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模拟是一种手段，它是我们用来预测未来变化或借以解释过去曾经发生过的事件的重要方面。为了检验模拟对于描述实际古气候事件的各种数据的适应性，了解过去曾经发生过的事件的某些重要方面是关键所在。这样的检验，将有助于科学家了解，如何使用来自这些模型的有关信息以及如何去证实他们的预测。我们因此也将能在进入新世纪之际，更好地对面；临的大量公共政策问题进行评价。遗憾的是，已知的气候模式可能未能包含所有的未来条件，而我们的各种模型尚未能针对迥异于已知气候模式的各种情形进行较好的调整。因此，我们仍需继续寻找进一步检验模式的各种途径。我们所拥有的用以进行这类检验的最好的物理实验室，并不是那种由玻璃和钢材构筑而成的实验室，而是地球本身，特别是我们所掌握的有关地球历史时期的知识。是上下涨落还是衡稳趋势 可以在各种不同的尺度上对气候进行模拟，这些时间尺度可以从数千万年（例如，白至纪的时间尺度）到10万年（如冰川期、间冰川期的交替变化），抑或数年。 为了了解并可靠地预测全球变化，需要进行许多不同时间尺度的模拟。与地球系统科学有关的全球变化问题，主要考虑的是人类引起的气候变化。根据全球气温记录，并进行适当平均，显示自19世纪中叶以来全球温度上升了大约0SC（图3．1）。有人仍坚持认为这一变热趋势，特别是20世纪80一90年代创记录的变热，仅仅是一种自然涨落。因此，对各种时间序列下可以识别的特征变化类型进行分析，或许会提供一些帮助。 其中一种变化是这样一种周期性变化：时间序列围绕某一均值上下摆动。 还有一种可能是在两个长期均值之间的跳跃性变化。例如，当一座火山喷发时，抛向平流层的硫酸烟雾将阻挡部分太阳光，并引起地表的快速冷却，这就是一种跳跃性变化。地表的变冷效应通常可以保持1年左右，然后温度在一个数年的变暖趋势中呈逐步升高趋势。1991年菲律宾的皮纳图博火山的喷发就是这一情形，其温度效应可以在图3．l中观察到。 在长期的上升趋势中也可以出现短期的下降趋势。在过去100年间，全球表面温度经历了一种整体的上升趋势。叠加在这一上升趋势之上的，是一些数年或数十年的温度“反弹”。这些反弹是一些自然的、随机的涨落过程，还是由一些可以确定的气候系统以外的外界营力（不管它们有多么小）引起的？如火山尘埃、太阳辐射变化及人类活动等。对此，研究人员和气候观测者们仍争吵不休。 一个有趣的假想例子是这样一种时间序列，在该序列中，虽然温度的长期平均值是恒定的，但随着时间的推移，序列内的变异增加了。例如，温度下降到OC以下仅仅几个小时，就足以使一棵玉米夭折。对这棵玉米来说，温度越过冰冻这个门槛就是一次大事件，不管这种温度仅仅是一种随机的涨落变化还是代表了一种真实变化的趋势。同样，一只鸟或一只昆虫死于30C以上的高温所预示的是一种变异程度不断增加的趋势，对这些动物来说，这是一件相当大的事件，但是，对一个只关注温度的长时期变化的气候学家来说，他并不会将此视作是一种气候变化。同样，对于那些老年人或流浪者来说，仅仅几天的酷暑即可置人于死地，有如1995年7月热浪袭击芝加哥时所发生的悲惨事件一样。 科学家们总是在寻找变异背后的种种原因，如果这些原因是可靠的，它们将有助于科学家们在涨落中区分出真正的变化。正如我曾经指出的那样，过去的气候是多变的：有冰川期、有延续数千万年的无冰时期、甚至还有一二十亿年大气中缺失或极少含有氧气的时期。与现代相比，各大陆曾处在不同的地理位置，来自太阳的能量也不一样，而大气的成分亦有差别。换言之，地史时期的一些天然“实验”曾见证了一些尺度极大的变化，在许多情形下，甚至比人类在未来几十年内通过改变大气化学成分所能施加的影响还要大。但是，与人类所可能施加的影响相比，这些巨大变化的自然速率通常（但不完全是）要缓慢得多。要预测气候，我们不应仅仅局限于寻找验证的手段，我们还需要识别、分析促使气候变化的各种因素，这些因素被称为“气候营力”。 