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· 正 · 文 · 来 · 啦 · 前面两节，我们学习了全球气候变化的历史脉络。在没有人类的地球，气候变化的驱动完全是受自然所控制的。那么人类来到地球后的世界呢？我们这节课就要讨论这个问题。 气候变化的人类影响。 有时候，有关温室效应的形象解释，我们也用这样一幅图来说明。地球大气，肯定不是一直吸收太阳的热量，如果那样，地球大气只会越来越热。所以，大气吸收热量和散失热量肯定是一种平衡。左边就是这样的一种平衡，进水的速度与出水的速度一样；而右侧，进水速度不变，出水速度降低了，那就有越来越多的水被积累起来。当然，进水管也不会是可以无限放大的，总有一个极限。对地球温室气体来说，那就是，是否存在着一种饱和呢？我们之后再谈这个问题。 地球，只有保持全球辐射平衡，才能保证能量的稳定。到达大气顶的入射太阳辐射为343W/m2，其中三分之一被云层和地表反射回太空，只有240W/m2被地球气候系统所吸收。大气本身对太阳辐射的直接吸收很少，大部分被陆面、海洋、冰面所吸收，使它们温度升高。为了维持地球的气候长期不变，根据辐射平衡的原理，必须在大气顶被地球自身发射的红外辐射所平衡，其量值也应该是240W/m2。全球辐射平衡是维持稳定地球气候的基本原理，不论何种原因，如果这种平衡一旦被破坏，则全球辐射平衡不能维持，地球系统将获得或损失能量，从而导致地球气候的变化。 若大气中CO2浓度增加一倍，大气顶辐射平衡受到破坏，地表升温1.2℃，随之，大气中水汽将增加，进一步加强温室效应，地表的实际增温为2.5℃。 有人认为大气CO2吸收带已经饱和，因而温室效应就已经达到饱和，即使将来CO2浓度再增加也不会产生明显的温室效应。但是，这种说法其实是没有试验依据的。而真正的，许多红外光谱与大气辐射的研究表明，CO2的吸收作用或温室效应在15μm的中心波段确实已经达到饱和，但二氧化碳有至少6个吸收波段，其他一些波段还远未达到饱和，最近的将来也不会达到饱和。 温室气体的另一个特性，是它们在大气中停留的时间(生命期)相当的长。这些气体一旦进入大气，几乎无法回收，只有靠自然的过程让它们逐渐消失。由于它们在大气中的长生命期，温室气体的影响是长久的而且是全球性的。从地球任何一角落排放至大气的二氧化碳分子，在它长达一、两百年的生命期中，有机会遨游世界各地，影响各地的气候。即使，人类立刻停止所有的人造温室气体的排放，从工业革命之后，累积下来的温室气体仍将继续发挥它们的温室效应，影响地球的气候。 辐射强迫，是对某个因子改变地球–大气系统辐射平衡的一种度量。正强迫使地球表面增暖，负强迫则使其变冷。IPCC报告中的辐射强迫值，是相对于工业革命前，也就是1750年的差值，并以每平方米的瓦数为单位进行表述。改变辐射强迫的方式，要么是入射到大气顶的太阳短波辐射量发生改变，要么是射出长波辐射的变化。前者包括太阳活动本身的变化或太阳常数的变化、地球轨道参数的变化，就是我们前面所讲的即米兰科维奇循环，还有大气中的云层覆盖面积或大气气溶胶颗粒物含量发生变化，改变了反照率；后者，主要包括大气中的水汽，O3和温室气体等能捕获或拦截地球和大气向外射出的长波辐射，使射出的长波辐射减少。全球气候变化是对辐射强迫的响应，通过这种响应过程，地球系统改变自身的气候状况，以重新恢复原来的或建立新的全球辐射平衡。在这个过程中，由于气候系统中各圈层响应的快慢不一样，其所表现出的气候变化状况就不一样。 自工业化时代前以来，人为温室气体的排放量已经上升，现在科学家们越来越有把握确认，这主要是由于经济和人口的增长所推动的。2000-2010年温室气体的排放量达到历史最高水平。自1750年以来，温室气体二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的浓度均已大幅增加，分别为40%、150%和20%。这是过去80万年以来前所未有的水平。
这张图显示了混合均匀的温室气体，也就是WMGHG的辐射强迫，其他人为强迫，总人为强迫和自然强迫。其他人为强迫包括气溶胶、土地使用地表反照率和臭氧变化。自然强迫包括太阳和火山效应。
1750-2011年期间，总人为辐射强迫的变暖效应为2.3W/m2，自1970年以来，该项增加的速率比之前的各个年代都要快。所以，对于1750-2011年间的辐射强迫~及其自1970年以来的趋势来讲，二氧化碳是最大的因素。在其他人为辐射强迫中，来自气溶胶的辐射强迫有两个互相抵消的组成部分：大多数气溶胶以及所形成的云层是以冷却效应为主的，黑碳吸收太阳辐射造成的变暖效应则会部分抵消前一种作用。1750–2011年间的气溶胶辐射强迫~估计为–0.9W/m2。太阳辐射和火山气溶胶的变化当然会导致自然辐射强迫的变化。在大型火山爆发后的若干年内，平流层火山气溶胶的强迫作用~对气候系统有很大的冷却效应。根据计算，与1750年相比，总太阳辐射的变化~只对2011年的总辐射强迫做出了约2%的贡献。
我们对于总太阳辐射的连续直接观测~至今只有30多年的时间，结果表明，太阳辐射具有确定的11年周期变化，其辐射量的变化幅度只有0.08%，并且目前无显著增长的趋势，工业化前后也无太大的变化，辐射量变化的主要原因~是太阳黑子和耀斑的变化，所以太阳辐射的变化不是引起近代气候变暖的主要原因。
这是全球人为CO2排放的变化图，包括化石燃料燃烧、水泥生产和空烧，土地覆被和土地利用变化等原因所造成的变化。我们可以看到，1850年代，是第一次工业革命与第二次工业革命的过渡期，自此之后，人为温室气体的排放出现了上升，当前已达到最高水平，这主要是由于经济和人口增长造成的。二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的浓度增加到了至少是过去80万年以来前所未有的水平。
这是一幅经常被用来讨论的图。左边的图，是包括人为和自然强迫的模拟结果与实际观测值的比较。其中，黑色是观测值，黄色是各种不同模型模拟的结果，红色是这些模型结果的平均值。我们可以看到，模型值与观测值符合得非常好。右边是仅仅考虑自然强迫的情况，我们可以看到，模型值与观测值相差越来越远。表明，只有考虑人类活动引起的强迫，才能完全重现实际的温度记录。从这幅图，大家还可以看到，气温变化的轨迹，还显示了驱动全球气温下降的主要火山爆发事件。
但有时候，有些图是比较诡异的。比如如果我们将全球变暖与CO2浓度叠加在一起，探讨其因果关系。我们看到，CO2浓度变化滞后于温度的变化。什么意思呢，这似乎说明，是全球气候变化导致了CO2浓度的变化，也就是说，全球气候变化是因，CO2浓度变化是果。你如何理解呢？
现代全球气候变化的原因从物理上讲，除了自然的外强迫因子之外，还增加了由于人类活动因素造成的影响。随着人类活动引起的温室气体排放的增加，这种人为产生的强迫作用可能会不断增强。气候模式的模拟和预测表明，它的作用在将来可能会超过自然的因素，使地球的气候不断的变暖，至少在21世纪人类将进入一个更加变暖的世界。得到这个结论的科学基础~就是近200年大气中温室气体和地球温度不断增加的事实与温室效应的物理原因。
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