地球科學

全球暖化背後的科學證據──IPCC報告科普版

人類活動排放的溫室氣體真的是全球暖化的主要兇手?今年初,聯合國跨國氣候變遷研究小組彙整了國際間最新的科學資料指出,可能性高達90%!

撰文/柯林斯 ( William Collins ) 、科爾曼 ( Robert Colman ) 、海伍德 ( James Haywood ) 、曼寧 ( Martin R. Manning ) 、莫德 ( Philip Mote )
翻譯/邱淑慧

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全球暖化背後的科學證據──IPCC報告科普版

人類活動排放的溫室氣體真的是全球暖化的主要兇手?今年初,聯合國跨國氣候變遷研究小組彙整了國際間最新的科學資料指出,可能性高達90%!

撰文/柯林斯 ( William Collins ) 、科爾曼 ( Robert Colman ) 、海伍德 ( James Haywood ) 、曼寧 ( Martin R. Manning ) 、莫德 ( Philip Mote )
翻譯/邱淑慧


對一位研究氣候變遷的科學家而言,能夠大喊「我發現了!」的機會實在不多,他們反而需以最新的溫度測量、衛星探測或氣候模式實驗,費心拼湊出證據。這些資料需經過反覆檢視,提出的想法也要不斷受檢驗:觀測結果和預測的變化是否吻合?還可能有其他解釋嗎?好的氣候科學家就和所有好的科學家一樣,總是希望以最高標準的證明方式,來確認他們發現的一切。


氣候記錄的增加、對於氣候系統的了解更多,以及氣候模式可信度的提升,讓氣候變遷的證據更充足。近20年來,人類影響氣候變化的證據無情地累積,科學界也因此普遍深信近來氣候變遷的真實性,以及將來有可能發生更劇烈的變化。這逐漸增加的確定性,在跨國氣候變遷研究小組(IPCC)最近一次的報告中得到驗證,這份報告是全球數百位科學家針對氣候變遷議題,共同撰寫並審查的一系列報告中的第四次評估報告。


這份報告內容的第一部份是有關氣候變遷的科學基礎,IPCC於今年2月製作出一份濃縮版,稱為〈給決策者的摘要〉,寄送給決策者以及一般民眾,傳遞清楚的訊息:人類活動影響著氣候,而且進一步引發的氣候變遷亦持續進行著;對此,科學家有著超乎以往的肯定。雖然報告中發現,有些劇烈變化在目前是無法避免的,但是其中的分析也確信,未來(尤其是長期而言)主要仍然掌握在我們手中。也就是說,未來氣候變化的程度,將取決於人類如何處理溫室氣體排放量。


這份科學評估集中在四個主題:影響氣候變遷的因素、氣候系統中觀測到的變化、了解其因果關係,以及推估未來的變化。自從2001年IPCC提出評估報告以來,這些領域的研究有了長足的進展,接下來,我們會列出一些關鍵的發現,以證實氣候變遷的幅度,指向一個難以規避的結論:一切都是人類活動造成的。


氣候變遷的主要兇手


大氣中有許多種氣體會因為人類活動而提高濃度,主要是二氧化碳、甲烷、一氧化氮以及鹵烴(曾經廣泛使用於冷媒、噴霧推進劑中的氣體),這類氣體會吸收大氣中的熱能,藉由溫室效應,造成全球暖化。近一萬年來,大氣中二氧化碳、甲烷與一氧化氮的濃度大致維持穩定,但過去200年來卻突然大增(參見第41頁〈影響氣候的因素〉右圖)。自1950年代開始持續進行大氣監測以來,最近10年內,二氧化碳濃度的增加速率已經比任何一個10年來得快,目前的二氧化碳濃度大約比工業革命之前(可以藉由冰心中的氣泡測得)高出35%;甲烷含量則約為工業革命前的2.5倍,而一氧化氮大約高出20%。


我們要如何確定人類必須為此負責?有些溫室氣體(例如大多數的鹵烴)並不會從大自然產生,至於其他氣體則可以由兩項重要的觀察結果來說明人類的影響。首先,從氣體濃度在地理上的差異可以看出,影響主要來自人口集中的北半球陸地。其次,藉由同位素分析來判斷氣體來源,可以知道二氧化碳的增加主要是來自燃燒化石燃料(煤、石油與天然氣);而甲烷與一氧化氮的增加,則來自農業活動與燃燒化石燃料。