循环 地球轨道形状控制某时某地抵达地球的阳光数量，它就是一种气候营力。比如，来自太阳的热量促使了季节的变换。基本的大气循环是由太阳营力来驱动的。当阳光照射进来时，其中一部分阳光立即被反射回太空，这种反射绝大部分是由云、沙漠和冰盖来完成的。地球的这种反射阳光的能力又被称为反照率，它决定了所吸收的太阳能的数量。人造卫星观测所得地球整体的反照率为30％左右。 因为地球呈球形，其表面积的50％位于南纬30C线和北纬30C线之间。地球的形状使得阳光直照热带地区，而在高纬度地区则以一定角度斜向照射，这使得热带、亚热带等低纬度地区所吸收的阳光远远超过50％。结果使得热带地区被过分加热，而极地地区则吸收较少的热量。 但是，如果控制气候的仅仅是太阳的辐射，那么，赤道地区的过分加热应使该地区变得更热，而极地地区冬季光照的缺失则会使它变得更冷。因此，必须还有其他一些过程在起作用。其中一个明显的过程就是活动的流体（特别是大气和海洋）使得热量围绕地球不停地发生转换。 热空气在热带地区上升，然后向上、向外迁移至更冷的区域，最后在数千千米之外下沉到极地地区。伴随着热空气的运动，出现一股与其并列或位于其下方的流向赤道的回流。这种循环被称为哈得莱环流（Hadley Cell）。地球是一个旋转的球体，这一事实将使空气的流动轨道发生偏斜，这又使问题进一步复杂化。 如果你借助一团空气旅行，首先向L，然后向极地移动，在北半球，你的运行路线将向有偏转；而在南半球，你的运行路线将向左偏转。事实上你本身的轨迹并没有发生偏转，只是相对你底下旋转着的地球来说，你的轨道才显示出偏转。北半球的旋风是逆时针旋转，南半球的旋风则是顺时针旋转，也是由于这一原因。旋风中心的气压要低于其边缘的气压。这样，涌向中心低气压区的气流在北半球向右偏转（逆时针），在南半球则向左偏转。卫星照片上这些风暴的螺旋型形状，就源自于这些偏转和风掠过地表所引起的摩擦力的联合效应。加斯帕尔·德·科里奥利（Gaspar de Coriolis）数世纪以前，即在一个数学方程中描述了这一偏转现象，因此它又被称之为科里奥利效应。由于科里奥利力使得热带地区上升的热空气发生偏转，在南、北半球的低纬地区出现的是西风（即风从西边吹来）。 大气圈内任何两地的温差产生了风。这种温差反过来还产生了密度和压力的差异，从而导致空气上升、风等现象的出现。急流在夏季相对较弱，但它在冬季则要强得多，这是由于在冬季虽然极地气温下降，但热带地区的气温相对来说终年保持温热。因此，在冬季，高纬和低纬地区之间的温差达到最大，哈得莱环流更强，更多的空气和热量由热带传送到两极，循环更加活跃，急流更加多变，且更靠近赤道的位置。 当大规模的环极地风相对于旋转的地球达到一定的速度时，它们将变得不稳定。如果急流不稳定，它们将分裂成高压和低压涡流，后两者也被称为气候系统。大气遵循质量、动量及能量守恒的物理规律，可以用一组方程来表达这些规律，这些方程的解可以用来对运动着的气候系统的行为进行数学模拟，而这正是理查森在20世纪20年代试图引进的革命性方案。这些模拟解释了为什么中纬度地区的气候模式通常每隔数天就发生变化，而热带地区（有时包括中纬度地区）的气候模式有时可以连续数月保持稳定。 急流的位置对局部的或区域的气候条件来说至关重要，因为它控制着风暴的形成，并分隔热带气团与极地气团。 你肯定听说过非洲、南美洲及亚洲的季风（在北美洲则有一相对较弱的季风）。从冬季到夏季，海水表面温度只有少数几度的变化，这是由于浩瀚的海洋也是一个巨大的聚热体，它拥有科学家们所指的巨大的赌热能力（或热容）。陆地就不同了，由于其热容要小得多，其温度在季节之间可以出现数十度的变化。因此，相对于各自的周围地区，亚洲、非洲及南美洲大陆的中央部位的温度，在夏季真的升高了。被加热的空气在陆地上升。与此相伴，来自海洋的充满了水分的空气吹来填补热空气上升所留下的空间。