气候机器

  这篇概论介绍了一些基本概念，使读者了解气候机器的概况。例如，气候系统是如何工作的，以及为什么它如此复杂。首先，我们将定义“气候”的含义（将其与气象学明确区分），然后提出气候系统基本组成部分的综合愿景。外力胁迫和反馈的概念使我们能够清楚地区分引起气候变化的外部和内部影响机制。之后我们讨论了不同时间尺度下的气候可预测性问题。最后，我们简要介绍了气候学和许多相关学科（物理、地质、化学、生物学等）中使用的工作方法。

1.什么是气候?

  气候通常由一个地区大气的多年平均状况（主要的气候要素包括气温、降水和风力等）来定义，或者更确切地说，是对一个月以上时间段的“时间”的平均数和变异性（波动、趋势、极端事件的频率和强度）的统计描述。一个标准气候计算时间为30年。气象学则是一门与气候学相近的学科，它关注的是较短期限内（不到一个月）的天气预报。这门学科需要考虑的物理量除了温度之外，还有降水、云层、风速和风向等（参见：“天气预报介绍”）。

  由于气候系统的巨大变异性，几十年的持续统计数据是必不可少的。从图中可以看出，全球平均温度的年变化量通常在0.2°C左右（图1,[1]）；但在某些特定区域，这种年际变化的幅度可能会超过几度（图2）。有一些典型的空间或时间变异结构（称为“模式”），如澳大利亚-厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）或太平洋十年涛动。这里的“涛动”一词表示这些是重复的现象（但实际上没有明确定义的频率）；顾名思义，这些变化模式通常集中在地球上某个特定的区域。

  在全球范围内，气候在所有的时间尺度上都在发生变化，并且将持续变化。全球平均地表温度和全球冰川含冰量（通过其对海平面的影响：大陆上以冰帽的形式存在的冰越多，例如目前格陵兰岛或南极洲的冰帽，全球海平面就越低）是描述气候及其变化的首选指标。

  在更局部的范围内，所有受气候影响的环境特征（山地冰川、植被、湖泊等）都可以用作气候指标（图1）。这些自然元素过去状态的痕迹被我们用来“重建”没有天气记录的历史时期的气候。

2.为什么是“气候机器”

  太阳是气候系统必需的能量来源。大约一半的太阳辐射被地球表面吸收，另一半被反射回太空（约30%）或直接被大气吸收（剩余的 20%）。吸收的太阳辐射加热了地球表面。然而，任何物体都会发出所谓的“热”辐射，这取决于它的温度：温度越高，热辐射越高。在典型气候系统的温度下，这种热辐射是不可见的红外线。地球表面和大气层发出的热辐射构成了一个向外的能量流。从长期来看，地球吸收的太阳能量流与地球以热辐射形式发射的能量流接近。输入和输出能量流之间的差导致了气候系统能量的变化——换句话说，就是全球变暖或变冷。

  气候系统的核心是大气层和海洋通过风和洋流，将多余的太阳能从低纬度地区分配到南极和北极。正因如此我们可以把它称为一台“机器”：这台机器将温差转化为运动，又将运动的动能转化为热量。

  尽管气候系统实际上是一个非常平坦的系统，大气和海洋的运动是水平和垂直的：尽管80%的大气质量都集中在地表以上10公里处，但大气覆盖了整个地球表面，因此在水平方向以数万公里为单位进行测量。这同样适用于平均深度为3800米的海洋。然而，海洋和大气环流的重要元素包括垂直运动，主要是由水或气团之间的密度差异引起的。在大气中，这些密度差异主要是由温度（和水蒸气含量）的差异引起的；在海洋中，温度和盐度是导致向上和向下运动的密度差异的主要决定因素。

  比如说哈德莱（低纬度）环流（参见：“大气环流:它的组织”）主要源于赤道近地面空气的受热上升。这些气团在上升时会(通过减压）)冷却下来，从而在这些地区形成暴雨。当这些气团到达大约10公里的高度时，它们就会从赤道向南北两方移动。由于动能矩和科里奥利力的守恒，地球的自转使这种水平运动向东偏移。在广阔的亚热带沙漠地区，这些气团下降并升温，从而近一步降低了空气的相对湿度，因此，低云覆盖是这些沙漠形成的源头。在近地面形成了与高空相反的水平运动，这些流向赤道的近地面风被地转偏向力转向西偏移，被称为信风（参见：“信风的关键作用”）。

  除了这些大型的大气环流模式（比如哈德莱环流模式）之外，许多瞬变模式也是大气和海洋环流的特征。因此，从高压系统到低压系统的更替是中纬度地区众所周知的“时间”要素。这些瞬变模式和稳定循环模式一样，是由低纬度和高纬度之间的太阳辐射差异造成的，并向两极输送能量。有趣的是，海洋和大气从赤道向两极输送的能量大致相同。

3.复杂系统

  气候系统的其它组成部分包括：冰（海冰和大陆冰）组成的“冰冻圈”;生物（包括植物）构成的“生物圈”;以及陆地表面。系统各组成部分通过能量（主要是热量，但也有动能）、水和碳的交换相互作用。显然，这些能量、水分和碳的流动也发生在气候系统的每个组成部分中（参见：“天气预报模型”）。

