編者按

如今，氣候變化已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，被認(rèn)為是這個(gè)時(shí)代的決定性問(wèn)題。在過(guò)去的兩周，《知識(shí)分子》 “氣候大會(huì)特別策劃” 系列回答了 “全球變暖是真的嗎？” “升溫1.5度還是2度，世界會(huì)有何不同” “應(yīng)對(duì)氣候變化，植樹(shù)造林的作用有多大？” 等問(wèn)題。

今天的文章，將帶領(lǐng)大家一起回顧氣候變化的發(fā)現(xiàn)歷程。

撰文 | 唐自華（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）

責(zé)編 | 王冠麗

氣候變化是如何成為世人關(guān)注的話題？為什么全球變暖成為了焦點(diǎn)？它又怎樣走進(jìn)政治舞臺(tái)中央？人類(lèi)用了200年的時(shí)間，才厘清了氣候變化背后的科學(xué)原理，并通過(guò)儀器觀測(cè)、數(shù)據(jù)集成、模擬計(jì)算深入認(rèn)識(shí)了地球氣候系統(tǒng)。

“誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了全球變暖？不是一個(gè)人，而是很多個(gè)科學(xué)團(tuán)體。他們的成就不僅是積累數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而且把數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。這顯然是一個(gè)社會(huì)過(guò)程。這一過(guò)程非常復(fù)雜非常重要。” 美國(guó)科學(xué)史家 Spencer Weart 如是說(shuō)。

今天，我們就共同回顧氣候變化的發(fā)現(xiàn)歷史。

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全球變暖的科學(xué)基礎(chǔ)

氣候變化記錄至少可以追溯到3000年前。竺可楨先生曾援引《左傳》和《詩(shī)經(jīng)》中的物候資料來(lái)證實(shí)氣候變遷，但認(rèn)識(shí)其科學(xué)原理一直要等到19世紀(jì)。

法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉奠定了地表溫度研究基礎(chǔ)。他寫(xiě)道：“大氣的介入可以增加 [地表] 溫度，因?yàn)殛?yáng)光的熱量在穿過(guò)空氣時(shí)遇到的阻力要比在轉(zhuǎn)化為不發(fā)光的熱 [紅外輻射] 時(shí)遇到的阻力小”。這被認(rèn)為是大氣溫室效應(yīng)的來(lái)源而廣為引用（Fleming, 1999）。

1861年，丁達(dá)爾（John Tyndall）通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氣體吸收和發(fā)射紅外輻射的特征，發(fā)現(xiàn)大氣溫室效應(yīng)是由含量很少的水汽和CO2貢獻(xiàn)的，而主要成分氧氣、氮?dú)獠](méi)有溫室效應(yīng)。這意味著，改變幾種痕量氣體的濃度就可能影響氣候，但丁達(dá)爾還不能定量計(jì)算溫室效應(yīng)。

丁達(dá)爾的實(shí)驗(yàn)裝置（Tyndall, 1861）

1896年，阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）利用月光的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了大氣中水汽和CO2對(duì)紅外光的吸收特性?？紤]水汽和冰-雪反照率的正反饋后，他首次提出，CO2濃度增加一倍，全球溫度將升高6°C。

現(xiàn)在，我們對(duì)溫室效應(yīng)的機(jī)制認(rèn)識(shí)更清楚，溫室氣體種類(lèi)更多樣，甚至可以逐條譜線精確計(jì)算紅外光的吸收譜?？紤]更復(fù)雜的反饋過(guò)程，根據(jù)最新估計(jì)，CO2濃度加倍，地表溫度將上升1.5-4.5°C。

2

CO2溫室效應(yīng)的第一份觀測(cè)證據(jù)