其结果就是夏季风的出现：它带来的降雨维持了这些地区的自然和人类的生态系统。 海洋温度的另一个常见模式是美洲大陆西海岸外侧的上升冷水流。其成因是当风掠过海面时，两者之间的摩擦产生了水流。沿着北美西海岸，通常来自西北方向的风似乎在将海水挤向海滨。但由于海洋中科里奥利力的作用，实际上发生的是北半球的海流发生向右的偏转。也就是说，来自西北方向的风，在北半球将引起海流的向右偏转，从而实际上导致海水离开西海岸。随着表层海水向西南方向发生偏转（亦即偏离海岸），来自深部冰冷得多的水体就顶替上来。这就是为什么人们甚至在仲夏的加利福尼亚海边游泳时，仍需穿紧身保暖潜水服的原因。这种上升水流含有丰富的营养成分，因此它支持了丰富多彩的海洋生态系统。 除了季风雨及北美洲和南美洲海岸外的上升冷水流以外，气候学家和海洋学家们还在研究一种叫厄尔尼诺（E Ni5O）的现象所产生的效应，厄尔尼诺的字面意思是“孩子”，它指的是基督孩子，它是一种在圣诞节期间最为常见的周期性现象。每隔数年，与赤道太平洋地区水体的强烈来回晃动有关的大气风和海洋内部波浪，促使秘鲁海岸外的海水出奇的热，而在热带太平洋的西端则出现冷水。秘鲁海岸外的热海水也使大气圈得到了加热。加热空气的上升，使得在上升冷水流地区正常情况下应该出现的空气下沉趋势，发生了逆转。1983年和1995年的两个冬季就是极好的例子。东太平洋海区的热表层水改变了降雨模式，并使风暴向南进入加利福尼亚，引起该地区的洪水。此外，这种降雨模式的变化又会引起海水表层温度方面的反馈，从而构成海一气相互作用的一系列过程的一部分。改变东热带太平洋海区正常情况下的上升冷水流的趋势，不仅导致了秘鲁骤雨的出现，而且还引起澳大利亚的干旱乃至新几内亚的火灾，因为后者在正常情况下经历的是潮湿的雨林气候。此外，厄尔尼诺还产生一些全球性的影响。正常循环模式和厄尔尼诺循环模式之间的摆动就是所谓的南方涛动信号（Southern oscilla－tion signal），一般情况下它每隔五年左右发生一次，但从1990年至1995年，厄尔尼诺现象一直出现着，某些人称之为“死不了的厄尔尼诺”。这种情况只是一种偶然情况，还是一种我们将不得不与之为伴的气候变化？大气、海洋的电脑模型以及海一气耦合模型，正在开始对这些因素进行成功的模拟，这是了解诸如温室气体不断增加等全球变化，是否还将影响厄尔尼诺这一重要现象的一个前提条件。迄今为止，虽然人们对持续的厄尔尼诺这一奇特现象所产生的后果有一较清晰的认识，但其成因问题仍有待解决。 内因还是外因 在谈及气候变化的原因时，我曾指出需要区分两类基本的原因：内因及外因。“外”意味着由系统外引起，且不大受系统内的变化的影响，但是外部过程并不一定非得在地球之外（如太阳之于地球）发生。如果我们讨论的焦点是一星期时间尺度上的大气变化（天气），那么，产生CO。的海洋、陆地表面、生物群及人类活动都是外因，因为这些过程并不会因为短期内的大气变化而遭受较大影响。但是如果我们讨论的是几十万年尺度的冰川期、间冰）11期旋回，那么，海洋和冰盖就构成内部气候系统的一部分，并且将作为地球气候系统的一个内在组分而发生变化。因此，对一个气候系统来说，何为外因何为内因并非绝对，而是取决于所讨论的现象以及所涉及的时空尺度。 以上少数几个例子旨在说明，在电脑模型中，从众多因素中选定某一气候系统的内因及外因是一件复杂的工作。发现混沌理论的先驱者，美国麻省理工学院（MIT）的气象理论学家爱德华·洛伦兹（Edward Lorenz）在20世纪60年代就认识了这一内、外因之争的重要性。洛伦兹注意到，一个复杂的所谓的非线性系统可以有不同类型的行为。非线性意味着一个系统对某一外力的响应，并不与外力大小成正比关系。例如，假如有这样一个非线性系统，当施以1个单位的外力时，它将作出1个单位的响应；如果外力变成2个单位，系统的响应可能将变为6（或1．5）个单位（或者系统将产生崩溃——这是一个非常非线性的响应）。