气候变化的科学
不测之云
气候科学有许多不确定之处，但不能说是有根本上的错误
Mar 18th 2010 | From The Economist print edition
过去几个月，对那些认为气候科学应该是无可问责的人，是一段阴郁的时光。东英格兰大学(the University of East Anglia，UEA)气候研究中心的研究成员所收发的一大叠电子邮件，提供了非常足够的证据，来使人担心部分气候科学的进行方式。虽然从整体–或这些被挑拣出来的电子邮件所能提供的整体–来看，最令人质疑的几句话都是断章取义，而不如怀疑论者描绘那般让人担忧。但这却不能令人心安，这些邮件已然足够可以带来耻辱和罪责。
就在此时，冰川学家指出，政府间气候变化委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)最近的报告中，有关喜马拉雅山冰川的一些说词是错误的。IPCC的任务是为世界上的政客建立科学上的共识。可是该错误引发了一连串对IPCC其他说法上有疑问或没有足够根据的揭发，也引发了对该机构偏颇心态、信息透明度、和领导能力的全面质疑。前述的两项事端，再加上过去已有的批评，使得对气候变化的怀疑态度，达到前所未有的高点。
人们对气候变化行动所添增的不安情绪，也可以归因于经济的不景气、去年十二月在哥本哈根高峰会上演的憋脚戏、美国参议院的政治现况、和北半球多数地方异常寒冷的冬天。那么这些对气候科学新出现的质疑，一定也是不安的来源吧，不是吗?
盲点、误解、和错误是无可避免的会出现在任何一个复杂的科学世界观里。你可以做这样的比喻，当有些人看到一副拼图时，其他人则只看到纸搭的房子。拼图型的人想的是整体，而可以接受拿掉一些拼块、掉换拼块的位置、或甚至把放不进的拼块丢掉。纸房子型的人则认为，拿掉任何一张纸片都可以让整个房子倒塌。在气候变化上，学术界的科学家是拼图型，而异议人士则是纸房子型。
护卫整体共识的人倾向于强调他们研究的一致性–也就是数据、理论、和模式能相互提供证明。怀疑论者则认为这完全是一种”确认偏误”，也就是人们倾向于只选择那些支持他们论点的证据。虽然某种程度的确认偏误的确是有的(IPCC的错误更加深，而不是减低，这个印象)，不过气候科学中不同主张和不同数据能相互补强这件事，仍有货真价实的说服力。
怀疑论者倾向于专注在特殊的经验证据上，而不是整体观。这是值得做的–有足够根据才能建立事实–但是这样的态度却会让质疑看起来更像是根本上的问题。人们常假设数据是简单的、可理解的、和可信的；而理论则是复杂、深奥、和难解的，因而会给予数据较优先的考虑。可是，不论在气候科学或其他大部分科学，这话倒过来说也一样正确，或甚至更正确。数据是让人头痛的，而理论则不拐弯抹角。从现有对宇宙其他事物的认识里，建立一套温度变化的基本理论，要比建立一组可解读地球温度历史的数据容易的多了。
吸收和反射
在宇宙其他事物的认识里，和温度变化最相关的，是根据热力学所订下的要求，也就是一个星球如果要保持恒温，其以阳光形式所吸收的能量必须等于其以波长较长的红外线送回太空的能量。就地球而言，每平方米所吸收阳光的能量是239瓦。根据热力学的定律来计算，一个以该速率散发能量的简单物体，应有的温度是–18度C。你不需要完整的地表温度数据，就能注意到这不是人体所能运作的平均温度。这温度上的差异，是因为大气中的温室气体可以吸收并回送红外线辐射，而使得大气的对流层和地表保持温暖(见附图)。发送到太空的辐射，大多是来自温室气体所在的上方，而那里的温度的确是–18度C。
