近期气候变化的归因

科学家们努力寻找以及确定地球近期天气变化的归因（Attribution of recent climate change），发现导致变化的主要驱动因素是人类活动产生的温室气体水平升高，加上自然力量让变率增强。人类在2010-2019年间造成的地表温度，比1850-1900年的水平大约高出0.8至1.3°C之间，最佳的估计平均值为1.07°C。那段时间经各式温室气体导致的温度升高在1.0至2.0°C之间，由其他人类因素（主要是气胶）导致的冷却在0.0至0.8°C之间，自然因素导致的温度变化在-0.1至+0.1°C之间，而气候本身变率导致的温度变化在-0.2至+0.2°C之间。
根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2021年发布的报告，“自第一次工业革命时代以来，人类造成的影响已让大气、海洋和陆地变暖，此点无庸置疑。”对归因的研究集中在经由而得的数据，尤其是在最近50年的期间。这段时期的人类活动增长是有史以来最快，而又能收集到对流层的温度资料。导致全球变暖的主要人类活动是：
除人类活动之外，有些自然机制也会导致气候变化，例如气候振荡、太阳活动（和太阳周期），以及火山活动。
有多方证据支持将近期的气候变化归因由人类活动所导致：
IPCC把近期全球变暖归因于人类活动，所反映的是科学界的观点，也获得全球196个科学组织的支持。 （另见关于气候变化的科学共识。）
背景.
影响地球气候的因素可分解为外力强迫（参见气候系统#External climate forcing}}）、反馈（参见气候变化#Climate change feedback）和内部变率（参见气候变率与变化#内部变率）。所谓强迫是从外部强加于气候系统的影响。外部强迫包括自然现象，例如火山爆发和太阳输出能量的变化。人类活动也可造成强迫，例如通过改变地球大气层中的成分。
辐射强迫是衡量各种因素如何改变地球能量收支的指标。正辐射强迫会导致地表变暖，并随著时间演进，让气候系统变暖。大气中二氧化碳（化学式：CO2）浓度从1750年第一次工业革命开始到2005年间均在增加，造成地球表面积平均约有1.66瓦/平方米（Wm−2）的正辐射强迫。
气候反馈对于给定强迫在气候上的响应，有放大或是减弱的作用。气候系统中有许多反馈机制可放大（正反馈）或减少（负反馈）强迫变动的影响。
气候系统会随著强迫的变化而变化。气候系统会在存有，或是缺乏外力强迫的情况下出现内部变率。这种内部变率是气候系统中各组成部分之间复杂相互作用的结果，例如大气和海洋之间的耦合。内部变率的其中一例是圣婴-南方振荡现象。
检测与归因.
如IPCC所言，气候变化文献之内对于气候信号的检测和归因，及其常识性含义均有更精确的定义。检测到气候信号，并不一定即表示其为重要归因。 IPCC第四次评估报告中称，“自1750年以来，人类活动极有可能对气候产生实质性的净变暖影响”，其中“极有可能（extremely likely）”表示概率大于95%。对于检测到的信号，需证明这种变化在统计学上与可用自然内部变率解释的变化有显著性差异。
天气信号被当作归因，需要证明：
关键归因.
温室气体.
二氧化碳是碳循环中的一环，经动植物呼吸作用、火山喷发和海洋-大气间的自然吸收与排放完成。 人类活动，例如燃烧化石燃料和土地利用变化，会向大气释放大量碳，导致其中二氧化碳浓度上升。
美国科学家查尔斯·大卫·基林于1958年启动的高精度测量大气中二氧化碳浓度，启动记录大气成分变化的重要时序。 这些数据成为人类活动对全球大气化学成分产生影响的证据，在研究气候变化的工作中具有显著的地位。 
大气中的二氧化碳浓度在2019年5月达到415ppm（百万分比浓度）。地球上一度具有相同浓度的时期是在2.6-5.3亿年前。研究显示，如果没人为干预，在2019年的二氧化碳浓度将会是280ppm。
二氧化碳之外，甲烷和较小程度的一氧化二氮也是造成温室效应的重要强迫因素。 《京都议定书》把这些气体与3种人造气体 - 氢氟碳化物 (HFC)、碳氟化合物 (PFC) 和六氟化硫 (SF6)一并列为造成辐射强迫的物质。人为温室气体排放归由8个主要经济部门所产生，其中产量最大的是发电厂（其中许多燃烧煤炭或其他化石燃料）、工业制程、交通运输用燃料（通常是化石燃料）和农业的副产品（主要是反刍动物产生的甲烷和施用化肥而产生的一氧化二氮）。
水蒸气.