两片阿斯匹林可以治愈一个人的头痛，但吞下一整瓶的阿斯匹林则将致人于死地—一这是极端的非线性响应！ 有一种反应方式被称为“确定性的”，它意味着系统对外力的响应是以一种一对一的方式（即使是非线性的）进行的。也就是说，一股特定的推力引起一种特定的响应，假使推力加倍，则产生另一种可以预定的响应：推力和响应之间有直接的因果关系。例如，将l％的太阳能反射回太空的火山尘埃，原则上将会引起一次可以确定的特定降温；如果反射回太空的太阳能增加到2％，则会引起另一次特定降温效应（不一定是线性的，但仍可确定）。 另一类系统行为是“随机的”，意指系统按某些统计规律运作。例如，一对骰子是非确定性的，因为不存在一种关系能够准确地预测每次扔骰子的结果：每扔一次，出现任何数字的概率是相等的。至少在原则上可以确定一种“统计分布”，它给出一对骰子各面任何组合的概率。许多天气系统即表现出这样一种随机行为，这一因素构成了天气预报中确定降雨概率的基础。 洛伦兹引入的这种新的系统行为类型，后来被数学家们称之为“混沌理论”。他指出，某些非线性系统既不是确定性的，也不是随机性的。这类系统有一种围绕某些被洛伦兹称为“奇异吸引子”的状态聚集的趋向，冰J；D期和；和冰川期就是这样的一些状态。人们还识别出自然界其他许多混沌行为的例子，包括玩具气球在天空中的飞行轨迹及不规则的热津动等等。 气候记录是由内在的还是外部的原因引起？气候这一复杂的自然系统是确定的、随机的、混饨的，抑或是在不同的环境下以上三种状态均可出现？科学界围绕这些问题展开了激烈的争论。 外在因素及系统的确定性意味着可预见性。例如，位于太平洋大岛夏威夷海拔逾3000米处的冒纳罗亚（Manna Loa）天文台，有一个太阳光检测器。一般情况下，检测器观测到实际上有93．5％侵入到大气圈顶层的太阳辐射能最终抵达该处地表。然而在1963年，抵达冒纳罗亚天文台的太阳能数量有一显著的降低——下跌了几个百分点。这事实上是巴厘岛的阿贡火山喷发所致，火山喷发将SO带入平流层，SO。在平流层中通过光化学作用转变为硫酸微粒，扩散至全球，然后在大约8年时间内缓慢降落。这一尘埃在大气层下层将这一部分太阳能反射回太空。地球因此将变得更冷，事实上这确实降低了十分之几摄氏度（见图3．二）。回落时分，由于高空烟雾颗粒的作用，天空重新变亮，添以浓浓的紫红色，使日落时的火山壮观醒目。1983年，墨西哥境内的一座名叫奇切思的火山发生喷发，将火山顶部相当大的岩块掀走。火山灰本身并不会引起明显的气候变化，因为它在几星期内即可从大气圈下层降落地表，从而给当地居民带来灾难。引起气候变化的真正因素，是火山喷发带人平流层的SO。。 或许是1991年菲律宾皮纳图博火山喷发的一个结果，1992年和1993年，全球平均地表温度比往年要低0ZC。事实上，1992年是此前连续6年来第一年没有出现破高温天气的记录。随着火山尘埃消散殆尽，1994年和1995年的地表温度又恢复新高。 土地利用是另一个必须加以说明的外部气候育力。例如，如果人类对亚马孙河西林区以一个较快的速率进行森林滥伐，气候将会因之产生何种影响？对此，人们目前正在进行许多模拟研究来试图加以确定。由于树木具有可将水分吸至土壤深处的根部的功能，森林地区比不毛之地要蒸发更多的水分。树叶通过微小的气孔呼吸CO。、O。及水蒸气。树叶的气孔张开时吸进光合作用所需之CO。，然后呼出水分和O。。植物的蒸腾作用是大气圈水分的一个重要供给来源，森林滥伐则改变了蒸腾作用的速率。大气圈本身的CO。含量多少决定树叶气孔张开时间的长短，而这又影响着蒸腾作用。如果森林滥伐伴随着大规模的焚烧，燃烧产生的烟雾将会改变温度、降雨量和云的多少。如果人类活动或自然过程改造了地表及生物群，这又将决定这些生物群赖以生存的天气的性质。这就是所谓的“生物地球物理反馈（biogeophysical feedback）”，它代表的是在地球系统的模拟中另一个必须予以澄清的内部过程。 他表的水土流失与森林滥伐有关。