太陽(yáng)活動(dòng)與過(guò)去近百年氣候變化

太陽(yáng)活動(dòng)與過(guò)去近百年氣候變化

氣候風(fēng)氣變化的原因世界氣候變化是國(guó)內(nèi)外研究的中心問(wèn)題，也是最受爭(zhēng)議的問(wèn)題。爭(zhēng)議范圍之廣,超出了早先人們的想象。從最根本的問(wèn)題——?dú)夂蚴欠褡兣?氣候變暖的原因是什么,如何應(yīng)對(duì)氣候變暖,如何控制溫室氣體的排放使變暖達(dá)不到閾值,直到閾值是不是2℃?？梢哉f(shuō)幾乎在每個(gè)環(huán)節(jié)上均有爭(zhēng)議。本文將討論爭(zhēng)議的核心問(wèn)題:氣候?yàn)槭裁醋兣?1關(guān)于“自然”與“氣候”的評(píng)估以IPCC為代表,其第四次評(píng)估報(bào)告(AR4)指出:“20世紀(jì)中期以來(lái)觀測(cè)到的全球平均溫度的上升,非常可能是由觀測(cè)到的人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體增加造成的”;并且指出“這個(gè)結(jié)論比第三次評(píng)估報(bào)告(TAR)前進(jìn)了一步”。那時(shí)認(rèn)為“近50年觀測(cè)到的大部分變暖可能是由溫室氣體濃度增加造成的”。根據(jù)IPCCAR4,“非?？赡堋敝缚赡苄栽?0%以上,“可能”則指66%以上。也就是說(shuō)從IPCCTAR到IPCCAR4對(duì)變暖是由溫室氣體增加造成的可能性的評(píng)估從>66%提高到>90%。而另一方面NIPCC的決策者摘要,標(biāo)題就是:“自然,而不是人類(lèi)活動(dòng)主導(dǎo)著氣候”。顯然這是與IPCC針?shù)h相對(duì)的觀點(diǎn)。下面就分別研究這兩種觀點(diǎn)各有什么證據(jù),以及存在的問(wèn)題。2更強(qiáng)的溫室效應(yīng)歷屆IPCC報(bào)告均認(rèn)為全球氣候變暖是人類(lèi)活動(dòng)造成的溫室效應(yīng)加劇的結(jié)果,而且對(duì)這個(gè)論斷持日益強(qiáng)硬態(tài)度。但是,回顧一下,究竟有什么證據(jù)支持這種觀點(diǎn)呢?大體上可以分為兩個(gè)方面:觀測(cè)事實(shí)與模擬研究。2.1u3000溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)理論認(rèn)為人類(lèi)活動(dòng)造成的氣候變暖應(yīng)該是全球性的、四季都存在的、每天最高溫度與最低溫度均上升的一種幾乎無(wú)所不在的普遍性變暖。但是,從理論上講,高緯、特別是冬季溫度上升更多。日最低溫度上升應(yīng)該超過(guò)最高溫度。這些推測(cè)基本上得到了觀測(cè)資料的證實(shí)。圖1與圖2給出Hansen等到2009年的全球溫度資料。圖1為1970—2000年代平均溫度距平,圖右上角的數(shù)字為全球平均溫度距平,可見(jiàn)近40年變暖十分明顯。2000年代除東南極沿岸和大洋上小范圍為負(fù)距平外,陸上普遍變暖,北半球高緯尤甚。1990年代也是一個(gè)暖的10年,但是溫暖程度低于2000年代。圖2為近60年四季溫度變化趨勢(shì),右上角為全球平均趨勢(shì)。各季平均變暖在0.60~0.65℃,季節(jié)分布比較均勻。北半球冬季(12、1、2月)歐亞大陸北部及北美大陸北部增溫最明顯,南半球冬季(6—8月)南極沿岸變暖最強(qiáng)。此外,氣溫日較差(DTR)有減小趨勢(shì),與溫室效應(yīng)理論一致。但I(xiàn)PCCAR4的DTR減小趨勢(shì)低于IPCCTAR,80%可以從云蓋及降水量變化得到解釋。根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè),1979—2005年全球地面到10km的對(duì)流層溫度均保持普遍上升趨勢(shì),而平流層溫度則處于下降中,這也同溫室效應(yīng)理論一致。只有一個(gè)分歧就是,根據(jù)模式模擬,溫室效應(yīng)加劇后在熱帶對(duì)流層上層溫度上升應(yīng)高于地面,這一點(diǎn)卻沒(méi)有得到觀測(cè)證實(shí),因此成為NIPCC攻擊IPCC的一個(gè)論據(jù)。近來(lái)Allen等用熱成風(fēng)理論及相關(guān)觀測(cè)資料推導(dǎo)出熱帶(20°N~20°S)對(duì)流層上層的溫度,結(jié)果顯示變暖幅度超過(guò)了地面。Thorne指出,1979—2005年200hPa高度的溫度增量達(dá)到(0.40±0.29)℃/10a,超過(guò)了同期地面溫度增量(0.13℃/10a)。利用風(fēng)垂直切變與溫度的水平梯度更精確地計(jì)算對(duì)流層上層的溫度,這是一項(xiàng)值得注意的新研究。但是,為什么溫度觀測(cè)顯示不出這樣的結(jié)果還不清楚。2.2溫室效應(yīng)是20世紀(jì)后半葉氣候變色的主要原因這里分析近百年溫度變化的模擬研究。如果我們能在給定溫室氣體強(qiáng)迫的情況下模擬出全球平均溫度變化,則可以更進(jìn)一步確認(rèn)這個(gè)變化是人類(lèi)活動(dòng)造成的。