氣候學家運用輻射營力(radiative forcing)的概念,把濃度增加對氣候造成的效應予以量化。輻射營力指的是相較於工業革命之前的時期,地球全球能量平衡的變化(單位為瓦特∕平方公尺)。正營力會導致暖化,負營力則讓氣溫降低。對於長時間存在的溫室氣體,我們能夠相當精準地測量相關的輻射營力,因為我們知道這些氣體在大氣中的濃度、空間分佈,以及與輻射交互作用時的物理機制。


氣候變遷的成因不只是溫室氣體濃度增加,其他自然與人為機制也佔一部份。自然成因包含太陽活動的變化與大型火山噴發,報告中也指出,其他人為的主要營力機制包括稱為懸浮微粒的微小顆粒、平流層與對流層的臭氧、地球表面反照率(反射率),以及飛機的凝結尾等,不過,比起溫室氣體,這些機制的影響小很多(參見右頁〈影響氣候的因素〉左圖)。



人類製造的懸浮微粒會以複雜的方式與雲交互作用,使雲變得比較亮,將太陽光反射回太空,這就是懸浮微粒對雲的反照率,而它對氣候將造成何種影響,是研究人員最不確定的。另一項不確定的因素來自人類製造的懸浮微粒帶來的直接影響,這些粒子會直接反射與吸收多少陽光?懸浮微粒的整體效應會使溫度下降,多少能抵消溫室氣體長期存在造成的暖化效應,但是能抵消多少呢?是否足以戰勝暖化?


在2001年的IPCC報告後有許多進展,其中一項是科學家已經結合許多模型與觀測的研究,將各別營力機制的不確定性予以量化。因此,我們現在有信心估計人類導致的整體效應,我們估計人為造成的最大輻射營力,約為太陽活動變化的10倍。


我們對於正輻射營力的淨值更加確定,而這與接下來要討論的觀測證據極為吻合。這些營力就像在進行一場拔河比賽,正營力將地球拉往較溫暖的氣候,而負營力將地球拉往較冷的狀態,我們對於雙方對手的強度都比以前了解,結果是一面倒的,地球正被拉往較溫暖的氣候,而且在溫室效應不斷增強的情況下,暖化會持續進行。


觀測到的氣候現象


IPCC在2007年的報告中有了更多新修定的觀測資料,因此能比過去做出更完整的變遷評估。從觀測記錄來看,自1850年開始有可信的記錄以來,最近12年裡,有11年是記錄中最熱的。熱年要這樣連續發生,純屬巧合的機率非常小。全球溫度、海平面高度與北半球覆雪率,這三項重要的量化數據,都是暖化的證據,即使其中的細節未必相同。(編按:美國航太總署的氣候學家於今年8月宣佈,由於2000年改用新的資料蒐集系統後,造成錯誤的假設,使得先前發表的溫度記錄有誤,更正後的數據為美國自從有溫度記錄以來最熱的10年,有四年出現在1930年代,只有三年出現在過去10年,但修正後的數據不影響全球暖化的趨勢。)


根據IPCC在2001年的評估,暖化趨勢在1901~2000年約上升0.6±0.2℃,但由於近來暖化的情況嚴重,因此趨勢更新為:在1906~2005年,上升了0.74±0.18℃。值得注意的是,光是1956~2005年就上升了0.65±0.15℃,顯然20世紀主要的暖化現象發生在過去50年間。當然,隨著氣溫平均值的上升,氣候也持續改變,而且極端氣候現象的發生頻率也不同了:結冰的天數與寒冷的日子已經變得較少,而熱浪發生的天數以及溫暖的日子則變多了。


氣候系統的性質,包含的不只是平均溫度、降水量等我們熟悉的概念,還有海洋與冰圈(海冰、格陵蘭與南極的廣大冰層、冰河、雪、凍土,以及湖泊與河水的冰)的狀態。氣候系統中,不同部份的複雜交互作用,是氣候變遷的基本要素,例如,海冰的減少不但使海水吸收的熱增加,也使海水與大氣間的熱流增加了,因而使雲量與降水也受到影響。