  碳循环可能会让人感到惊讶，而能量和水分的流动并不会让新的读者感到惊讶：事实上，我们每天都能看到和感受到它们，我们可以很容易的想象出整个水循环过程，水分在海洋上蒸发，在大气中运输，形成云、降雨、河流中的水流，最后返回海洋。碳循环同样必不可少，因为它决定了大气中持续存在的两种主要温室气体的浓度，即CO₂（二氧化碳）和CH₄（甲烷）。水蒸气和其他温室气体能够吸收地球表面和大气本身发出的热（红外）辐射。然后，部分辐射返回地球表面被再次吸收，加热了地球表面。因此，大气中温室气体浓度的增加导致更有效地吸收这种热辐射，从而导致地球表面变暖。

  因此，除了能量和水循环之外，了解碳循环对理解气候系统的运作方式至关重要。像其他循环一样，它实际上非常复杂：大气中的碳，本质上是以CO₂的形式存在，被植被和海洋浮游植物通过光合作用捕获并转化为有机物：比如木材、树叶等。当这些有机物分解时，碳再次以CO₂的形式重新排放到大气中。海洋中被浮游植物吸收的一部分碳最终会成为海洋沉积物，然后又“快速”地进入新的碳循环中。在很长一段时间内（超过一百万年），这种通量和火山排放的CO₂之间存在着平衡——或不平衡，尽管CO₂排放量很低，对气候动力学来说至关重要。

  气候系统非常复杂的原因是：在每个组成部分内部及其界面上都发生了大量的过程。这种复杂性使人们难以理解气候系统，并对气候学家试图预测其演变构成了相当大的挑战。这也是在不同时间尺度上气候变化的来源之一。为了克服这种复杂性，需要了解两个基本概念：胁迫和气候反馈。

4.胁迫和气候反馈

  众所周知，天气预报的结果一般超过一周就会变得非常不确定。这表明气候系统在长时间尺度上具有更大的不可预测性。因此，气候学家经常被问到这样一个问题：他们如何理解和预测十年后气候系统在时间尺度上的演变?气候学家给出的答案是：气候是一组统计量，这些统计量在一定范围内是可以预测的。因此，读者也会觉得，除非发生一场大灾难，否则法国大城市7月的下个月肯定会比12月的下个月暖和。原因是7月的平均太阳辐射比12月强。用专业术语来讲，这是一种胁迫；大气层顶部的入射太阳辐射是由气候系统之外的一个因素决定的——地球轨道的结构及其自转轴的位置决定了入射辐射的季节性变化，并迫使大气层在夏季和冬季之间进入一种非常不同的平均状态。

  因此，在气候的时间尺度上（超过几个月），就可以预测界定气候的统计量是如何对其控制因素（例如辐射通量）的变化作出反应。因此，如第3段所述，温室气体CO₂浓度的增加（由于大量消耗化石燃料）改变了辐射通量。用专业术语来讲，这是一种胁迫，气候系统对此作出了反应。其他作用力也决定了过去不同时间尺度上的气候演变：例如，缓慢的大陆漂移导致海洋和大气流发生了变化；强烈的火山活动期会导致大气对太阳辐射的反射更强，从而导致气候变冷，但长期来看会导致大气中CO₂浓度的增加，从而导致气候变暖。

  在地球的气候历史上，气候系统对各种作用力的反应例子数不胜数；人类对大气组成和地球表面状态的改变只是气候系统以一种可预测的先验方式作出反应的强迫的最新案例(图3, [2])。

  然而，构成气候系统的大量过程和成分，导致气候系统对胁迫响应的放大和衰减现象。一个众所周知的放大效应与雪有关。随着气候变暖，积雪会逐渐减少。之前被雪覆盖的白色表面颜色会变暗。深色的积雪表面反射太阳辐射的效果较差，反而吸收太阳辐射的能力更强，地表变暖，从而导致雪覆盖面积减少。因此，这是气候系统内部对气候变化的放大效应，称之为正反馈。反之，被称为负反馈。这里需要注意的是，正反馈通常不会导致气候系统“失控”。

  地球气候系统让生命延续了数十亿年，这一事实证明反馈机制将气候系统反应放大了1倍，而不是10倍。然而，应该注意的是，当前气候变化反馈的综合效应是正反馈，主要与云层、水蒸汽、大气的垂直结构和冰雪的变化幅度有关（图4，[2]）。尤其是水蒸汽的反馈非常强烈，因为其浓度对大气温度变化的调整非常快（约10天）。

5.突变和不可逆变化

  有时候气候系统的组成部分或气候本身对缓慢变化的外部胁迫响应会突然加速，这种现象我们称之为突变。这种突然变化通常（但不总是）与正反馈有关。突变也可以用一种非常简单的方式表示为超过物理或生物阈值。例如，当温度达到0摄氏度时，冰就会融化，或者当超过耐受阈值（如干旱）时，生态系统就会消失。相关子系统的快速演变反过来也会导致快速的气候变化。

