可以说不确定性本身就非常大。影响气候的因素很多，既有自然因素，也有人为因素。对于自然因素，太阳辐射的变化有的部分可以通过科学方 法进行预测，有的部分还不能进行预估，这就需要假定这些还不能预估的部分并不发生变化，或者按照目前已知的规律进行规律性的变化，而一旦实际情况偏离这个 规律，预测自然就会不准确。对于火山爆发就更加无法预测了，所以火山对于未来气候的影响只能完全被排除在预估之外。就是说，对于预估来讲，仅仅考虑了目前 科学水平下的已知的自然因素的影响，其他的部分，假定已了解的规律不变。对于人类活动造成的影响，预估本身也是非常复杂的工作，毕竟经济预测本身就很难进 行，而当涉及到温室气体排放、气溶胶排放等人类活动的主要影响因素的时候，不同的国家政策也会导致很大的差别，比如2008年开始的经济萧条至少在 2005年的时候没有任何人预期得到。这些基本的参数的预估与实际值的差别，也会导致预估与实际观测值的偏差。这方面，为了简化计算，第一工作组报告里面 并不考虑各种各样的碳减排和排放限制等等的呼求、努力，只是纯粹从数学意义上设定了一些限定条件，预估了一些情景模式来，考虑在这些情景模式下，气候的可 能的变化情况。这些情景自然就会与实际结果产生差距。这些情景模式本身还是比较复杂的，需要根据对人口增长、世界政治经济局势等等的假定来推算可能的二氧 化碳以及其他长寿命温室气体的排放，二氧化硫的排放，各种气溶胶的排放等等。每一个因素，都有不同的变化可能，组合起来就会非常复杂。在IPCC撰写第三 次报告的时候，颁布了一个排放情景特别报告SRES，这里面设定了几种情景模式来进行预估。第四次报告仍然沿用了这些情景。

AR4里面考虑了6个情景，分别是A1F1, A1B, A1T, A2, B1和B2。A1情景代表的是高速经济增长的模式，预计全球人口在2050年达到90亿，然后逐渐下降，认定科技可以快速发展、传播，同时世界交互广泛， 收入和生活方式在世界范围趋同。A1情景还可以分成三个，A1F1情景代表能量来源仍然严重依赖化石能源；A1B情景代表各种能量来源平衡发展，适当发展 非化石能源来，同时并不放弃化石能源的开发，应该是比较有可能的一种发展情景；A1T情景则把重点放在了非化石能源上，试图使用非化石能源替代化石能源。 A2情景描述的是更加分化的世界。这个情景里面假定各个国家发展相互独立，基本自己发展，相对封闭，人口持续增长，经济发展以地方经济发展为主，而同时， 科技变化的趋势就趋于缓慢，局部化，人均收入增长比较A1要低。这个情境下由于技术普及缓慢，同时经济增长仍然较快，人口持续增加，所以碳排放增长比较 高。B1情景也是高速发展的模式，不过经济结构与A1所有区别，高速发展的部分主要来源于服务业和信息领域，这样对能源的依赖相对低。这个情景模式下人口 发展同样在2050年增加到90亿，然后逐渐下降，同时假定由于技术的进步，对于材料的依赖逐渐降低，经济自身更加清洁，资源利用率更高，经济是全球化的 经济，社会和谐，环境友好，稳定。这是所有考虑的情景里面碳排放最低的一个。B2情景则是一个高度分散的世界，预计人口持续增加，但是低于A2情景的增加 速度，经济偏向地区性，但是同样维持经济、社会和环境的稳定，经济发展中速发展，技术的发展、推广速度慢于A1和B1。这些选定的情景的合理性仍然有争 议，不过这并不妨碍人们根据这些情景来对未来进行推测。这里面，最常用的是A2, A1B和B1三个情景，分别代表了碳排放高速增长、中速增长和低速增长三个模式。除此之外，为了比较，AR4还考虑了维持2000年的温室气体和气溶胶水 准的情况下，气候的变化情况。

