五千年(敝帚自珍)

主题:【原创】杂谈全球变暖 -- 快乐是什么

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      • 家园 这个中医药比喻不错,很形象。

        说到底现在结论自己是否可靠都不一定,却想搞什么“升温低于1.5度”的决议,真是可笑啊--万一最后超标了,能处分、处罚谁么?

        建议万一到时候看上去快超标了,照准一个无人区的活火山口扔下一颗原子弹,火山灰飞上去,温度降下来,比什么减排措施都有效--一颗不够?再来两颗。。。。。

        更可能的是想统计数据,先发一个符合标准的,过几年大家不在意了,偷偷改一个超标的----修正嘛,技术原因BALABALA...

      • 家园 配图

        这个是某模型对不同预设条件下温升的预测:

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        这个是某个模型对冬季和夏季温升、降雨、海平面压力的预测:

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        某模型对云反射的预测:

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        莫模型对降雨量,土壤湿度,流失,蒸发量的预测:

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        体会一下现在模型的复杂程度。

        • 配图
          家园 村长太专业了

          类似的图是我当年几乎天天看的,也经常画,很久不见,都快忘记了。村长拿出来,让我觉得很亲切。

    • 家园 金星地表接受的太阳能是多少瓦?

      金星地表温度那么高,显然不是因为离太阳距离近就能解释的,其地表温度高于离太阳更近的水星超过400度。而且,金星云层的反射率那么高,大部分太阳光都被反弹出来了,金星云顶的温度可只有摄氏零下45度,那么,金星表面为什么还那么热呢?答案就是温室效应!

      • 家园 不太清楚

        金星大气层顶的太阳常数可以用地球的太阳常数加上日地、日金距离估算,比较简单,反射率的观测大约是60%以上(地球是30%),但是金星大气非常浓密,里面的云层也很多,内部散射比较难以观测,所以,估算多少太阳光到达金星地表是非常困难的。

        • 家园 金星有地球的暖化和冷化的周期变化吗?

          还是始终不变的是表面450摄氏度?

          金星的自转等于公转,那么背对着太阳的那一面表面温度是多少?

          • 家园 在金星表面每116.75个地球日就可以观测到一次太阳出没

            比一个水星日还要短。

            事实上,潮汐锁定的现象一般发现在两天体距离较近时。水星曾被认为是潮汐锁定的,但早在1965年就发现不是那样。金星就更没可能了。

    • 家园 【原创】杂谈全球变暖(再再再续)

      再次说明一下,这一行现在可不算冷门。主要研究机构里中国学者很多,河里一定有不少专业高手。不少人已经开始指出文中的错误,我很不脸红地虚心接受,也非常乐意做一个诱饵,让更多的专家暴露出来。还请诸位方家不吝指教,只要拍砖时下手温柔一点就行(我怕疼)。

      周末被华北大平原的冷风吹了几遍,私下里很是希望北京先变暖了再说。

      说正事之前,再闲扯两句。各国吐沫星子飞溅地在哥本哈根争执,好像为地球和人类前途忧心忡忡,其实最关心的是自己家的后院。我们做个简单试验。假设我们接受IPCC里比较悲观的数字,即全球年平均气温升高4摄氏度。在这个地球村,这个上升的分配方法有很多种可能:

      1. 每家都一样,每天比以前热4度

      2. 每家都一样,但时间上不均匀,冬天热8度,夏天不变

      3. 每家都一样,但时间上不均匀,冬天不变,夏天热8度

      4. 张三李四王五都不变,你替他们承担,所以他们家还和以前一样,但你家每天比以前热16度

      5. 不知道会怎么样,每天随机分配,全看橡树村长今天喝了多少。

      如果让大家自己来选,你会选哪一种?

      选2的人可能最多,这些人很理性,追求舒适,适合做小资。选1的是社会主义者,以最平庸的方式应付变化,看起来公平,安全可靠。如果你选了3,一定喜欢挑战,没事也要找事,自信心超强,是适者生存理论的热烈拥护者。选4的都是经济学家和金融家,在华尔街和证券公司工作,他们敢于选择表面看起来不利的地位,是因为相信那几只看不见的手,知道一定有办法拿到回报。比如要求三家出钱帮你买电买水买空调,晚上睡到张三李四那里,或是用无法拒绝的诱饵唆使对方上当,然后让对方出大钱把自己的房买回去。

      选5的是与村长喝酒的人,或者就是村长本人。

      如果我们把问题换一下,你最不能接受的是哪一个呢?是3还是4?