水蒸气是数量最大的温室气体，也是产生最大自然温室效应的物质，但其在大气中的寿命很短（大约10天）。有些人类活动会影响到当地的水蒸气水平，但全球的水蒸气浓度受到气温控制，蒸发和降水的总体速率均受气温影响。全球水蒸气浓度并未受到人类直接排放的重大影响。 
土地利用.
土地利用基于两个主要原因而被列为气候变化的归因。 在1750年至2007年间，约3分之2的人为二氧化碳排放量来自燃烧化石燃料，其余约3分之1的排放量则来自土地利用变化（主要是森林砍伐）。森林砍伐既减少森林本可吸收的二氧化碳量，又经常伴随著生物质受到燃烧而直接释放温室气体和气胶。
土地利用之会成为驱动气候变化的因素，有时是来自人类活动而造成的间接影响。例如非洲象通常会保护有利于二氧化碳封存，同时生长又缓慢的树木，但因象受到人类大量猎杀而数量急剧下降，间接减少树木的数量，也减少其吸收二氧化碳的机会。
第二个原因是陆地反照率经常因受到使用而改变（例如都市化后的结果），而导致辐射强迫。这种影响通常在地方上的表现，比在全球性更为显著。 
牲畜与土地利用.
全球畜牧业所用的土地占所有农用地的70%（或占地球无冰陆地表面的30%）。超过18%的人为温室气体排放归因于畜牧业和畜牧业相关活动，例如砍伐森林辟为牧场和日益增加的燃料密集型集约畜养方式。畜牧业在温室气体排放的内容包括：
气胶.
科学上有极大的共识是把各种形式的气候变化（主要是在冷却效应）归因于气胶。气胶是悬浮在大气中的小颗粒或是液滴。人类产生气胶的主要来源包含有：
20世纪气候变化归因.
在过去的150年里的人类活动，向大气中排放越来越多的温室气体，导致全球平均温度升高。其他人类效应也与气候变化相关，例如硫酸盐气胶被认为具有降温作用。自然因素也有其影响。根据20世纪的温度记录，地球近地表气温上升约0.74 ± 0.18°C（1.3 ± 0.32°F）。
在研究气候变化中有个历史上重要的问题，是决定自使用仪器测量地表温度记录以来，由人类活动和非人为原因造成影响的相对比重。在1995年发表的的IPCC第二次评估报告 (SAR) 中被广泛引用的叙述，即“根据证据权衡（balance of evidence），显示人类对全球气候产生可辨识的影响”。 “证据权衡”的意思在（英国）普通法在民事法庭（相对于刑事法庭）的证明力标准，不如“排除合理怀疑（beyond reasonable doubt）”那么高。 IPCC于2001年发表的IPCC第三次评估报告 (TAR) 对说法加以改进，称“有新的，更有力的证据显示在过去50年，所观察到的大部分变暖影响可归因于人类活动”。在2007年发表的第四次评估报告（AR4）把描述再加强:
第四次评估报告(AR4)中的其他发现包括有：
在过去5年中，地球表面变暖程度大约达到0.65°C (1.17°F)（参见）。会导致全球平均温度变化的因素包括气候系统的内部变率、外部强迫、温室气体浓度增加，或是前述因素的任意组合。目前的研究显示温室气体（尤其是二氧化碳）的增加是造成变暖的主要原因。此一结论的证据有：
归因详情.
近期的科学评估发现，在过去50年来地球表面变暖大部分是由人类活动所造成（另请参阅下文“科学文献和观点”）。这结论是综合多方面的证据而达成。人类对全球气候影响的科学证据是经由过去几十年中，由数百项研究中积累而来，像是逐渐从自然气候变率的“噪音”中察觉出变暖“信号”一样。没单独一项研究是“”，也没单独一项研究或是研究的组合能破坏这种指出人类活动是近期全球变暖的主要归因的大量证据。
第一项证据是根据物理学，对温室气体如何吸收热量、气候系统如何响应温室气体增加，以及其他人为和自然因素如何对气候产生影响。第二项证据在于对过去1,000至2,000年气候变化的间接估计，从生物及其遗骸（如树木年轮和珊瑚）和物理数据（如中包含较轻和较重的氧同位素的相对比率）中取得（数据会随气候变化而变化，而且可以测出）。从这些数据中得到的教训是在过去几十年，全球地表温度的变化明显反常，比过去400年中任何时候的数字都高。在北半球，近期的温度上升在至少过去1,000年中显然非比寻常。 
第三项证据是基于观察到的气候变化与电脑模型的模拟结果，其响应人类活动而发生变化之间广泛的、质量上的一致性。例如，当气候模型在加入温室气体历史增长数据下运行时，会显示地球和海洋表面逐渐变暖、海洋热含量和低层大气的温度增长、全球海平面上升、海冰和积雪消退、平流层冷却、大气中水蒸气含量增加以及大范围降水和气压的变化。模拟气候中的前述及其他结果，与观测到的实际情况表现一致。
“指纹”研究.