還有許多其他的觀測結果都明顯與所見到的暖化現象符合,這些觀測指出,有一股熱從大氣流入氣候系統中的其他部份。在較北方的中緯度地區,隨著春季溫度的上升,覆雪量也隨之減少,尤其自1988年溫度劇烈下降之後,每年都維持在低覆雪量,這樣的減少會引起關注,因為在許多地區,覆雪量對於土壤濕度與水資源都很重要。


從海洋的觀測資料,我們可以清楚看到預期中的暖化趨勢;在海洋越深處,暖化的情形就越不明顯。這些改變意味著,進入氣候系統中的熱,有超過80%是由海水吸收,而這個加熱機制便是海平面上升的主要因素。海水受熱時體積膨脹,加上冰河與冰層融化後的水流入大海,都是海平面上升的原因。自從1993年開始進行衛星觀測以來,我們得以更精準的估計全球海平面高度,目前得到的測量結果是,在1993~2003年間,海平面每年上升了3.1±0.7公釐。過去數十年中,有時也會出現類似快速上升的現象,而想要確認海平面是否正在加速上升,則需要更長時間的衛星記錄。此外,我們也觀測到北極海冰自1978年之後確實減少了(年平均量為每10年減少2.7±0.6%,夏季時則是每10年減少7.4±2.4%),而近幾十年來,永凍土溫度上升,全球冰河、格陵蘭與南極冰層範圍也減少了。不幸的是,有許多數值是到最近數十年才開始有完整的監測,因此各項記錄的起始點並不一致。


水循環的改變大致上也和暖化的情形吻合。水氣是最主要的溫室氣體,與其他溫室氣體不同,主要是受溫度所掌控。至少從1980年代以來,水氣量就已經逐漸上升,雖然各地的局部性降水情形各有不同,但世界上許多大區域的降水量卻都已經增加,其中包含北美與南美的東部、北歐以及北亞與中亞。而在沙赫爾(位於撒哈拉沙漠與幾內亞灣沿岸平原之間的過渡帶)、地中海、南非與南亞部份地區,則觀測到降水減少的現象。我們可將海水的鹽度視為大型的雨量計,在中緯度與高緯度,靠近表層的海水逐漸變淡,但是在較低緯度則是變得更鹹,這符合大尺度降雨模式的變化。 由樹木年輪與其他替代物來重建古氣候(以前的氣候),對人為擾動與非人為擾動的氣候系統,提供了另一個重要看法。它們指出,過去半個世紀以來的溫暖是不尋常的,至少相較於過去1300年來說是如此。在公元700~1950年,最熱的時期可能是950~1100年,但卻還是比1980年來的平均溫度低個攝氏零點幾度。


找出改變的原因


即便人類活動的確造成了正輻射營力,而且氣候也確實改變了,但是,我們有自信將這兩者聯結在一起嗎?這是個倒果為因的問題:我們觀測到的氣候變遷,主要是人類活動造成嗎?或者可能是其他原因,例如某些自然的營力,或只是氣候系統的自發性變化?IPCC在2001年提出的報告中推斷,自20世紀中葉以來的氣候暖化,可能大多(超過66%的可能性)是由人類所造成;而2007年的報告更確定了這一點,而且更加提高了人為因素的比率(超過90%)。


我們能夠如此確信,是因為在各方面有了更多的進展,首先,目前的觀測記錄大約多了五年的時間,而且在這期間,全球溫度的上升大多符合IPCC在之前(可回溯至1990年)的預測:溫室氣體導致了全球暖化。此外,報告中也將氣候變化的更多面向納入考量,例如大氣循環中的變化或海洋溫度的改變,這樣的變化描繪出更廣也更為一致的圖像,即確實有人類活動的介入。而研究中最重要的氣候模式模擬系統也已經改良,可以相當忠實地呈現出目前以及最近的氣候。最後一項進展是,有些原本在觀測記錄上重要且明顯的不一致,在上次的報告後也已經大幅解決。