上图是前一个图的扩展，这里面增加了一部分，就是在维持2000年温室气体和气溶胶浓度（橙色）的情景下，以及低速（B1情景，蓝色）、中速（A1B情 景，绿色）和高速（A2情景，红色）碳排增长三个情景下，对2005年至2025年间全球平均变暖情况的预估。这里面可以看到，对于低速、中速、高速碳排 放增长的三个情景，在2005年到2025年之间，三者的区别并不大。而作为参考的温室气体和气溶胶浓度维持在2000年水平的预测结果，在早 期，2010年以前与这三个情景也比较接近，到2010年以后逐渐分开。具体的说，如果温室气体浓度和气溶胶浓度维持在2000年的水平的情况下，在 2000年代，气温仍然有一个每十年0.1摄氏度的升高，然后气温至少在2025年以前将基本上维持在这个水平。如果排放变化符合另外三个情景模式，在 2000年代气温实际上会有每十年0.2摄氏度的升高，并且至少在2025年之前，气温将保持这个速度继续升高下去。前面讲过，不同的气候系统对影响因素 的响应时间各有不同，对不同的影响因素的反应也有不同，陆地最快，海洋最慢，响应时间往往长达数年数十年。因此即使在影响因素稳定之后，由于这个滞后效 应，气候将在一定时间内持续变化。模型预估到的这个情景，与这个理解是一致的。

上面这个图是上述四个情景的进一步扩展，按照相关情景，预估到2100年，然后维持2100年的水平，继续预估200年。具体的数值这里也说一下。对于 2090年至2099年这十年的平均气温与1980年至1999年这20年的平均气温的比较，稳定在2000年水平上的情景，预估温度升高在0.3到 0.9摄氏度，最佳值0.6摄氏度；对于排放最低的B1情景，预计温升在1.1到2.9摄氏度，最佳值1.8摄氏度；对于排放略高的A1T和B2情景，预 计温升在1.4到3.8摄氏度，最佳值2.4摄氏度；A1B情景，预估温升1.7到4.4摄氏度，最佳值2.8摄氏度；A2情景，温升2.0-5.4摄氏 度，最佳值3.4摄氏度。最差的是A1F1情景，预估温升2.4至6.4摄氏度，最佳值4.0摄氏度。可以看到到了21世纪后半期，各个情景模式之间的差 异逐渐增大。各个不同的气候模型对这些模式的预测见下图。需要注意的是，预估的时间越久远，预估的误差就越大。

不同的纬度温升情况自然不同。上图是A2与维持2000年浓度两个情景下的比较，时间是21世纪最后一个年代与1980至1999年平均的比较。上面两个 图是不同纬度下海洋和陆地平均温度的变化，下面是降雨的变化。左边是相对全球平均变化的比例，右边是绝对值的预测。基本上可以说，在大部分纬度，陆地的温 升高于海洋；北半球温升要高于南半球；赤道地区的温升幅度略低，然后随着纬度越高温升幅度越高；在大部分纬度地区，海洋平均温度的变化幅度相当。不同高度 大气的温度变化，不同深度海洋的温度变化也有预测。下图是A1B情景下，不同时间段，不同纬度，不同大气高度（用气压表示）以及不同海洋深度的温度变化预 测。

再具体一些的，对于地球不同地区的温升预测的工作也有了进展。下图是B1，A1B和A2三个情景下各个地区温升的预估，相对的是1980年至1999年的 平均。这里面可以看到与前面讲到的不同纬度地区温升的类似趋势。再下图是A1B情景下冬季和夏季温升、降雨和海平面气压的预估，显示在中高纬度地区，冬季 的温升幅度很高，高于夏季这些地区的温升。基本上可以说，预估的21世纪温度变化在任何地方都是正值。陆地和冬季北半球大部分高纬度地区的变化最大，从沿 海扩大到内陆。有一个现象值得注意，就是变暖幅度在干旱地区要比在潮湿地区要大。南部海洋和部分北大西洋地区变暖幅度最小。大气区域平均温度变化的预估显 示热带对流层上部变暖幅度最大，平流层冷却。预计进一步的海洋趋于平均变暖首先发生在近地表层和北半球中纬度地区，变暖逐渐到达海洋内部，最明显的是高纬 度地区。

平均气温偏高就会导致热极端事件增多。预估未来温度极值将随着世界大部分地区平均温度的升高而增加，但地表特征发生变化的地方，比如积雪或土壤湿度变化的 地方除外。有多个模式分析了21世纪末期高于20世纪模拟温度分布95个百分点的极端暖季概率，认为在热带地区，这个概率达到了90%，在其他地区达到了 40%。预估未来热浪发生的强度会增大，持续时间更长，发生频率更高。预估北半球冬季大部分地区与目前相比冷空气爆发的频率降低50-100%，霜冻天数 会减少，作物生长季节的长度会延长。