最后，所谓的“指纹”研究可提供大量统计证据。会影响气候的每个因素都会产生独特的气候响应模式，就像每个人都有独特的指纹一样。“指纹”研究利用这类独特的特征，对模拟和观察到的两种变化模式进行详细比较。科学家可依靠此而把观察到的气候变化归因于一个或一组特定原因。在现实世界中，自工业革命开起所发生的气候变化是由于人为和自然原因的复杂混合。在这种混合中，每个单独影响的重要性都会随时间的演化而改变。实际情况是并无多个地球存在，可让实验者在不同的地球上一次改变一个因素，把不同的指纹独立验证。而气候模型却能研究个别的因素如何产生影响。例如在演算中把单个因素（如温室气体）或一组因素改变，而得到不同的响应结果。
模型所得的预测已受到观察结果的证实（如上所述）。例如当模型针对上一世纪，把所有主要影响因素（包括人为和自然因素）都列入，，就可重现检测结果的许多重要特征。当从模型中去除人为影响时，结果是地球在过去50年实际上会稍微变冷。指纹研究显示的明确信息是过去半个世纪观察到的变暖无法用自然因素来解释，而主要是由人为因素所造成。
透过检测大气层的分层成分，并对从地表到平流层的温度变化模式作研究，也找出人类对气候影响的另一种“指纹”（参见下述“太阳活动”一节）。最早的指纹工作著重于地表和大气温度的变化。然后科学家将此方法应用于一系列的气候变量，识别海洋热含量、对流层顶（对流层边缘与平流层连结的部分，此一部分在最近几十年已往上移动几百英尺），还有不同地理区域中的降水、干旱、地表气压和主要流域中地表径流的模式。
IPCC第四次评估报告于2007年发布后，随后发表的其他研究文献还发现大气水分含量增加（于接近地表，以及整个大气层中均有）、北极海冰面积缩减、以及于北极和南极表面温度的模式变化。 
整体研究体系提供的信息，显示气候系统正传达一个人类影响日益占主导地位的一致性信息 - 在温度、冰盖面积、湿度和大气环流模式的变化，像复杂结构中的不同部分，以符合物理学的方式组合而成。
这种指纹工作正大量转移其重点。如前所述的明确而令人信服的科学证据已证明人类对全球气候产生显著影响。最近大部分的重点著重于大陆和区域性的气候变化，以及可能对社会产生重大影响的变量之上。例如科学家已找出人类活动与变化、最高和最低温度以及美国西部山区径流的季节性时点的因果关系。人类活动可能对热带气旋形成区的海洋表面温度变化造成重大影响。研究人员也在超越物理气候系统的范围外，开始将植物和动物物种的分布和季节性行为的变化，与人类引起的温度和降水变化做联系。
过去十多年来，气候变化中有一方面似乎显示建模和实际检测之间存在显著差异。所有模型都预测在热带，因温室气体增加，而预计对流层的升温速度会比地表更快。但经气象气球、人造卫星和地表温度计观测的结果，却显示出是相反的现象（地表变暖比对流层更快）。这情况成为理解气候变化原因的绊脚石。但现已基本获得解决。研究显示人造卫星和气象气球取得的数据存在很大的不确定性。当建模和检测间发生的不确定性经适当处理，较新的检测数据（针对已知问题做更好的处理）则与气候模型结果一致。
但这并非表示模型和检测之间所剩的差异都已获得解决。检测到的一些气候变量的变化，如北极海冰、降水的某些方面和地表气压模式，似乎比模型预测的要快得多。目前尚不清楚这些差异产生的原因。但气候指纹工作的底线结论是，迄今为止所研究的大多数观察到的变化与模型结果是相互一致，并且也符合我们对气候系统将如何响应气温上升的科学理解（人类活动产生的温室气体增加所造成的结果）。
极端天气事件.