這些不一致的地方,最重要的就是地表儀器記錄的溫度(顯示過去數十年溫度有顯著增加,與人為造成的衝擊相符),與人造衛星和探空氣球測得的大氣記錄(顯示暖化較少)無法吻合。不過,許多有關人造衛星與探空氣球的新研究已經解決了這個矛盾,使地表與大氣中測得的暖化情形一致。


如果可以用真實的世界來做實驗,看看在溫室氣體含量維持定值(而不是增加)的情況下,20世紀的氣候將如何變化,那將會是了解氣候變遷因素的最佳方式,但是這樣的實驗當然是不可能進行的,於是科學家退而求其次,以氣候模式來模擬過去。


在IPCC發表上一次的評估報告之後,有兩項重要的進展,讓我們更有信心以氣候模式來找出氣候變遷的原因,並預測未來。第一個模式結合了來自18個研究團隊的結果,他們模擬了地球氣候過去的歷史與未來的演化。各種模式的運用,有助於在模擬的範圍內將許多氣候變化過程中不確定的效應予以量化,即便有些過程可用物理方程式完整表示並加以解釋(例如大氣與海洋的流動,或是太陽光與熱的傳遞),但是我們對氣候系統中有些最關鍵的要素(例如雲、海洋渦流和植被的蒸散作用)卻仍缺乏認識。從事模擬的研究人員利用簡化的表示法逼近這些要素,這樣的方法稱為參數化。為了IPCC的評估報告而發展出的多重模式組合,主要是想要了解,缺乏此確定性會如何影響氣候變遷的肇因與預測。在最近的評估中使用的組合,其進行的模型與實驗數量之多,都是前所未有的。


第二個進展是各個模式納入了更接近真實的氣候過程,這些過程包含了大氣中懸浮微粒的特性、海冰的移動情形,以及海洋與陸地間水和能量的轉換。現在有更多模式加入了懸浮微粒的主要作用型態,以及懸浮微粒與雲之間的交互作用。



科學家利用氣候模式來做歸因的研究時,一開始只考慮影響氣候的自然因素,例如太陽輻射的改變以及重大的火山爆發,以模擬過去100年的氣候變化。然後模式再加入人類造成的溫室氣體、懸浮微粒等其他因素,這樣的實驗結果令人吃驚(參見上一頁〈人類造成的溫度變化〉)。只考慮自然營力的模型,無法解釋自20世紀中葉以來所觀測到的全球暖化,但是如果將人為因子與自然因子都納入考量,就會符合。當我們納入所有營力,在溫度變化方面的大尺度模式,也能讓模型與觀測值最為吻合。


有兩個模式提供了人類影響的痕跡,第一個是陸地上的暖化比海洋嚴重,而且海洋表面的暖化比深層海水嚴重。這個模式與溫室氣體吻合,暖化是由大氣造成,海洋暖化得較慢,是因為其熱慣量較大,這樣的暖化也顯示,大量的熱是由海洋吸收,證明了地球的能量分配曾經失去平衡。氣候變遷的第二個模式是,對流層(大氣的較低層區域)變暖,其正上方的平流層變冷。但是,如果太陽的變化是主要營力,暖化的情形應該在兩層都會發生,然而與觀測結果相較,卻剛好符合溫室氣體的增加與平流層臭氧減少所造成的預測。將所有證據經過仔細的統計分析之後,讓我們更加確定:在全球暖化的現象背後,有人為因素在內。有人說宇宙射線會影響雲層,進而影響氣候,但這個說法並沒有太多根據;在經過更多的資料檢驗之後,這個說法已經逐漸站不住腳,而且其物理機制仍然不確定。


那麼在較小尺度上呢?當空間與時間尺度縮小,要找出氣候變化的原因就變得更難了,原因在於自然的小尺度溫度變化不易達成平衡狀態,也因而更容易掩蓋改變的訊息。雖然如此,持續的暖化表示,這訊息已經在較小尺度浮現出來,報告中已經發現,除了南極洲以外,人類活動對所有大陸的氣溫都有顯著的影響。