温室气体在大气中的增加，会使能量较不容易离开地球，因而导致地表和对流层的温度上升。这改变了平均温度、能量从地表移动到大气层的方式、以及能量从回归线流动到极地的方式，从而改变了气候的型态。
没有人质疑二氧化碳是为温室气体，和其绝佳吸收红外线辐射的能力。人类行为在大气中所添加的二氧化碳，超过大自然能将其去除的能力，这事实也已被众多证据所确认。自从1950年代就开始的量测，显示二氧化碳的浓度每年都在增加，从1959年的316 百万分率(parts per million，ppm)到2009年的387ppm。 较间接的纪录，则显示这上升大约从1750年开始，而在那之前的浓度在280ppm维持稳定将近一万年。这些纪录和人类历史若合符节: 人类在十八世纪中叶开始使用石化燃料。碳的同位素分析和其他的证据，显示大部分大气中二氧化碳的增加是由工业造成。
当讨论转到二氧化碳增加对温度影响的程度时，就开始有严重的分歧。有许多理由让科学家推测，温度不会亦步亦趋的跟随二氧化碳(和其他温室气体)的增加而上升。气候是个纷乱的东西，时而东时而西，让趋势的预测十分困难。不只如此，海洋可以吸收庞大的能量—有证据显示已有能量被如此吸收—而其储存能量的能力，增加了系统的热惯性(译注:指thermodynamic inertia)。这代表着大气的变暖，会比人们根据温室气体浓度水平去推想的速度要慢。
气候学家从常用的温度观测里，整理出三组陆地温度记录，其中一组的汇整者就是那因电子邮件而声名狼藉的气候研究单位。三组纪录都显示了暖化现象，而学术界广泛接受这些记录的可靠性。许多认真的博客并不信服。他们认为在汇整过程中对原始资料的调整，造成了暖化的偏误。他们也认为在观测站周边成长的城镇，由于是热源，会造成都会效应而混淆温度数据。安东尼˙瓦特（Anthony Watts），一位写气候博文的退休气象预报员，架设了一个名为地表观测网（surfacestations.org）的网站。志愿的人可以利用该网站，来协助登记温度记录中气候观测仪器的实际位置，并判断该位置是否邻近柏油路面或其他造成偏误的影响源。
汇整温度数据的人清楚这种都会热岛效应，并试着以不同方式来做修正。他们做的也许不够，但是几种不同证据显示偏误并没有太严重。例如，热岛效应在无风的晚上应是最明显，但是在无风晚上录得的数据，在趋势上，和风大晚上录得的数据并没太大差别。再者，海洋表面的水温和海洋上方的气温，在过去一百年的记录中，显示了和陆地记录一样的趋势（见图一）。
在美国国家海洋和大气总署（National Oceanic and Atmospheric Administration）工作的马修˙梅恩（Matthew Menne），和他的同事在最近的地球物理期刊（Journal of Geophysical Research）中发表了一篇分析报告。他们主张，地表观测网上认为设置地点不佳的观测站，其计算所得趋势，和设置地点良好的观测站所得趋势，大致雷同。瓦特先生认为该分析有问题，并承诺随后要对该报告进行调查。
地表温度记录无疑有改进的空间–不只是因为现有数据只提供月均温，也还因为众人想知道其他的事情（例如，在热浪的考虑上，最热的白天温度和夜间温度是有用的数字）。今年二月，英国的气象局呼吁要建立一套新的数据库，其汇整的方式尽量透明化而可提供各色人等做分析和阐释。这样的提案对科学界会有好处，可以帮助重塑陆地记录的可信度、以及展现气候科学从所未有的开放态度。
简化和放大
对许多人来说，二氧化碳的增加可以造成变暖、以及不同指针和观测都不约而同显示地球正在变暖的这两项事实，加总成一个一目了然的结论：温室气体正带来地球的变暖，置之不理会造成温室气体逐步增加，进而使地球在这世纪中有远比以前更大幅度的变暖。