時(shí)代為驗(yàn)證阿倫尼烏斯的計(jì)算精度提供了絕佳時(shí)機(jī)。

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，西方國(guó)家的工業(yè)化已經(jīng)如火如荼開(kāi)始。到二戰(zhàn)前夕，化石燃料燃燒大約累計(jì)排放了1500億噸CO2，推算人為排放的CO2將導(dǎo)致地球每年0.003°C的增溫。而專(zhuān)業(yè)氣象學(xué)者承認(rèn)暫時(shí)、區(qū)域的氣候波動(dòng)，對(duì)CO2的溫室效應(yīng)滿(mǎn)腹懷疑。

1938年，英國(guó)蒸汽工程師卡倫德（Guy Stewar Callender）發(fā)表了全球147個(gè)氣象站的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)。他詳細(xì)介紹了大氣CO2的累積速率、水汽和CO2對(duì)紅外線的吸收、CO2對(duì)大氣逆輻射的影響、大氣逆輻射及其與溫度的關(guān)系，觀測(cè)數(shù)據(jù)明確揭示：自1880年以來(lái)，CO2濃度增加導(dǎo)致地球每年以0.005°C的速度變暖。

第一份器測(cè)全球升溫?cái)?shù)據(jù)（Callendar, 1938）

毫不意外，卡倫德的結(jié)果遇到了嚴(yán)重質(zhì)疑。例如，時(shí)任英國(guó)氣象局局長(zhǎng)喬治-辛普森爵士（Sir George Simpson）認(rèn)為大氣尚未達(dá)到輻射平衡，具體地點(diǎn)的溫度幾乎全部由空氣垂直運(yùn)動(dòng)控制，聲稱(chēng)溫度與CO2含量同步上升只是巧合。

面對(duì)群情洶洶，卡倫德把答案留給了時(shí)間，他寫(xiě)到，“未來(lái)20年的溫度曲線將為評(píng)價(jià)二氧化碳增溫的準(zhǔn)確度提供寶貴證據(jù)”。

不料全球溫度的器測(cè)數(shù)據(jù)令人卡倫德大跌眼鏡。

3

二戰(zhàn)后的降溫推動(dòng)氣候變化研究

1945年二戰(zhàn)結(jié)束，世界范圍內(nèi)的工業(yè)化導(dǎo)致CO2排放量快速增加，1958年CO2排放量幾乎是1945年的2倍。但是，全球溫度在這10余年間卻略有降低（Mitchell et al., 1961）。這迫使氣候?qū)W家不得不去考慮新的反饋機(jī)制。

同一時(shí)期，美國(guó)學(xué)者花了6年從格陵蘭島西北部的世紀(jì)營(yíng)（Camp Century）獲得了第一根透底冰芯。研究者注意到，冰芯記錄中，氣候由暖向冷的轉(zhuǎn)變 “短的驚人”：末次冰期的開(kāi)始只花了100年左右（Dansgaard et al., 1972）。

焦慮在1972年1月達(dá)到高潮。42位學(xué)者在布朗大學(xué)召開(kāi)研討會(huì)，聚焦“間冰期何時(shí)以及怎樣結(jié)束”。他們回顧了古氣候研究進(jìn)展，初步達(dá)成共識(shí)：當(dāng)下的暖期可能在數(shù)百年內(nèi)以快速降溫宣告結(jié)束；現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以預(yù)測(cè)冰期到來(lái)的時(shí)間和評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)的影響（Kukla & Matthews, 1972）。

Kukla和Matthews給美國(guó)總統(tǒng)的信，倡議氣候變化研究

1972年12月3日，哥倫比亞大學(xué)拉蒙特-道爾提地球觀測(cè)臺(tái) George Kukla 和布朗大學(xué)地質(zhì)系主任 Robert Matthews 以會(huì)議紀(jì)要為藍(lán)本，聯(lián)名致信美國(guó)總統(tǒng)尼克松，稱(chēng) “幅度史無(wú)前例的全球氣候惡化，具有非常真實(shí)的可能性，而且可能很快到來(lái)”。一個(gè)月后，美國(guó)國(guó)務(wù)院國(guó)際科技事務(wù)局復(fù)函，將信件交大氣科學(xué)跨部門(mén)委員會(huì)評(píng)審。評(píng)審順利通過(guò)。1974年8月美國(guó)商務(wù)部負(fù)責(zé)組建氣候變化委員會(huì)，美國(guó)海洋和大氣管理局局長(zhǎng)兼任委員會(huì)主席。

