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主题：【翻译】气候变化的证据和原因 -- yuwei2341
家园 【翻译】气候变化的证据和原因 小弟08年得知西西河，11年注册，一直在潜水，从未有发言。原因就是觉得大家层次都很高，对自己领域都非常了解，所以能侃侃而谈。可我博士虽近毕业，自觉也只是对自己学科的某一方向的一小块在某个时间尺度内初窥了门径，没高度没文笔，积不厚而不能发。但又实在忍不住，很想做些“贡献”，所以想翻译一篇新近出版的关于本专业的科普小册子。究竟是献“贡”献“丑”，是清是浊，大家见仁见智。但看在苦劳份上，请轻拍。
我是气候专业，要讲的话题是关于气候变化。我知道这在河里是不太讨好的话题。很多人认为这是美帝用来挟制中国的工具。所以我想先声明几点：
1. 屁股决定脑袋。这是我在河里常看到的一句话，很赞同。同样身在美帝，接触同样的人和事，有人喜欢网易，但我喜欢西西河。喜欢网易的人里也不乏学历、见识比我高的人，说起话来有理有据。我也不相信他们都错。所以只能归为屁股决定脑袋。我自认出来读书心还是向着中国的。
2. F**king science。这是我在校内写的篇文章的题目。文章写Science杂志在京都议定书签订前夕发布了篇证明北美大陆存在一个很大的二氧化碳的汇(sink)。这篇文章错得非常离谱，但居然发表了。相信它为美国拒绝签订京都议定书打了底气。我知道科学和政治是不可能没关联。但我觉得，一般地，政治确实决定了科研的大方向——比如给黑炭(black carbon)的funding多些，就会看到很多关于黑炭的排放与导致气候变暖、降雨减少的文章，作为黑炭排放（燃煤）大国，中国自然就成了众矢之的。但在这个方向内发表的科研结果，即便将来会被推翻，在当前知识和观测条件上，还大多是合理的。我用这么多限定词，并且避免用“真理”这个词，就是我认为科学本身就不是真理。它和星象学一样，只是种认识和描述世界的方法以及对世界的描述。不过相比星象学，科学更定量，更借助理性，对发表的结果有一套很不完美却行之有效的评测方法。
3. 师夷长技以治夷。这是总结。不管你信不信气候科学。它确实可以被用来，并且在被用来作为政治和外交的砝码。知识就是力量。你对这个领域了解多些，多些研究，说话就更有底气——这和买东西讨价还价区别不大。而且如果气候变化是真的，那一个国家越早采取措施应对就越有利。
总结的总结：
1. 这个册子内容很浅，而且估计一些内容在河里有讨论过。我先试着翻译几章，如果大家觉得无聊或者重复，我就不继续了，不如找些更有意义的来翻译。
2. 希望大家讨论——我说了我只是初窥门径，相信经过讨论我也能对本学科更加了解。不过更欢迎用脑袋而不是用屁股的讨论，因为通过前者事实才能越辩越明。
通宝推：桥上,方解石,里海虎,发了胖的罗密欧,牛栏山二锅头,胡一刀,家园 4. 太阳在最近几十年的气候变化中的角色是什么？ 太阳是驱动地球气候系统的主要能量来源，但其变化在近几十年来观测到的气候变化中起到作用很小。自20世纪70年代末开始的直接的卫星测量显示太阳能量输出并没有净增加，而在同一时间全球表面温度却有上升[见图] 。
在较早的时候，人们对太阳的变化并不太确定，因为这些变化是从间接来源推断的。这些间接来源包括太阳黑子的数量，和某些形式的碳或铍原子（同位素）的丰度——这些同位素在地球大气层的生产率是受到太阳变化影响的。在11年的太阳活动周期中，太阳的能量输出大致变化0.1 ％。有证据表明， 这个11年活动周期可以影响平流层（大气中对流层上面那层。通常由于纬度和季节的不同，平流层范围在从12到50千米）臭氧浓度、温度和风速。这些平流层的变化在这11年的周期里可能对地表气候有些小的影响。然而，现有的证据并没有显示在过去的一个世纪里太阳的能量输出有明显的长期变化。而同时，人类引起的CO2浓度的增加一直在长期的全球表面温度增加中占主导地位。进一步的证据表明，目前的变暖并非由于太阳的变化。这些证据可以在大气温度变化随高度的变化趋势中找到（见问题5 ） 。