本节摘自。
极端事件归因（Extreme event attribution），也称归因科学，是气象学和气候学中一个相对较新的研究领域，用于衡量持续的气候变化会如何直接影响近期发生的极端天气事件。这门科学目的在确定哪些近期事件可用大气变暖来解释，或是与之有关联，而不仅是由自然变率造成。 
科学文献和观点.
目前有许多已公开发表，和非正式支持气候变化共识观点的例子。如前述的IPCC结论 - 自20世纪中叶以来，检测到的全球平均气温升高的情况，大部分“很可能”是人类活动所造成。IPCC的结论与美国国家科学研究委员会发布的几份报告一致。于2009年发布一份报告，结论是“[http://www.globalchange.gov/publications/reports/scientific-assessments/us-impacts/key-findings Executive Summary , p. 12.</ref>许多科学组织发表声明，支持共识观点，如下列：
检测和归因研究.
IPCC第四次评估报告的结论是可对一些检测到的气候变化进行归因（参见）。但评估较小区域（小于大陆的尺度）和短时间段（小于50年）的变化归因时，会更为困难。
在较大的区域，平均作用可把气候的自然变率降低，让检测和归因更容易进行。
太阳活动.
在为期11年的周期中，当太阳的磁场（完全从北到北完成一轮，需时22年）的崩溃和反转时，太阳极大期（太阳黑子最大值）就会出现。
气候科学家已对太阳在近期气候变化中的作用做过研究。自1978年起利用人造卫星测量太阳的能量输出，数据远比以前在地表所做的测量要准确。测量结果显示太阳的总幅射自1978年以来并未增加，因此自1978年以来的30年，全球变暖不能直接归因于为总太阳能量的增加。在同一时段中，太阳活动和火山活动两者，可能对气候产生轻微的降温影响。
气候模型也被用于研究太阳在近期气候变化中的作用。当模拟仅把总太阳辐射和火山活动的变化列入考虑时，无法重现近几十年来观察到的快速变暖。而当模拟把所有最重要的外部强迫（包括人类影响和自然强迫）加入时，就能复制出观察到的20世纪温度变化。根据前述，研究人员Hegerl等人 (2007年) 的结论是自20世纪中叶以来，温室气体强迫“很可能”导致大部分检测到的全球变暖，在达成这个结论时，Hegerl等人认为气候模型有可能低估太阳强迫的影响。
研究人员也使用“代理”数据集（例如树木年轮）以研究在极久远时期（参见古气候学）太阳活动在气候变化中的作用。模拟结果显示太阳和火山作用力可用来解释公元1000年至1900年之间相对温暖和寒冷的时期的发生原因，但需要加入人为作用才能重现20世纪末的全球变暖。
另一个抵触太阳导致近期气候变化的证据，来自于观察地球大气层不同水平的温度变化模式。
建模和观测显示温室气体导致地表低层大气（称为对流层）变暖，但会造成高层大气（称为平流层）变冷。 化学冷媒对臭氧层的破坏（参见臭氧层空洞）也导致平流层的冷却效应。如果观测到的变暖是太阳造成的​​，那么地表对流层变暖及平流层顶部变暖就该是预期，因为太阳活动增加后会补充臭氧和氮氧化物。平流层的温度梯度与对流层相反，因此对流层的温度会随高度降低，平流层的却随高度升高。哈德里环流圈是在赤道产生的热带臭氧（在平流层中紫外线辐照度最高的区域）向极地移动的机制。全球气候模型显示气候变化会扩大哈德里环流圈，并推动急流向北，把热带地区扩大，并导致涵盖的地区整体变得更温暖、更干燥。
非共识意见.