北卡罗来纳州的实测结果表明，该地区在森林滥伐后出现更多的水土流失，这是由于土壤固结并因而导致保持土壤水分的植被减少了。此外，由于裸露的土壤或草地相对森林而言，其蒸腾作用减弱，这又使更多的水得以流失。其结果可以导致下游的洪水灾害，特别是当有足够多的土壤被侵蚀而使水土流失急剧增加时，更是如此。然而，非线性的气候系统是非常复杂的。例如，如果森林滥伐在一足够大的规模上进行，即使森林滥伐使降水量中流失的成分增加，它也可以使蒸腾作用减弱到使降水量减少的程度，因此将导致水土流失总量的降低。人们曾将这一机制应用于亚马孙河。森林所无偿提供的所谓生态系统服务功能之一就是控制洪水，其他功能包括控制自然害虫数量、废物再循环以及营养成分循环等。 我业已指出，碳循环以多种方式与大多数的外部和内在因素相联系。它涉及温室效应、光合作用、呼吸作用等自然过程。当然，矿物燃料的燃烧及森林滥伐是直接影响碳循环的一些全球变化。气候调节着碳的储集和流动，而人类在此扮演着非常重要的角色。毋庸置疑的证据表明，正如南北两极的冰芯所揭示的自工业革命以来CO。。含量的增加（25％）是由人类活动引起一样，冒纳罗亚天文台及其他一些远离两极的地点所直接观察到的CO。含量，自1957年以来的增加值（10％），也是由人类活动所致（见图2．3）。 在所有这些外部和内在因素中，何者对气候产生最重要的影响呢？ 很显然，诸如土壤中的碳这类非常缓慢的循环的变化，不至于会对来年的天气产生影响，因为后者与诸如海洋表层水温模式等更为迅速的变化有关。对1一2年的全球平均温度来说，一次火山喷发是一个5「常重要的外部因素。但对一个世纪的时间尺度（大致相当于人类使CO。含量翻一番或使自然森林消失所需的时间）来说，火山尘埃似乎只是一些短期的干扰。因此，上述问题的答案将难以令人满意：“它既取决于某种气候营力尺度下最为主导的影响因素，也与地球系统内部各个子系统的特征的响应时间有关。”此外，地球系统对各种人类干扰的响应，可以是一些不同因素之间的任意组合。 以上所有讨论说明了气候预报为什么仍是不准确的一项工作。我们所讨论的系统，在不同的时间段里遭受无数种不同方式的影响。对一确定时间段的系统来说，我们自认对其外部和内在的各种变量已有相当程度的了解，但对于每个变量是如何影响系统，我们并不完全了解。我们知道气候具有非线性成分，但我们并不了解系统的各个方面在多大程度上是决定性的、随机的或混饨的。火山尘埃和（可能的）温室气体引起的大多是一些确定性的系统响应。四季变换是对地球轨道几何形状变化的一种响应，基本上是确定性的且可预测的，但对于一个特定的冬季来说，它与长时期冬季平均情况的差别，最多也只能部分地进行预测。 由于大气圈的混沌的、不可预测的性质，目前要预报一星期或两星期之后的天气，原则上是比较困难的。现有的气候模型常招来批评者的嘲笑。某些反对者提出的一个典型的指责就是：“如果你连两周后的天气都无法予以准确预报，你又怎敢预报未来20年的气候（长时期天气的平均情况介”然而，虽然将一对骰子掷了许多次之后仍无法可靠地预测此后每掷一次的结果，但这并不能阻止我们对两粒骰子各面组合的概率巧妙地进行预测，如果我们使用灌铅骰子并且知道如何操纵它们，那么我们还可以可靠地预测上述概率事件的替代事件。电脑模拟技术是我们所拥有的用以进行“假如……那么……”这类实验的唯一有效的手段，人类对未来气候的影响（此处相当于“气候骰子”）就是这类实验之一。地球气候系统既有众多的不确定之处，也有大量得到广泛承认的事实。因此不难明白在系统中出现错误是一件微妙而容易的事。但全球变化营力的飞快速率并没有留给我们多少选择余地，我们只有利用这些以已知的物理学和生物学原理为基础的不断更新的手段，来增进我们的认识，改善我们的预测技术，并将那些将对下一世纪的地球生命产生影响的可能后果告知决策部门。 |
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