      对我来说,最不能接受的是第5种,因为不知道后果是什么。而确定后果是什么,就是我们研究的目的。

      ―――――――――――――――――――――――――――

      六.麻烦的问题

      到底什么问题这么麻烦呢?让我们从基本问题开始。

      既然谈气候变迁,请问诸位,什么是气候?

      为了安全起见,我去百度了一下,里面的定义是:

      气候是地球上某一地区多年时段大气的一般状态 ,是该时段各种天气过程的综合表现。

      听起来,都对,就是没什么用。还好,百度接着说:

      气象要素(温度、降水、风等)的各种统计量(均值、极值 、概率等)是表述气候的基本依据。

      这句话有点实质内容。我们据此引申,所谓气候变化就是温度、降水、风等气象要素在统计意义上的变化。这些气象要素中,温度大概是最基础的要素,天气预报中从来少不了“明天最高/最低气温”,也正是这个原因,“人类活动对地球气候变化的影响”常常被(科学上很不严谨地)简称为全球变暖。

      好吧,让我们专注于温度。全球气温是由什么决定的呢?更确切地说,全球年平均近地表气温是由什么决定的?IPCC里面说是辐射平衡,说明那里的大气辐射派占了优势。

      大气物理一般分成3部分,辐射、动力、云物理,辐射可以说是研究大气系统能源的,动力是能量传导机制,云物理是微观过程。打个不特别贴切的比方,如果大气系统是辆汽车,辐射就是研究引擎的,动力是研究传输系统,云物理则负责其他细节。当然,大气系统不是工程师设计出来的东西,里面有很多设置不太合理(或者我们不明白),非线性过程更是臭名昭著,所谓蝴蝶效应和混沌理论就是大气动力专家Edward Lorenz在麻省理工捣鼓出来的。这位Lorenz也是个大师,曾以世界气象组织的名义写过经典的《大气环流现状与理论》,也是我个人很崇敬的人物之一。他本来是个大气动力专家,是麻省理工的土产,自然就喜欢数学和计算机,是个大气数值模拟的前辈,也开创了大气数值模型研究气候的领域。他这样的大师,却发现自己的大气模型数值结果相当不稳定,找了半天原因,最后发现不是自己的错,是敌人太狡猾,空气里蝴蝶太多。后来他写过一系列的论文,讨论大气系统的可预测性和模型稳定性问题,曾是所有搞模型的同学们的必读材料。

      作为能量来源,辐射平衡对气候温度非常重要,但是传输系统也很重要啊!要知道,几乎在地球任何一个地区,辐射都不是平衡的,甚至是非常不平衡的。这些能量靠的是动力推动气流跑来跑去,形成了风,风中挟着水蒸气,到了冷的地方就凝结成云,云厚了就降水,形成雨雪,有时风太大(或是对流太强),摩擦出来静电,就打雷。大家可以看到,几乎所有气象都和动力相关,所以习惯上,很多人认为动力是气象的领域,那时北大的动力教材就叫《动力气象学》。

      平心而论,大气动力对气候还是有着至关重要的影响。前面我们谈到过一点气候带迁移,地球上最大的气候带分别是热带、温带、寒带,看起来是按纬度划分,其实完全是大气环流决定的。而且,气候研究里最让人头疼的就是耦合/反馈问题,动力与辐射的耦合是非常强的,云物理也有自己的地位。我曾经的专业就是辐射,毕业论文也是有关辐射平衡的。个人感觉,没有动力和云物理的参与,很多事情定不下来。

      为了简化我们的讨论,让我们暂时接受IPCC的理论,主要谈辐射。下面是IPCC给出的辐射收支平衡表:

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      虽然具体数值可能还有出入,但基本原理都在这里。可以看出,地球气候系统的主要能量来源是太阳光(生物系统也一样,万物生长靠太阳啊),其中30%左右的太阳光压根就没被吸收,剩下的70%中,大部分用来加热地表,另一部分被空气中的有效成分吸收。同时,由于黑体辐射原理,地球也在向外辐射,但是,尽管大部分短波辐射(阳光)被地表吸收,离开地球气候系统的长波辐射却主要来自空中的云及温室气体,地表辐射的绝大部分都被大气吸收了,这也就是温室效应的来历。不过,有必要澄清一点误区,玻璃室或塑料大棚那样的温室效应主要是隔离了空气对流导致的,与大气中以辐射为主的温室效应还是相当不同的。

      既然辐射决定了温度,温度代表气候,那么,代表气候变化的温度/辐射变化有多大呢?

