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user: 2. 全球变暖归因分析 2.1. 全球变暖观测事实 1979年第一次世界气候大会(First World Climate Conference)上，科学家提出气候变暖的概念，气候变化问题第一次受到国际社会的关注。1980~2014年，IPCC每5~7年更新一次评估报告，报道了全球变暖的事实，不断通过实测数据资料证实地球系统温度不断上升，气温升高导致生态系统与人类生存环境发生了剧烈变化。IPCC第五次评估报告进一步指出全球变暖事实 [ 2 ] ：1) 从时间尺度上，1880至2012年，基于现有3个独立数据集分析表明，全球平均温升达到0.85 (0.65~1.06)℃；2003~2012年，基于时间跨度最长的、唯一的独立数据集分析表明，全球平均温度比1850~1990年平均温度升高了0.78 (0.72~0.85)℃。2) 从区域尺度上，全球陆地生态系统的变暖速率高于海洋生态系统，北半球高纬度地区升温幅度较大(图1)。3) 从影响机制上，温度的显著升高主要由人为活动排放的温室气体浓度增加所致，人类活动极可能是造成20世纪中叶以来全球变暖的主要原因，该结论可能性超过95%，比2007年提出的可能性超过90%更高，表明人为作用对气候变化影响更为明显。4) 从产生后果上，全球气温升高将导致一系列的负面影响，比如冰雪融化、海平面上升、能量收支变化和水文循环改变，大气CO 2 浓度增加将导致海水酸化，这些变化将直接或间接地威胁陆地生态系统、海洋生态系统以及人类生存环境。 全球变暖表现出明显的时空差异性，IPCC (2014) [ 2 ] 第五次评估报告指出，1983~2012年可能是北半球自1400年以来最热的三十年，偏暖于1850年以来任何十年(图2)。陆地表面比海洋表面增温快，北半球高纬度地区比低纬度地区增温快和增温幅度大。地球表面大部分被海水覆盖，而且海水比热容更大，吸收最多新增热量的是海洋，1971~2010年至少有90%热量被海水吸收，其中700米深度以内上层海水吸收了60%，在75米深度以内的浅层海水平均温度在1971~2010年间以每十年0.11℃速率上升。就中国而言，在过去半个世纪里，我国气候变暖发生时间及增温幅度大小同样因地区而异，1975年前后开始于东北地区，之后出现于东部和南部沿海地区并逐步向内陆地区扩展；1983年西部内陆地区(西北地区和青藏高原)最晚出现温暖化 [ 1 ] 。增温幅度在东北、西北和华北地区最为明显，在西南和华南地区增暖幅度较小，在近100、50和30年尺度上这种变化具有较好的一致性 [ 8 ] 。 图1. 全球地表温度变化(1901~2012年) (根据IPCC AR5绘制) 图2. 全球平均陆地和海表温度距平变化(根据IPCC AR5绘制) IPCC (2014) [ 2 ] 第五次评估报告同时指出，全球陆地冰川和格陵兰、南极冰盖都在加速消融，北冰洋海冰和北半球春季积雪都在减少；全球上层海洋平均热含量和全球平均海平面呈增加趋势(图3)。1901~2010年全球平均增长速度为1.7 mm/yr (平均海平面上升了0.19 m)，1971~2010年平均增长速度为2.0 mm/yr，1993年到2010年平均增长速度达到3.2 mm/yr。永久性冻土占北半球陆地表面积的24%，季节性冻土占57% [ 9 ] [ 10 ]，在全球尺度上，积雪和冰量减少、冻土面积和厚度呈现减少的趋势。中国是世界上第三大冻土面积分布大国，多年冻土面积约2.20 × 10 6 km 2 ，占国土面积的23%，主要分布在青藏高原地区；季节性冻土面积占陆表面积的80% [ 11 ] 。北半球冻土温度上升和冻土层厚度减小，1967~2012年冻土层厚度以0.18 cm/yr的速率降低，净厚度降低8.05 cm [ 12 ] 。冰芯记录显示，2011年大气中温室气体(CO 2 ，CH 4 和N 2 O)的浓度超过了过去80万年的变化范围。最高分辨率的冰芯记录显示，过去2.2万年来，当前温室气体的增速及其辐射强迫是前所未有的 [ 12 ] 。 图3. 长时间序列积雪融化(a)，海冰范围(b)，海洋平均热含量(c)，及海平面变化趋势(d) (根据IPCC AR5绘制) IPCC第一次评估报告(1990年) [ 13 ] 尚未给出人类活动影响气候变化的证据，第二次评估报告(1996年) [ 14 ]，综合各种证据可以察觉到人类活动对20世纪气候变化的影响，人类活动的影响已被识别出来，可信度为50%。第三次评估报告(2001年) [ 15 ]，现代模式评估表明20世纪变暖非常不可能仅仅是气候系统内部变率造成的，近50年(1951~2000年)大部分观测到的变暖可能是人类活动造成的温室气体浓度增加的结果，可信度为66%。第四次评估报告(2007年) [ 16 ]，过去50年(1951~2000年)的全球变暖很可能是温室气体增加造成的，可信度为90%。第五次评估报告(2014年)，近百年来全球变暖现象毋庸置疑，增温原因是温室气体的增加可信度达95%。相比之前的评估报告，第五次评估报告在全球变暖的机制上，更加明确强调人为活动的影响，强调CO 2 浓度与增温的关系 [ 8 ]，认为全球变暖在很大程度上是人类活动导致温室效应加剧的结果(表1)。 造成全球变暖的原因包括自然因子和人类活动，太阳活动、火山活动及气候系统内部多尺度振动可能影响全球或区域气温变化 [ 17 ] 。