氣候變化研究歷史中，Kukla 和 Matthews 的這封信影響力絕無(wú)僅有：氣候變化從此登上美國(guó)政治舞臺(tái)，在極大推動(dòng)相關(guān)研究的同時(shí)，也成為各方政治力量角逐的舞臺(tái)。

4

全球變暖蓄勢(shì)待發(fā)

1958年3月，在二戰(zhàn)后降溫初步確認(rèn)的同時(shí)，Charles Keeling 開(kāi)始在夏威夷群島冒納羅亞火山長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)大氣CO2濃度，1960年首次公開(kāi)數(shù)據(jù)。

海洋地球化學(xué)家 Wallace Broecker 冷靜地審閱了世紀(jì)營(yíng)冰芯數(shù)據(jù)。他注意到，過(guò)去1000年中，世紀(jì)營(yíng)冰芯的溫度變化存在80和180年周期，1945年開(kāi)始的降溫可能是溫度自然波動(dòng)的一部分。他還利用數(shù)值模擬評(píng)估了實(shí)測(cè)CO2增量對(duì)溫度的影響，并按3%的化石燃料增長(zhǎng)速度預(yù)測(cè)未來(lái)溫度變化。1975年8月8日，他論文中斷言，自然降溫已經(jīng)被人為排放CO2的溫室效應(yīng)所補(bǔ)償，降溫將在1980年代的某個(gè)時(shí)候停止；之后，CO2將主導(dǎo)全球溫度變化，到21世紀(jì)最初十年，我們將經(jīng)歷過(guò)去1000年里從未有過(guò)的溫暖氣候。

1975年8月8日，Global Warming首次作為科學(xué)術(shù)語(yǔ)出現(xiàn)

之后，全球溫度一路走高，到2015年，溫度曲線幾乎完美契合了 Broecker 論文的預(yù)測(cè)。

Broecker的論文標(biāo)題是Climatic change: are we on the brink of a pronounced global warming ?，這被認(rèn)為是 “全球變暖” 作為科學(xué)名詞誕生的標(biāo)志。全球變暖迅速被學(xué)界廣泛接受。1976年，蘇聯(lián)著名氣象學(xué)家、物理氣候?qū)W先驅(qū) Mikhail Budyko 聲稱(chēng)，“全球已經(jīng)開(kāi)始變暖。” 1979年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)表了由 Jule Charney 領(lǐng)銜的科學(xué)報(bào)告《二氧化碳和氣候》，肯定人為CO2排放導(dǎo)致升溫。這份包括附錄在內(nèi)只有22頁(yè)的報(bào)告首開(kāi)氣候評(píng)估先河。

5

IPCC走進(jìn)舞臺(tái)中央

1986年，“全球變暖” 誕生僅僅十年后，不同團(tuán)隊(duì)集成的數(shù)據(jù)顯示，過(guò)去十年是有器測(cè)記錄以來(lái)最熱的十年。

以全球變暖為主要特征的氣候變化迫在眉睫，世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署于1988年成立了政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC），試圖為決策者提供有關(guān)氣候變化嚴(yán)格而均衡的科學(xué)信息。IPCC 主要通過(guò)評(píng)估已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)，發(fā)布?xì)夂蜃兓u(píng)估報(bào)告。迄今，IPCC 先后發(fā)表了5輪氣候變化評(píng)估報(bào)告。報(bào)告使用 “全球變暖” 描述與溫室氣體濃度增加有關(guān)的地球升溫，用 “氣候變化” 表述更廣泛的氣候響應(yīng)。