在某些極端氣候現象中,例如異常熱或冷的夜晚以及突然發生的熱浪,也可以看出人為影響,當然這並不表示個別的極端氣候事件(例如2003年發生在歐洲的熱浪)都可以說是人類活動造成的氣候變化,通常這樣的事件是複雜的,有許多成因,但是這確實表示人類活動影響了這類事件發生的機會。


預測未來的氣候變化


在21世紀,氣候又將如何變化呢?要回答這個重要的問題,必須根據未來溫室氣體與懸浮微粒排放量的預估、建立氣候模式並做出的模擬結果。模擬結果指出,如果將溫室氣體的比率設定為現值或更高,未來的氣候變化將很有可能比20世紀觀測到的改變更大,即使排放量降得夠快,使溫室氣體的濃度可以穩定維持在目前的數值,氣候仍會持續改變達數個世紀。氣候的這種慣性由多項因素造成,包括了全球海洋的熱容量,以及因為循環作用使得熱與二氧化碳在深海混合,而在新情況下取得平衡所需要的時間(以千年為單位)。



未來20年氣溫可能上升0.4℃


為了使模擬更加明確,模式預測,若以未來20年溫室氣體的可能排放量來看,全球溫度每10年將平均約上升0.2℃,與過去30年來觀測到的數值很接近,這段時期的暖化中,約有一半是由目前氣候系統對溫室氣體濃度的慣性造成的。


然而,21世紀的長期暖化,受到未來溫室氣體排放量的影響極大,而且預測中涵蓋了多種可能情況,包括經濟成長的變化幅度,以及對化石燃料不同程度的依賴。我們考慮了多種氣體排放的情況,在高排放量導致高溫的前提之下,對於全球溫度升高程度的最佳估計,約是1.8~4.0℃。至於對區域性衝擊的預測,我們比以前更有信心,結果將會類似於過去50年來所觀測到的變化情形(例如陸地的暖化會比海洋嚴重),但是變化幅度則比以前來得大。


模擬中也提出,地表與海洋移除大氣中多餘二氧化碳的自然過程,會因為地球變暖而降低效率,這樣的改變使得排放出的二氧化碳留在大氣中的比例增加,進一步加速了全球暖化。這是碳循環(各種碳化合物在氣候系統內進行交換)中一個重要的正回饋機制。雖然模式同樣指出,碳循環的改變將會出現正回饋,但其反應範圍仍然非常大,變因很多,像是我們還不了解溫度上升後,植被與土壤的二氧化碳吸收量會如何改變。


模式也預測,氣候變遷將影響海洋的物理與化學性質。根據溫室氣體的排放量估計,21世紀海平面上升的範圍約為30~40公分。海平面的上升,有超過60%是海洋受熱膨脹所造成。然而這些由模式推算的估計值,並未包含近來觀測格陵蘭和南極冰層快速消融,可能加速海平面的上升。雖然科學上對於這樣的效應了解十分有限,但是冰層融化足以使海平面再上升10~20公分,而且也不排除可能還會上升更多。當大氣中的二氧化碳濃度增加,海水的酸性便會提高,海洋的化學性質也會受到影響。


科學家已經預測出極區的某些重大變化,包含了高緯度地表溫度明顯增高、永凍土地區的融解加深,以及北極盆地夏季海冰的急速減少。緯度較低的地方,可能有更多熱浪來襲、更多的降水以及威力更強大但較不頻繁的颶風與颱風。至於是哪些地區的颶風與颱風會增強,仍無法確定,這也正是新研究的主題。


當然,一些重要的過程仍不確定。例如,溫度上升對雲會有什麼樣的確切影響,是決定整體溫度上升幅度的關鍵。然而雲的性質錯綜複雜,要精確預測雲的變化,一直困難得令人沮喪。同樣的,這個領域仍有待努力。


在我們生存的時代,人類與自然同時影響著地球與其居住者未來的演化。不幸的是,從氣候模式這顆水晶球中,我們看到的是更灰暗的下一個世紀。在氣候變遷的持續衝擊下,自然系統與人類社會將有什麼樣的反應呢?對此我們所知有限,因而更增加了不確定性。但是,關於全球暖化,有一個結果是確定的:至少在未來1000年內,植物、動物和人類將與氣候變遷的結果共存共榮。


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