太阳活动对全球变暖的影响是周期性而不是持续性的，但比起人类活动造成的大量温室气体排放，自然因素对气候持续变暖的影响相对较小。人类活动引发全球变暖的原因主要是人类活动排放的大量温室气体造成温室效应增强。IPCC第四次评估报告指出 [ 2 ]，人类活动造成全球变暖主要是人为排放的CO 2 等温室气体造成的。这些温室气体源于化石能源的使用、土地利用的变化以及森林的破坏，即它们是人类社会经济发展过程中的产物 [ 16 ] 。然而，自然因素(火山活动、太阳活动等)在近百年中对温度的年际变化也有着很大的影响 [ 18 ] 。自然因素和人类活动对全球变暖的影响成为当前学术争论的焦点，直接影响温室气体减排政策制定与气候谈判的成效(表1)。 Table 1 The analysis of the results of IPCC five assessment reports during 1990-201 时间 归因分析 可信度 1990 尚未指出人类活动对气候影响的证据 - 1996 人类活动对20世纪气候的影响 50% 2001 近50年观测到的大部分增暖可能归因于人类活动 66% 2007 人类活动造成的温室气体浓度增加很可能是全球变暖的原因 90% 2014 人类活动造成全球变暖主要是人为排放的温室气体造成的 95% 表1. 1990~2014年IPCC五次评估报告结果分析 2.2. 全球变暖自然原因 自然因素对全球变暖的影响包括陆地、海洋、太阳活动及火山活动等，一般认为地球–大气自身的调节导致气候变暖，地球表面温度目前处于“增温期” [ 19 ] 。太阳活动对全球变暖的作用呈周期性变化，自1935年到1979年太阳黑子活动从世纪周期的最低点达到了世纪周期的最高峰，是太阳活动的增强期，影响全球变暖趋势增强 [ 6 ] [ 7 ] 。太阳活动对气候变化影响的途径除还包括紫外线辐射及太阳磁场：一种观点认为，随着太阳活动周期，太阳辐照度变化较小但是紫外线的变化会很大，紫外线变化的影响可能会通过中层大气臭氧层的吸收而放大；另一种观点认为，宇宙射线有助于凝结核的形成，同时凝结核可以使云量增加，在太阳活动比较强的期间，太阳磁场也比较强，此时到达地球大气中的宇宙射线减少，从而凝结核减少，云量也相应的减少，地球表面的太阳辐射就会增加，最终导致温度上升，太阳活动较强时，地球气候会趋于变暖 [ 6 ] 。此外，厄尔尼诺现象也会造成全球极端气候事件，中高纬地区冬季气温与厄尔尼诺现象发生具有较高的一致性，即厄尔尼诺现象发生的当年冬季气温低、翌年也低；反之，厄尔尼诺现象发生当年冬季气温高、翌年也高 [ 20 ] 。 2.3. 全球变暖人为原因 基于观测事实和气候模式分析，只考虑自然强迫时，无法模拟20世纪气候变暖趋势；只考虑人类活动时，基本上能模拟出20世纪气候变暖趋势；当输入自然强迫和人类活动的所有强迫时，模拟与观测的气温变化吻合得最好 [ 21 ] 。IPCC (2014) [ 2 ] 评估报告再次确认了人类活动对气候变化的影响是显著和明确的。1951年至2010年间，观测温度变暖约0.6℃，人为排放的温室气体贡献可能在0.5℃至1.3℃之间，其中贡献最大的是大气CO 2 浓度升高，自然因子的贡献可能在−0.1℃至0.1℃之间。人类活动(温室气体排放)极可能(extremely likely)是1951年以来全球变暖的主要原因，与“人类活动相当可能(very likely)是全球变暖的原因”相比，第五次评估报告进一步明确了人为因素对全球变暖的主导作用。 人类活动对气候影响，主要是通过改变下垫面的性质、改变大气中的某些成份(温室气体和气溶胶) [ 14 ] 和人为释放热量。由于大量砍伐森林，导致CO 2 汇减少，从而使大气中的温室气体浓度增加，致使全球变暖。与人类活动有关的日常生产生活中燃烧的化石燃料，产生了大量的温室气体加剧了全球变暖。大气中温室气体(CO 2 、CH 4 和N 2 O)均呈现升高的趋势 [ 2 ]，大气中CO 2 、CH 4 和N 2 O的浓度是近80万年以来的最高值，分别为391 mg/m 3 、1.803 mg/m 3 和0.324 mg/m 3 [ 22 ]，相对于工业化前水平分别升高了40%、150%和20% (图4(a))。2011年，大气中CO 2 浓度增长主要源自于化石能源的燃烧和土地利用变化，人为CO 2 累计排放大约5450亿吨碳。其中，化石能源燃烧和水泥生产排放的CO 2 量为3650亿吨碳(图4(b))，土地利用变化排放CO 2 为1800亿吨碳(图4(b))，海洋吸收了1550亿吨碳，在大气中积累的CO 2 为2400亿吨碳，导致大气中CO 2 浓度从1750年278 mg/m 3 上升到2011年391 mg/m 3 ，剩余1500亿吨碳被陆地生态系统吸收。1970~2010年人为排放的温室气体总量呈现增加趋势，2000~2010年人为源温室气体排放量以2.2%的速率增加，高于1970~2000年的增加速率(1.3%) (图4(c))。2010年人为源温室气体排放总量为49 ± 4.5 Gt CO 2 -eq/yr，其中化石燃料燃烧和工业源排放的CO 2 占65% (图4(c))。 图4. 大气中温室气体(CH 4 、N 2 O和CO 2 )浓度变化(a)，全球人为源CO 2 年排放量(Gt CO 2 /yr) (b)，1970~2010年人为源温室气体排放总量变化趋势(c) (根据IPCC AR5绘制)