实验室里可以量测二氧化碳分子对不同波长红外线辐射的吸收量，以此为基础，可以计算出某程度二氧化碳增加所能造成的暖化。这样的研究显示，如果大气中二氧化碳浓度增加一倍，地球温度会跟着上升一度。照这样推算，从工业时代之前的二氧化碳浓度280ppm，到2070年以目前的趋势推估的浓度560ppm，会导致地球温度上升一度。虽然现在看来不太可能，不过如果浓度再增加一倍到1,100ppm，地球温度会再上升一度。
”气候敏感性”这名词，现在已被用来代表二氧化碳浓度上加倍所造成的变暖程度。温度变化1度的气候敏感性是会小到让众人不再为气候问题担心。不过二氧化碳的直接效应不是唯一可担心的。有多种反馈可以放大该效应。其中最重要的是我们有深度理解的水气反馈，以及我们不甚理解的云反馈。学术界的怀疑论者倾向于专注在这些问题上。
二氧化碳造成大气变暖，也同时让大气变得较湿润。水气是很强大的温室气体，会因而造成更进一步的变暖。人们一些其他的活动–例如为农耕整地以及灌溉–也会增加大气中的水气，而在区域层级有重要的影响。不过这些影响是较次要的。
怀疑论者提出了一些有关水气的问题，有些无关紧要，而有些则较为严重。无关紧要的说法是水气的温室效应非常强大，以致于二氧化碳变得不重要。但这说法忽略了水气的多寡是取决于温度这事实。相反的，较高浓度的二氧化碳则主宰着温度，而可延续数个世纪。
比较严重的质疑是有关大气变湿润的方式。在1990年代，一位麻州理工学院(MIT)的气象学教授理查德˙林德任(Richard Lindzen)，指出有几个机制可以让湿润不致于有很大的变暖效应。接下来的二十年中，有许多观察和理论的研究是专注在这问题上。新一代的卫星，可以对大气中的水气含量，做远比以前更准确的追踪(见图二)。因此，简化的初步估计被证实是可靠的，也就是考虑了水气反馈的气候敏感性将从1度增加到1.7度。林德任博士同意，该估计对没有云的大气层是约略正确的。
大气变湿润的方式可以帮助了解目前气候是如何变化的。当水气凝结成水滴时，能量会被释放出来，使得周围的空气变暖。这意谓着，在温室效应让大气变湿润的情况下，低层的大气将会比地表以较快的速率变暖，特别是在热带区域。同时，二氧化碳量的增加，会以一种和水气无关的方式，导致平流层顶部的温度下降。这种下暖上凉的模式，在温室效应的变暖中是符合预期的。如果是其他因素造成地球的变暖，例如较热的太阳，该模式就不符预期，因为太阳将使平流层顶部增温而不是降温。
在1990年代，这是怀疑论者特别强调的论点，因为卫星的量测并没有显示大气低层有如理论所预期般的变暖。过去十年里，这观点改变了。1970年代以来，卫星上就有相关仪器可量测温度，但是十年前只有一个团队将其数据转变成在不同海拔上的温度。现在许多其他的团队也加入这行列，因而发现之前转换时计算上的错误(该计算十分复杂而牵涉不少讲究的细节)。虽然不同团队仍然得到不同的大气低层变暖程度和变暖速率，但是变暖这事实却是无庸置疑的。平流层的变冷则混杂了臭氧损耗的效应，不过该效应并不足以解释所被观察到的变冷程度，因而更加强变暖是由温室效应–而不是其他气候乱源–造成的说法。
不确定性不只来自水气，由之形成的云是另外一个更大的不确定性来源。一方面，云所形成的水滴也有强大的温室效应。另一方面，云可反射光线，水气则不能。由其是云将阳光反射回太空，并阻止其能量为地球所吸收。所以云有显著的变冷效应，也有显著的变暖效应。到底哪一种效应在温室的世界里会变得较强呢?