到1990年，全球氣溫在過(guò)去100年中上升0.3-0.6°C，器測(cè)記錄顯示5個(gè)全球溫度最高的年份都出現(xiàn)在1980年代，海平面上升10-20厘米。IPCC發(fā)表了第一次氣候變化評(píng)估報(bào)告，肯定了氣候變化，但還不能明確人為活動(dòng)的影響。

5年后，IPCC第二次報(bào)告中指出，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的影響可以 “被檢測(cè)出來(lái)”，氣候變化已經(jīng)帶來(lái)了許多不可逆轉(zhuǎn)的影響。

進(jìn)一步認(rèn)識(shí)人為因素對(duì)變暖的影響，需要評(píng)價(jià)目前的變暖在歷史中的地位。1998-1999年，Michael Mann 等發(fā)表的過(guò)去千年溫度重建序列顯示：前900年溫度持續(xù)緩慢降低，最近100年突然上升，成為最溫暖的一個(gè)世紀(jì)，即曲棍球棒形狀的溫度曲線。作者言之鑿鑿，論文萬(wàn)眾矚目。

2001年，第三次氣候變化報(bào)告明確指出，“新的更強(qiáng)證據(jù)表明，過(guò)去50年觀察到的大部分增暖可以歸咎于人類(lèi)活動(dòng)”，認(rèn)為 “通過(guò)減少溫室氣體排放，可以降低預(yù)測(cè)的氣候變暖和海平面上升的速率和程度”。20世紀(jì)后期北半球史無(wú)前例的增溫得到了越來(lái)越多的支持。

Mann等（1999）重建的過(guò)去千年溫度序列，“曲棍球棒”

2007年的第四次評(píng)估報(bào)告承認(rèn)溫度重建存在覆蓋度不夠和結(jié)果不確定性等問(wèn)題，同時(shí)堅(jiān)持認(rèn)為：氣候系統(tǒng)變暖毋庸置疑；自20世紀(jì)下半葉北半球平均溫度很可能高于近500年任何時(shí)段的平均溫度，并且可能最近1300年中最高的；人為溫室氣體排放很可能是變暖主要原因；積極推動(dòng)各國(guó)積極減排溫室氣體。

IPCC最新的氣候變化評(píng)估報(bào)告發(fā)表于2013年。報(bào)告顯示，1880-2012年全球增溫0.85°C，同時(shí)強(qiáng)調(diào)，“人為溫室氣體排放極可能是20世紀(jì)中期以來(lái)氣候變暖的主要原因。”過(guò)去30年里，謹(jǐn)慎評(píng)估了各種溫室氣體的不確定性、氣候系統(tǒng)調(diào)整與反饋過(guò)程的復(fù)雜性，排除了合理的懷疑之后，IPCC（2019）愈發(fā)肯定：只有人為溫室氣體排放導(dǎo)致全球變暖，才能完整解釋工業(yè)革命以來(lái)的氣候系統(tǒng)變異。

1850年以來(lái)的全球溫度和CO2記錄

這個(gè)判斷是不斷深入認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)才逐漸明確的。兩百年來(lái)，無(wú)數(shù)學(xué)者從原理、實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)、模擬、集成等等方面不斷迭代、反復(fù)檢驗(yàn)，最終在IPCC主持下，全球變暖成為數(shù)千位專(zhuān)家經(jīng)過(guò)不計(jì)其數(shù)的討論達(dá)成的共識(shí)。

誠(chéng)如美國(guó)科學(xué)史家 Spencer Weart 所言：“誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了全球變暖？不是一個(gè)人，而是很多個(gè)科學(xué)團(tuán)體。他們的成就不但積累數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，更要把數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。這顯然是社會(huì)過(guò)程。這一過(guò)程非常復(fù)雜非常重要，因此，最終被體制化為IPCC 的研討、評(píng)閱以及談判。”