      大部分模型估算的CO2浓度加倍后的包括各种反馈在内的辐射总影响(forcing, 中文翻译成强迫,很别扭)一般就是4瓦左右,对,4瓦,基本上在我们现有测量误差的范围内。要知道,我当年看到的总辐射平衡在240瓦左右,IPCC2007版里标的是235瓦,区别不小,这个2%的区别应该主要是测量误差,而不是真正的变化。根据我10多年前的了解,当时的卫星测量误差应该不小于3到4瓦,也就是说,我们其实不知道大气层顶是否真的是在辐射平衡中,现有系统的状态是不确定的,其不确定性与我们需要预测的全球变暖(50年后)的影响在同一数量级!

      全球变暖这个课题的答案这么困难,除了大气系统的复杂性之外,最主要的原因是其变化其实很小。不仅辐射平衡的变化小,近地表温度的变化也不大。IPCC里提到了,模型的预测是全球年平均近地表温度升高2-4度,考虑到物理上是用绝对温度的,目前的地表温度就在290度左右,这个变化的比例也相当微弱。我们的任务是用不太可靠的数据来开发模型,然后又用这个粗糙的模型来预测不太明显的变化。考虑到气象模型甚至不能保证对24小时后天气温度的预测精度,我们有什么理由期待气候模型能够更精确的预测未来50年后的气候温度呢?给大家另一个极端的例子,我当时就没有听说过哪个模型能成功地模拟大冰川时期的气候,即使考虑了地球轨道的影响,就是留不住冰盖,除非太阳辐射比现在弱很多。

      大气物理是一个相当传统的物理专业,手中的武器或工具非常平淡,动力专家手里是一套流体力学方程加上一组热力学方程,辐射专家主要倚仗黑体辐射公式和物质吸收谱线。吸收谱线是个很有力的工具,自从本生灯发明以后就一直是个传奇性的东西,人们用它发现了太阳上的元素组成,宇宙的成分,也可以用来鉴别哪个气体是温室气体,估算空气对辐射的影响。

      为了简化思考,也是出于经典牛顿力学的习惯,大家把气候想象为一个物体,而大气辐射(以及动力)效应则被拆分成很多强迫(forcing),有些是把气候往变暖推,我们把它们叫做正强迫,其它那些使气候变冷的自然就是负强迫,这些强迫都一起作用于气候,总的强迫是正,自然就是变暖,否则就是变冷。到底是哪些变量在给我们制造麻烦,而它们的强迫是什么?为了节省时间,我就不详细论证了,推荐有兴趣的同学去读橡树村兄非常细致的读书笔记

      问题是,这些强迫每一个都不小,但大部分都相互抵消了,我们要找的是它们抵消后剩下那部分。想象一下,气候就像是一列火车,头尾各一个差不多功率的火车头同时往反方向拉,在头部的锅炉工刚刚拿到一个稍微大一点儿的加煤铲,问你火车往哪儿边走?(温馨提示:回答左右都是错的!)

      何况,我们还要考虑海气耦合作用,因为地球海洋的热容量远远大于大气层。大多少呢?大家知道,海平面的大气压可以顶起10米高的水柱,也就是说,整个大气层的重量相当于10米深的水,其总热容量也基本相当,海洋的总水量比10米要大得多。具体数值,可以问河里的海洋专家,如抱朴仙人。

      海气耦合的典型例子有气象尺度的台风,短期气候里的埃尔尼诺现象,小冰期里的北大西洋洋流(就是前面提到的电影里被有意曲解的)。在全球变暖问题上,海气耦合带来的强迫基本还是未知数。

      在我看来,在信息和理解均不充分的条件下去精确预测未来,这是全球变暖问题带来的最大挑战。

      再多嘴一句,全球变暖虽然不是一个很科学的讲法,但比气候变化还是有意义的多。毕竟,气候一直都是在变化的,这与全球变暖最初的初衷(研究温室气体排放使全球气候变暖的问题)是很不一样的。


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      • 家园 挑个毛病:短期预报不准,长期的未必不准

        考虑到气象模型甚至不能保证对24小时后天气温度的预测精度,我们有什么理由期待气候模型能够更精确的预测未来50年后的气候温度呢?