另外一个比较吸引眼球的预估是对海平面升高的预测。在A1B情景下，预估2000年到2020年之间热膨胀导致的海平面上升为每年1.3+-0.7毫米， 这个估计实际上低于1993年到2003年之间观测到的因为热膨胀导致的海平面上升的速率每年1.6+-0.6毫米，不过这个差异还算是在不确定性的区间 内。在这个时间段，其他几个情景预估得到的结果也基本上相似，说明这些不同的情景在短期内产生的差别并不明显，与这个时间段对全球平均气温的预测类似。不 过到了21世纪末期，不同情景的差异就出来了。到21世纪最后十年，所有情景预估得到的全球平均海平面会比1980年至1999年的平均升高。具体地 说，B1情景，升高0.18到0.38米；A1T情景，升高0.20到0.45米；B2情景，升高0.20到0.43米；A1B情景，升高0.21到 0.48米；A2情景，升高0.23到0.51米；A1F1情景，升高0.26到0.59米。这里面，热膨胀贡献了大约75%。除了B1情景，其他情景的 预测结果都高于1961到2003年间的海平面上升速度。当然，前面讲过，关于海平面升高的研究，到AR4的时候，仍然非常有限，很多重要因素还没有包括 在内，结果仍然有很大不确定性，反映到预估的数据上，就是预估结果的误差范围较大。下图显示了一个模式预测的不同情景的因为热膨胀导致的海平面升高情况。

海平面的上升是不均一的。在A1B情景下，预估2070年至2090年的空间中间标准偏差为0.08米，约为全球平均海平面上升中间估值的25%。未来海 平面变化的地理型态主要是由于海洋热量和盐度的变化，进而改变海洋环流引起的。预估得到的共同特征，是南半球海洋的海平面上升比平均值偏低，北冰洋海平面 上升大于平均值。在南大西洋和印度洋，海平面上升的海域比较小。下图显示的是预估的21世纪末期各地海平面上升情况相对全球海平面上升平均值的分布，情景 选用的是A1B。

影响海平面预估的一个重要因素就是对冰雪圈变化的预估。预估冰川、冰帽、格陵兰冰盖等在21世纪继续会有冰物质的损失，原因是融化加速，超过降雪的增加， 导致冰川整体质量减少。目前的模式显示南极冰盖将保持寒冷状态，不会出现普遍融化，并且有可能在将来因为降雪增加而加大南极冰盖的质量，这样可以起到降低 海平面的作用。不过目前的这方面研究比没有包括冰动力学的贡献。对冰动力学过程的研究显示格陵兰和南极对21世纪海平面上升都可能有所贡献。冰盖表面融化 的加强以后，融化水可能会加入沿次冰川路径形成的排冰系统，从而起到冰流润滑作用，增加冰川溢出，从而导致对海平面增加有所贡献。在格陵兰西部已经观测到 了这样的变化。在南极西部某些地区，可能由于海洋变暖导致冰架变薄，也出现冰流大幅增加的现象，表明未来的变暖可能会导致南极也出现冰物质的流失。当然目 前还不能做出量化的预估。如果冰动力学方面的研究得到证实并可以进行量化预测，那么有可能在21世纪把海平面再升高0.1到0.2米。不同情景情况下不同 因素对21世纪末期海平面上升的贡献见下图。

虽然不会影响海平面的高度，北极的海冰面积仍然是一个重要的变暖指征。在A1B，A2和B1三个情景下，预估冬季海冰面积的变化属于中等。但是在A2这个 高排放情景下，夏末的海冰将在21世纪末期完全消失。由于冰面可以反射大量的太阳光，所以海冰的面积对于气候反馈是非常重要的。无冰水域在夏季会吸收来自 太阳的更多的能量，这样会进一步减少冰盖的面积。对于南极，预估到21世纪，海冰面积也会降低。下图是A1B情景下预估的2080年到2100年的冬季 (JFM)和夏季(JAS)北极（上）和南极（下）海冰覆盖比例与1980年至2000年平均的比较。虚线是目前15%海冰覆盖的范围。