  气候变化的不可逆性问题与突变问题有关。如果在取消最初的强迫因素后，系统在与取消强迫因素相同数量级的持续时间内未恢复到其初始状态，那么这种变化就被定义为不可逆。例如，目前估计格陵兰冰盖长期暴露在比19世纪初（“工业化前”）气候温暖2°C的气候下（距今已有几百年时间），极有可能导致该冰盖在几千年内几乎完全融化。一旦冰盖的融化过程顺利进行，全球气候将恢复到19世纪初的原始状态，冰盖也不会再恢复到原来的形状：这是因为，在部分冰盖融化后，冰盖表面将处于较低的海拔高度，并因此暴露在更温暖的气候下（格陵兰冰盖下的广阔大陆架目前处于超过3000米的海拔高度）。

  识别气候系统中可能发生突然和/或不可逆转地反应的要素，量化所涉及的变化阈值，是当前气候研究的一个热点。

6.气候学，一门多学科交叉的科学

  在本文的开头，描述了气象学和气候学之间的区别就在于时间尺度，气象学研究的时间尺度短（一般为一周左右），而气候学研究的时间尺度长（超过一个月，甚至几十年）。我们还可以用更多数学术语将气象学视为研究一个初始条件下的问题（“考虑到今天的大气状况，三天之后会是什么状态？”），而气候学是研究在边界条件下的问题（“如果我改变大气中二氧化碳的浓度，50年后的平均天气会是怎样的？”）。在最后一个问题中，我们可以清楚地看到气候系统胁迫的概念又出现了。也就是说，气候学在某种意义上与气象学是一脉相承，它们共享许多工具和方法（参见：“天气预报概论”）。

  气候学是一门多学科科学，因此它必须比气象学考虑更多的物理和生物现象：气候系统的组成部分——生物圈、大气、海洋、冰、陆地表面——是通过生物学、化学、物理学、地质学、水文学和其他科学来理解的。气候工具，包括气候模型，广泛使用了应用数学（参见：“生物圈、水圈和冰冻圈模型”）。

  显而易见，气候学迫切需要长期观测和良好的空间覆盖。公众并不十分清楚收集气候数据、并对其进行处理（均质化等）和分析的工作量是巨大的。长期时间系列的温度、降水量和冰川观测数据，几乎是所有气候科学的起点。一方面，与其他学科不同的是，气候学开展的实验很少，这是因为我们只有一个气候系统，一个地球，我们无法对它进行控制实验。这就是说，实际上人类正在进行一项巨大的实验，人为地增加大气中主要的长寿命温室气体的浓度！然而，气候系统的一些细节是可以用实验量化：例如，通过FACE实验（Free-Air CO₂ Enrichment，在自由空气中增加CO₂浓度），可以分析树木对大气二氧化碳浓度局部和持续增加的响应。

  由于气候系统本身无法进行实验，因此详细预测其演变的唯一方法是根据我们目前的知识进行建模。鉴于系统的复杂性，不可能以分析的方式进行详细的数学建模。由于针对气候系统建模过程中涉及的过程数量巨大，因此有必要转向数值模拟，以尽可能详细的方式表示所涉及的物理、化学和生物过程，将方程式转换为计算机代码，以便使用功能强大的计算机计算系统的演化过程。通常用于世纪尺度气候预测的最全面的工具是耦合地球系统模式。它们代表了气候系统基本子系统各自的功能和系统间的耦合功能。为了做到这一点，以大气为例，用水平方向约100公里，垂直方向50层的网格大小来表示大气层。然后，从一个给定的初始状态开始，用几分钟的时间步长计算几十年来大气状态的演变。计算机从而能够一步一步地模拟世界上所有地区的天气（分辨率约为100公里）。所以实际上，天气就是“阴和晴（雨和太阳）”，而天气背后所代表的是地球流体动力学，它控制着气团的运动、辐射传输、小尺度湍流过程、云的形成、降水等。计算机以同样的方式计算在同一时间内海洋和气候系统其他组成部分的演变以及它们之间水、能量和碳等的交换。由于气候系统的复杂性，这些地球系统的耦合模型是世界上计算能力的最大消耗者之一。

  表征历史气候指标（海洋沉积物、冰芯等）的收集和解释是气候学的一个特殊分支，即古气候学。对历史气候变化的了解为当前气候变化提供了极其宝贵的视角。它还允许我们在与当前不同的背景下测试我们对气候系统和气候模型的理解，从而评估我们理解和模型的鲁棒性和有效性。

 

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参考资料和注释

[1] Store, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, L.V. Alexander, et al., 2013. Technical summary. In: Climate Change 2013: The Science. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York (NY), United States of America. https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_SPM_brochure_fr.pdf

[2] Cubasch, U., D. Wuebbles, D. Chen, M.C. Facchini, D. Frame, N. Mahowald and J.-G. Winther, 2013. Introduction. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, pp. 119-158, doi:10.1017/CBO9781107415324.007. https://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar5/wg1/WG1AR5_Chapter01_FINAL.pdf