模式的迷宫
在这个问题上，就需要使用复杂的计算器气候模式来处理。这些模式将大气和海洋分割成层层迭迭的立体单元。模式以连续的方式，更新着单元中空气的状态(如温度、气压)，更新是根据单元过去的状态、其周围单元正发生的状态、以及其内容物温室效应和其他的特性。
这些模式非常的复杂，可是也做了过度的简化。任何在小于方圆百公里范围内发生的气象过程，包括云的产生，是不能用该模式来直接仿真的。
气候模式虽然有许多限制，不过也的确可以用来模拟许多真实世界的气候现象，例如季节、信风(trade wind)、印度季风(monsoon)等。云，根据被观察到的地点，也可加到气候模式中。当云的效应被纳入探讨大气的温室效应时，不同研究团队所开发的模式，比起只考虑温室气体和水气反馈的效应，一致预测了较多的变暖。在IPCC第四次评估报告中，这些模式推测气候敏感性约在2.1度C到4.4度C的范围。IPCC估计，如果没有考虑云的效应，该范围将是在1.7度C到2.1度C。所以在所有模式中，云都有放大变暖的作用，而有些模式显示其放大幅度很大。
不过，虽然模式中云有显著效应，但实际数据中却没有让人不得不采信其效应的理由。雷˙皮雷恒柏(Ray Pierrehumbert)，一位通常采强烈怀疑论调的芝加哥大学(University of Chicago)气候学家，很同意也许有一些机制可以让云减少而不是放大温室变暖的效应，不过他也说，到目前为止没几个被提出的建议是有道理的。
林德任博士和他的一位同事在2001年提出了一个比较有道理的机制。他们的说法是，热带云层在一个有较多温室气体的大气中，会吸走周围天空的水气，因而让这部分的天空较透明而红外线较容易往太空散射。但是林德任博士所提出支持该机制的证据却受到相当有说服力的批评，以致于其他科学家不愿再接续这研究。林德任博士接着发表的一篇研究报告也遭受了重大的批评，而他也接受了许多批评的论点。不过他觉得，接受这些批评不代表他研究的方向是错误的。
从过去气候历史来看，气候敏感性不太可能会很低。大部分冰河时代的变冷是由于北半球冰帽反射了大量的阳光，不过那时二氧化碳浓度也是比较低。如果要能解释变冷的幅度，特别是在南半球，最说得通的就是二氧化碳的敏感性比林德任博士所主张的数字高多了。
在冰河时代之前，地球的二氧化碳比现在多一些，却比现在热多了–这暗示着敏感性相当高。近代中，菲律宾的皮纳图博火山(Mt Pinatubo)在1991年爆发后，将一层散射太阳光的硫磺颗粒送到平流层，因而造成世界温度的降低。这事件确认了敏感性应是在预期范围的中间。不过一个事件余波荡漾的敏感性和二氧化碳缓慢增加所造成的变暖敏感性不见得能相提并论。
木头和博客
在讨论历史数据时，就会触及一个博客怀疑论者喜欢攻击的议题: 过去一千年的温度记录，由自然界对温度敏感而能精确估计年代的化石分析得来。树的年轮是最明显但又最有争议性的一个例子。年轮的使用最为人所知的是，1998年在自然期刊(Nature)上发表的千年历史温度重建数据，也被广为称做”冰球棍”，因为该纪录大部分是平的，只有在二十世纪末才像冰球棍末端那样翘起。史蒂芬˙麦金托，一位加拿大籍退休挖矿顾问，由于被该数据图形所呈现的清楚讯息所动，因而投入专研其背后的科学。在这过程中，他和他博客(名为气候监察(Climate Audit))的追随者对该数据的价值产生了极端的质疑。
在2006年，美国国家科学研究委员会(America’s National Research Council)发表了一篇回顾，认同麦金托先生和他同事对”冰球棍”制作方法的一些评论，以及他们对一些特定年轮记录的质疑。即使如此，该回顾仍然同意冰球棍的整体结论，因而无助于消弭批评。年轮未能捕捉最近的变暖，更添加对该纪录价值的怀疑。