為了更好地模擬全球平均溫度變化,IPCCAR4用海氣耦合模式,綜合考慮溫室氣體、氣溶膠、火山活動(dòng)、太陽(yáng)輻照度、O3等因素模擬了20世紀(jì)全球平均地表溫度變化。除1930年代后期至1940年代中期的溫度峰值、1950年代初期和中期的兩個(gè)谷值未能模擬出來(lái)之外,1960年之后模擬的較好。而且,如果不加入人類(lèi)活動(dòng)影響,則模擬不出20世紀(jì)后期的變暖,這證明溫室效應(yīng)在20世紀(jì)后半葉的變暖中起主導(dǎo)作用。這也是IPCCAR4提高人類(lèi)活動(dòng)影響可能性評(píng)估的主要依據(jù)。此外IPCCAR4還列舉了2002—2007年完成的12個(gè)模式模擬的近千年溫度變化,包括6個(gè)GCM(大氣環(huán)流或耦合環(huán)流模式),4個(gè)EMIC(中等復(fù)雜程度氣候系統(tǒng)模式)及2個(gè)EBM(能量平衡模式)。這些模式在考慮火山活動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)迫時(shí)能模擬出12—14世紀(jì)的變暖及15、17、19世紀(jì)的寒冷。對(duì)20世紀(jì)也能模擬出1940年代的暖及20世紀(jì)最后30年的變暖。這些模擬研究表明,溫室效應(yīng)確實(shí)是20世紀(jì)后半葉氣候變暖的主要原因。但是,在對(duì)過(guò)去千年的模擬中,自然因素如火山活動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)則是驅(qū)動(dòng)氣候變化的主要因素。3太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初就有不少學(xué)者研究太陽(yáng)活動(dòng)與地球氣候的關(guān)系。但是,太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候影響的假設(shè)始終受到很大懷疑。其最主要的原因有兩個(gè):1)太陽(yáng)黑子變化的基本周期為11年左右,而地球上的各種氣候指標(biāo),很少有持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的11年周期,偶然有某個(gè)局地氣候指數(shù)在1~2個(gè)或2~3個(gè)11年周期內(nèi)與太陽(yáng)黑子變化有關(guān),但是這種關(guān)系大多不能持久;2)太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的途徑不清楚。先是把太陽(yáng)輻照度(TSI)當(dāng)作一個(gè)常數(shù),稱為太陽(yáng)常數(shù),后來(lái)證明,太陽(yáng)常數(shù)是變化的,但是11年周期的振幅只有0.1%。因此,我們要看一看有什么現(xiàn)代的資料突破了過(guò)去的概念。3.1mwp及l(fā)ia鑒于地球氣候缺少11年周期,我們著重討論年代際尺度及百年尺度。最近的千年包括了兩個(gè)地球氣候的重要時(shí)期,中世紀(jì)暖期(MWP)和小冰期(LIA)。由于這兩個(gè)時(shí)期主要發(fā)生在人類(lèi)活動(dòng)影響微弱的工業(yè)化之前,所以,大多數(shù)學(xué)者都同意是自然原因造成了MWP及LIA。其中首選的自然原因就是太陽(yáng)活動(dòng)。圖3給出Kikby總結(jié)的近千年溫度變化與太陽(yáng)活動(dòng)。圖3(a)為近千年溫度變化,右縱坐標(biāo)為格陵蘭兩個(gè)鉆孔(GRIP和Dye3)的溫度。在圖中作者標(biāo)出的MWP為公元1000—1250年,LIA為公元1450—1850年。圖3(b)給出銀河宇宙線(GCR)序列,MWP期間GCR弱,說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng),而LIA期間GCR強(qiáng),太陽(yáng)活動(dòng)弱。圖3(c)為委內(nèi)瑞拉熱帶安第斯山冰川活動(dòng),湖泊沉積磁導(dǎo)率(SI)高表示氣候冷濕,冰川前進(jìn)。LIA期間高緯寒冷、亞非季風(fēng)區(qū)干旱、赤道輻合帶(ITCZ)南移。反映了以GCR為代表的太陽(yáng)活動(dòng)與地球氣候的密切關(guān)系。3.2冷事件與氣候異常的關(guān)系Bond等根據(jù)北大西洋流冰碎屑(IRD)指出全新世北大西洋有8次流冰事件(常稱冷事件),由近及遠(yuǎn)編號(hào)為1至8次冷事件。后來(lái)發(fā)現(xiàn)小冰期的特征也與之類(lèi)似,所以也算作一次冷事件,編號(hào)為0。因此,全新世11.5kaBP至今共9次冷事件。大量的研究表明冷事件與北半球乃至全球氣候異常有密切的關(guān)系。Wang曾經(jīng)對(duì)冷事件的年代學(xué)及氣候影響進(jìn)行了綜合分析,指出發(fā)生冷事件時(shí)北半球中高緯特別是西北歐氣候冷干,但中歐及西歐夏季濕潤(rùn)。