        短期受突发因素影响很大,长期应该受一定规律的制约。比如,巴菲特不能预测他的某个股票明天的涨跌及其幅度,但他对於其1年后甚至5年后的趋势却预测得非常准确。

        • 家园 您说得对

          我的意思主要是不要太迷信模型,因为这个系统太复杂,现有模型还不能完全模拟,无论长期还是短期。即便是巴菲特,我也不认为他的模型水平多高,他的分析能力虽然很强,运气更重要。

          说实话,写了这些东西,可能有些人会觉得现有的分析和模型结果都不靠谱,无论科学家还是政客都在胡说八道,我完全不是那个目的。人类能把大气/海洋这样复杂的系统模拟出来,个人是非常敬佩的,科学的力量很了不起,我对人定胜天充满信心。

          但是,正因为科学的成功,使很多人习惯了简单系统和经典力学/热力学,容易轻信,所以我才要提示大家对模型甚至科学家的结论保持一定的怀疑。怀疑一切,是做科研的最重要的基本素质。

          科学家应该就像是孩子,他喜欢做研究,请大家掏钱,有时纯粹是烧钱,就像孩子要买玩具一样,但是,我们还是鼓励他,因为人类都好奇,而且大部分时候的研究结果是很有用的。现有的体制把科学研究变成了产业,引诱科研从业人员申请经费时胡说八道,这是异化的结果。至于政客,他的职业就是忽悠,如果你完全相信他,只能怪自己。

      • 家园 你替村长回答了一个问题

        一直在找和水循环有关的东西,实在是没有多少。你在这里一说我明白了为什么。难怪一个什么人在自己的数学模型里可以把水减掉,然后说十天就回来了。我看了心里总是不太舒服。正常情况下,这种极端情况对一个非线性模型来说常常会导致不收敛的结果。能够在这么极端的条件下收敛,原模型一定忽略了一些强耦合的因素。你在这儿说海气耦合基本上还是未知数。那就难怪大气模型不稳定了。一个以百万年做单位的系统会在亚稳态上平衡才是奇闻。模型不稳定一定有一个强耦合的关键因素没有考虑到,我想这个因素应该就是水循环了。

        • 家园 不知是哪一个问题

          大气系统的反馈时间比较快,最早的数值模型基本是以大气动力为基础来预测天气的。有趣的是,气象里一般5-10天就属于中长期预报,基本上是预报的极限了。在这么短的时间尺度内,海洋起不到太大的作用,但地表蒸发和空中的水汽凝结及降水还是要考虑的,特别是台风完全是靠水汽提供能量的。不知您说的忽略水循环指的是什么。

          气候模型与气象模型的最大区别在于辐射及海气耦合的加入。我在文章里描述了很多困难,但老实说,现在的数值模型并不差,主要是观测数据还跟不上,有些反馈机制也不能很精确地确定。但也正是由于这些不确定性带来的挑战,才使得这个问题在科学上这么有意思。

          大家都知道,科学的目的是解答未知,科学家的动力应该是好奇心。现代社会里,大部分科研人员都被项目、资金等指挥,为了拿到资源,项目申请和报告很容易夸大其词,吹嘘一些重要性之类,忘记了科学的本来面目。这些人更多的把科研当作一项工作,而不是理想和追求了。

          全球变暖的问题现在有些政治化,本来很纯粹的科学讨论已经被政客们主导。IPCC是个准官僚机构,科研水平是谈不上的,其报告是一个标准的大杂烩,各方的观点都可以找得到,很适合作为入门读物,但离一线研究还有一定距离。Jim Hansen和Dick Lindzen都是专业水平很高的大师级人物,在各自领域中有深厚的造诣,但由于政客的利用,两人都经常在国会为全球变暖问题作证,他们之间的争论很难不带点儿其它味道。这就是所谓科学的异化吧。

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