预估气温升高最终会带来全球降雨量的提高，平均降水量的变化的增加幅度会大于自然变率，但是比温度的信号上升要缓慢很多。由于大气中的水蒸汽增加，必然会 带来降水的增加，同时，从低纬度到高纬度的水汽输送也会增加。这样，预估降水量的增加很可能发生在高纬度地区，差不多覆盖极地到纬度50度这样的高纬度地 区。而向赤道方向，降水将呈减少趋势。在20到40度，降水成大幅度减少的过渡趋势，到亚热带地区，降水可能减少。A1B情景中，2100年亚热带陆地地 区降水减少高达20%。由于亚热带输送的水蒸汽增加，亚热带高压系统向极地方向延伸，亚热带高纬度边远地区的干燥少雨趋势将更加明显。归于极端降雨情况， 预估很多地区日暴雨事件有增多趋势，包括那些预估平均降雨量会下降的地区，暴雨事件也会有所增加。特别提醒一下，这里说的平均降雨量会下降的地区，说的是 降雨日数将减少，并不是说暴雨强度会降低。下图是一些与降雨相关的指标的预估。图a是B1，A1B和A2三个情景预估的全球平均的降雨强度情况，降雨强度 的定义是总降雨量处以降雨天数。图b是A1B情景下2080到2099年的平均降雨强度与1980年到1999年平均降雨强度的差别。图c是预估的全球平 均干燥日的情况，图d则是A1B情景下2080到2099年平均干燥日与1980到1999年平均干燥日的差异。

下图是A1B情景下预估的2080年到2099年平均与1980年到1999年平均的比较。图a是降雨，图b是土壤湿度情况，图c是流失情况，图d是挥发量。

预估未来气候变暖的情况下，热带气旋的最高风力强度，平均和最高降水强度均会增加。相对偏弱的飓风数量有可能减少，强飓风的数量可能增加。不过，预估全球飓风的总数可能会下降。

变暖会抑制陆地和海洋对二氧化碳的吸收，进而导致任何给定情境下大气二氧化碳含量的增加，以及更大的气候变化，这是一个正反馈效应。不过这种正反馈的程度 在各个模式中仍然有明显的差异。预估在21世纪，考虑了正反馈的大气二氧化碳浓度可能比不考虑反馈的增高10-25%，会导致高排放情景的温升进一步加 大。不过，这方面由于研究并不充分，不确定性仍然很高。大气二氧化碳增加还会导致海洋酸化加大。预估21世纪浅层海水pH值降低0.14到0.35之间， 比工业化时代以来降低的0.1要多。预估如果二氧化碳浓度超过600ppm，南大洋表层海水将出现碳酸钙欠饱和状态，而大多数情景都预估到21世纪后半 期，大气二氧化碳将会超过600ppm的水平。不过这个变化对于海洋碳生物循环的影响还没有得到充分的认识。下图是21世纪碳酸钙亚稳定状态的饱和程度的 预估。大气二氧化碳浓度与海洋pH值的预估见再下图。

对于另外一个重要温室气体，甲烷的增长情况还缺乏了解。这方面也会给气候预估带来很大不确定性。湿地甲烷的排放可能在更暖和更潮湿的气候中增加，但是在更 暖和更干的气候中会下降。目前已经观察到北半球冻土溶解的泥潭湿地中的甲烷排放增加，但是还缺乏量化方法。气候变化也可能通过对湿度的影响而影响臭氧，也 会对气候有影响。不同情景所假定的温室气体排放情况以及预估的全球表面温度变化见下图。

气溶胶的排放也有很大的不确定性。几个预估表明，在控制未来的沙尘排放方面，气候变化比土地利用变化产生更大的影响。一个研究表明气象和气候比荒漠化对未 来亚洲的沙尘排放以及相关的亚洲沙尘暴发生频率的影响更大。气溶胶对降水也有重要影响。人们提高空气质量的努力会给气候带来很大的变化。有研究显示如果把 目前大气中的所有认为排放的硫酸盐气溶胶颗粒完全清楚，全球平均气温会在10到20年内迅速增加大约0.8摄氏度。

最后提一下一个已经成为电影题材的气候现象，就是21世纪大西洋经向翻转环流MOC出现突然中断的可能性。这就是电影《后天》所描述场景的一个重要依据。 一些模式的预估结果是，在21世纪，这个现象发生的可能性是有的，不过这些评估的可靠性还有待评估。为数不多的复杂程度不同的模式模拟得到的结果表示，有 可能发生百年尺度上的环流减缓，而一旦辐射强迫实现稳定，MOC是有可能恢复的，但是同样需要百年时间。这方面的研究，仍然在发展中。

后天中的场景究竟有多少靠谱呢？科学家们还在研究