亞非季風(fēng)區(qū)夏季風(fēng)降水減少,從東非沿岸向東穿過(guò)阿拉伯海到南亞,再向東到東亞干旱,中國(guó)南部的石筍記錄反映干旱事件與北大西洋冷事件有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。早在1973年,Denton等就提出太陽(yáng)活動(dòng)減弱可能是全新世氣候突變的原因。Bond等用14C、10Be代表太陽(yáng)活動(dòng),用4個(gè)海洋沉積記錄得到綜合指數(shù)。將14C、10Be和綜合指數(shù)均去掉趨勢(shì)并做70年濾波(圖4),兩個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)與綜合指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.44和0.56,9次冷事件均與太陽(yáng)活動(dòng)谷值(GCR峰值)對(duì)應(yīng),這表明太陽(yáng)活動(dòng)減弱可能是冷事件形成的原因。3.3太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的主要途徑太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的途徑有3個(gè):TSI的變化、太陽(yáng)紫外線變化及GCR變化。關(guān)于第1種途徑,由于已經(jīng)有了兩個(gè)半11年周期TSI的直接觀測(cè),早已證實(shí)太陽(yáng)常數(shù)不是一個(gè)真正的常數(shù),但是隨11年周期的變化只有0.1%,這大約只能造成0.1℃的溫度變化,不足以解釋觀測(cè)到的氣候變化。在幾百年的過(guò)程中,TSI的變化可能要大一些,根據(jù)太陽(yáng)黑子的變化推算18世紀(jì)至今TSI僅增加0.5W/m2,相當(dāng)于大氣頂部的輻射強(qiáng)迫增加0.08W/m2。假定氣候敏感度為0.7℃/(W/m2),則18世紀(jì)至今TSI的變化僅能造成0.06℃的溫度變化,比這段時(shí)間觀測(cè)到的升溫0.6℃要小一個(gè)量級(jí)。因此,目前越來(lái)越多的氣候?qū)W家與天文學(xué)家不再認(rèn)為這是太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的主要途徑。第2種途徑的主要依據(jù)是太陽(yáng)活動(dòng)11年周期中紫外線(UV)譜段的輻射強(qiáng)度變化劇烈。不同學(xué)者估計(jì)不盡相同,最高估計(jì)從太陽(yáng)活動(dòng)11年周期極大年(M年)到極小年(m年)可變化7%。太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)時(shí)UV增加,使平流層變暖、O3增加。平流層通過(guò)熱輻射及動(dòng)力學(xué)過(guò)程影響對(duì)流層。對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的這種途徑的物理機(jī)制還研究的不夠,觀測(cè)證據(jù)也不充分,例如O3濃度與太陽(yáng)活動(dòng)關(guān)系的證據(jù)也有分歧。對(duì)第3種途徑的研究較多。觀測(cè)證明,隨太陽(yáng)活動(dòng)11年周期,GCR可變化15%,地球低云量可變化1.7%,相當(dāng)輻射強(qiáng)迫1W/m2。CO2的輻射強(qiáng)迫只有1.66W/m2,相比之下GCR的影響也足夠大。GCR影響地球氣候的機(jī)制還在研究之中,GCR如何影響大氣的低云量,目前有3種設(shè)想:增加凝結(jié)核、雷暴起電和氣旋中形成冰晶。Carslaw等認(rèn)為關(guān)鍵是GCR影響云滴數(shù)量及云中冰晶,并為此設(shè)計(jì)了兩種機(jī)制:離子氣溶膠清潔空氣機(jī)制及接近云離子氣溶膠機(jī)制。當(dāng)然,目前還不能認(rèn)為這是一種成熟的理論。因此,可以認(rèn)為人們發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)活動(dòng)與古氣候的關(guān)系,還只是一種可能性。究竟太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響有多大,可能在多大程度上抵消或加強(qiáng)溫室效應(yīng)的影響還是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。4太陽(yáng)活動(dòng)的影響(1)20世紀(jì)中期以來(lái)溫度變化的空間分布、季節(jié)變化、氣溫日較差變化均支持溫室效應(yīng)加劇可能是氣候變暖的原因,近30年的氣候變暖與溫室效應(yīng)加劇的模擬研究結(jié)果一致。(2)近百年溫度變化中1940年代的高溫、1950—1970年代的降溫?zé)o法用溫室氣體的變化解釋,這表明自然因素,如太陽(yáng)活動(dòng)、火山活動(dòng)乃至大洋熱鹽環(huán)流在年代際溫度變化中有重要