俄罗斯圣彼得堡普尔科沃天文台太空研究负责人在2004年认为太阳是近期检测到的气候变化的归因。新闻机构的记者，如 （记者，2007年2月）、国家地理学会（记者Kate Ravilious，2007年）、和（记者Ker Than，2007年3月）均报导过有关火星变暖的故事。这些文章中均引用Abdussamatov的观点。Abdussamatov表示由火星变暖，证明地球变暖是由太阳变化所引起。
Kate Ravilious的报导引用两位不同意Abdussamatov观点的科学家所言：美国威斯康辛大学麦迪逊分校的气候科学家Amato Evan和英国牛津大学的行星科学家Colin Wilson。根据Colin Wilson的说法，“火星轨道的震荡是其当前气候变化的主要原因”（另见）。Ker Than在2007年引用美国西北太平洋国家实验室的气候物理学家Charles Long的意见，Charles Long不同意Abdussamatov的观点。
Ker Than提起英国利物浦约翰摩尔斯大学社会人类学家的观点。Peiser在他的时事通讯中引用一部落格对太阳系中几个行星体上观察到变暖的评论。其中包括海王星的卫星海卫一、 木星、冥王星[和火星。在接受Ker Than透过电子邮件的采访时，Peiser表示：
“我认为在太阳系中许多非常不同的行星体上能观察到变暖趋势，这是有趣的巧合，（...）也许这只是一个偶然。”
在Ker Than的文章中，他也提起其他科学家对海卫一、冥王星、木星和火星变暖的原因，曾提出过各式解释。
美国国家环境保护局（EPA，2009年）也对公众在气候变化归因的评论提出回应 - 有些评论者认为近期的气候变化可归因于太阳辐射的变化，EPA在2009年表示这种归因并未得到大量科学文献的支持。EPA援引IPCC（2007年）的的报告，指出自1750年工业革命开始以来，太阳辐射对辐射强迫的影响很小。在1750年至2000年之间，估计造成变暖的因素是大气中二氧化碳、甲烷和一氧化二氮浓度的增加的缘故，太阳辐射对辐射强迫的影响是前述综合辐射强迫值的5%。
宇宙线的作用.
丹麦物理学家提出，太阳的磁场活动让宇宙线偏转，可能会影响云凝结核的产生，而对气候产生影响。美国网站报导一项在2009年所做的研究，此研究著眼于过去的气候变化如何受到地球磁场的影响。研究报告的共同作者 - 地球物理学家Mads Faurschou Knudsen表示研究的结果支持斯文斯马克（Henrik Svensmark）的理论。该研究的作者群还承认二氧化碳在气候变化中发挥重要的作用。
对宇宙线的观点.
多数科学文献并不支持太阳活动变化产生的宇宙线会影响气候机制的观点。研究人员所罗门（Solomon）等在2007年表示：
[..] 宇宙线的时间序列似乎与1991年之后的全球总云量或1994年之后的全球低层云量不对应。再加上缺乏经验证的物理机制以及影响云层变化的其他合理性因果因素，这使得宇宙线引起的气胶变化与云层形成之间的关联存在争议
研究人员Lockwood和Fröhlich (2007年)以及Sloan和Wolfendale (2008年)从事的研究发现近几十年的变暖与宇宙射线之间没有关系。研究人员Pierce和Adams (2009年)建模来模拟宇宙射线对云特性的影响，结论是宇宙射线的假设效应太小，无法解释近期的气候变化。Pierce和Adams指出他们的研究并未排除宇宙线与气候变化之间可能存在的联系，并建议做进一步研究。
研究人员埃利金（Erlykin ）等 (2009年)发现证据显示太阳变化与气候之间的联系更有可能是由日照的直接变化，而非经宇宙线来调节，结论是：“因此在我们的假设范围内，自1956年以来所谓太阳活动变化的影响，无论是经过直接太阳辐射，还是经过不同的宇宙线率，应该会低于0.07 °C，仅占观测到全球变暖程度的14%。” 研究人员Carslaw (2009年)和Pittock (2009年)回顾此领域的近期和历史文献，发现宇宙线与气候之间的联系仍属微弱，但他们鼓励继续研究。 EPA在2009年对研究人员Duplissy等的研究提出评论：
欧洲核子研究组织（CERN）的是项有趣，但并未提供确凿证据以证明宇宙线可成为云凝结为水滴的主要来源。实验的初步结果（报告由研究人员Duplissy等撰写，2009年）显示虽然有一些离子介导成核的证据，但对于观察到的大多数成核事件中，离子产生的作用似乎很小。这些实验也显示要保持足够清洁的条件和稳定的温度（以防止气胶爆发产生的虚假结果）甚为困难。没有迹象显示Svensmark于早期所做的实验，其受控条件可与CERN实验的匹配。我们发现Svensmark关于宇宙线让云凝结的结论尚未被证明是稳健的或足以实质性改变评估文献的结论，特别是最近有大量文献对宇宙线-气候联系持怀疑态度。
参考读物.
公有领域资源