对许多麦金托先生的爱慕者而言，该研究的重点是，冰球棍似乎排除了”中古温暖时期”。这是一段温度被认为和现在一样高或甚至更高的时期–其温暖与北欧人定居格陵兰和英国的葡萄园有关。许多气候科学家怀疑，早期的气候学家因持有偏颇的欧洲世界观，而对这现象给予过度的重视。在那时期有证据显示部分亚洲区域有变冷的现象。
怀疑论者大多是中古温暖时期的爱慕者。他们认为气候学家的说词是对历史的窜改，以致于跨大了今天变暖的剧情，而忽略了自然变化可以解释二十世纪温度记录的可能性。气候有着更大变异的可能性，就其本身而言，不能代表温室变暖不正在发生。如果中古温暖时期是由其他外在因素造成，例如较亮的太阳，那也意谓着气候的确是相当敏感。
你也许希望，最近温度纪录能较清楚的告诉我们，哪一个模式比较正确，因而可得知真确的敏感性。不幸的是，这不容易，因为尚有其他混淆的因素必须厘清。工业、农耕、和整地所释放到大气中，对气候有影响的成份，不仅止于温室气体。还有悬浮微粒–飘在风中造成污染的颗粒。有些悬浮微粒可以让大气变冷。其他较像烟灰的，则让大气变暖。加总起来，这些悬浮微粒对世界的效应，被认为是会变冷，而且效应颇强。但是对悬浮微粒维持不久的整个历程，目前了解远不如对温室气体的了解，而模式也不太可能有办法捕捉其化学效应和对云的影响。
在纳入悬浮微粒的效应后，大多气候模式都能将二十世纪的气候趋势模拟的相当良好。这似乎不可思议，因为不同模式有着差距相当大的敏感性。事实上，各模式考虑悬浮微粒的方式和该模式的敏感性有密切关系; 较敏感的模式有较强的悬浮微粒变冷效应。
苏黎世联邦理工学院(ETH)的雷多˙拿提(Reto Knutti)，一位气候敏感性的专家，认为这证明了，不论是有意或无意，悬浮微粒效应的确被用来做为一个可调整的参数，以确保趋势模拟良好。这不能说是不诚实，也不一定是件坏事。由于模式必须能捕捉二十世纪的现象，因此将模式以此为前提来建构也是合理的。不过，这也代表着，仿真良好的模式，不见得能提供精确的气候敏感性。
除了敏感性不确定之外，未来温室气体的增加幅度也是不确定。IPCC预测在二十一世纪中，温度上升的范围在1.1度C 到 6.4度C之间。最低的数字比较合乎怀疑论者所说，科学被忽略或掩盖的观点。这些说法里，气候有比一般气候学家估计更大和更持久的自然波动(例如中古温暖时期)，而地球最近的变暖大部分是归因于自然波动，一部分是归因于陆地温度记录上的夸大。这些说法另一个论点是，温室效应造成的变暖到目前为止是相对轻微，因为模式的高敏感性是归因于建構模式的人本身的偏误，真实的敏感性没有模式预测的高。这些说法的结论是，即使温室气体照常排放，世界的变暖也将是温和的。
所有不同种类气候科学的失误、玩忽职守、草率都不约而同有着降低变暖效应这样的事，似乎不太可能。即使如此，怀疑论者倾向于假设气候学家并不真诚，因而对这样的事完全可以接受。气候门事件(译注:指电邮事件类似水门事件)和IPCC的问题加强了这种信念。
根据IPCC机率上的估计，二氧化碳加倍情况的敏感性，有十分之一的机会是低于1.5度C。如果IPCC将该情况的机会低估了五倍，该理想结局发生的机会将是一比一。事实是，不确定性虽然可以用来假想一个相对无害的未来，但是却不能让我们忽略气候有巨变的可能性，这样做在某一些可能会发生的情况里是很危险的。怀疑论者对的是气候科学充满不确定性。他们错的是将之鼓吹为不付诸行动的理由。
《经济学人》（The Economist ( http://www.economist.com ))仅同意ECO （www.ecocn.org）翻译其杂志内容，并未对上述翻译内容进行任何审阅查对。
译者：zenpotdavid
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