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图：观测显示，在过去30年中，太阳对地球的入射能量（下图）没有净增加，因此太阳对地球的入射能量无法解释这段时期内的变暖。（温度，上图）数据显示只有很小的周期波动与太阳的11年周期有关。图像来源：Keith Shine.数据来源：总太阳入射能量：Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos, Switzerland, 减去了4.46 W m-2以使其与2008年的入射能量最小值（Kopp and Lean, 2011）符合; 温度：the HadCRUT4 dataset, UK Met Office, Hadley Centre
家园 3. 自然条件下大气中本来就有CO2，那么为什么... 人类活动排放影响还很大呢？
人类开采长久以来埋藏在地下的化石燃料，通过燃烧它们获取能量，并向大气中释放出CO2。这样的人类活动已经显著干扰了自然的碳循环。
在自然界中，CO2通过光合作用、呼吸作用和分解作用在大气与动植物之间交换；并且通过气体交换在大气和海洋之间相互转移。火山爆发也释放出少量的CO2（约为化石燃料燃烧排放的1 ％）。以上这些过程与岩石的风化作用平衡（组成了自然的碳循环）。
2012年的CO2水平比19世纪高约40％。这些增加的CO2大部分来自1970年以后，也大约就是全球能源消耗加速的时候。观测到的其他形式的碳元素（指碳的同位素14C和13C）在碳总量中的比例的减少，以及大气中氧含量的轻微减少（这项观测起始于1990年），都表明大气中CO2的增加大部分来自于化石燃料的燃烧（化石燃料中的13C的比例很小而14C为0）。生物圈中的碳元素通常会停留几十到几百年，而森林砍伐和其他土地利用的变化将一些碳元素从生物圈中（提早）释放出来。
这些来自化石燃料燃烧和森林砍伐的额外的二氧化碳已经扰乱了碳循环的平衡，这是因为与人类活动增加大气中二氧化碳的速率相比，自然条件下恢复碳循环平衡的速率实在太慢了。结果就是，从人类活动排放出的CO2的相当大一部分都积聚在大气中，并且会在大气中停留上千年，而不是几十到几百年。通过比较当前的CO2水平和从冰芯中提取的空气中的CO2水平可以看出，当前的CO2浓度比过去至少80万年中的都要高（见问题6 ） 。
家园 2. 科学家怎样知道最近的气候变化在很大程度上是由人类活 动造成的？
科学家们从对以下方面的理解得知最近的气候变化是从很大程度上是由人类活动造成的：基础物理，对观测与模式的比较，对人类和自然影响造成的气候变化的不同的具体形式的fingerprinting（不知道怎么翻译，大概意思是通过辨别指纹来反推作案者；根据不同原因产生的效果的不同来分析一件事情发生的真正原因）
自从19世纪中叶，科学家已经知道，CO2是对地球能量平衡很重要的几种主要温室气体之一。对大气中和截留在冰中的CO2的直接测量表明大气中CO2从1900到2012年增加了约40％。对碳的同位素的测量表明这种增加是由人类活动造成的。其他温室气体（特别是甲烷和水气）也由于人类活动而增加。自1900年以来观察到的全球表面温度上升与依据观测到的大气中CO2的上升（和其他人类活动引起的变化）详细计算出的对地球上的能量平衡的影响（而产生的温度变化）是一致的。
不同因素对气候的影响效果不同。这些独特的指纹（影响效果）以以下方式很容易看到：即调查气候变化的地域和季节形式（pattern）而不是研究单一数值（例如地球表面的平均温度）。所观察到的地表变暖、大气的温度变化、大气中水气增加、海平面上升，以及增加的陆冰和海冰融化等区域样式也符合科学家们预期看到的由于CO2水平上升（和其他人类引起的变化）导致的变化形式。
用来预期气候变化的根据是我们对温室气体吸收热量（这一物理过程）的理解。对温室气体的物理的这一基本认识，以及对fingerprint的研究，都表明单靠自然原因不足以解释近期观察到的气候变化。这些自然原因包括太阳辐射输出和地球轨道的变化、火山爆发，以及地球系统的内部波动（如厄尔尼诺和拉尼娜）。气候模式已被用来模拟，如果只有自然因素影响气候系统，会发生什么样的全球温度变化。这些模拟只产生很少的在20世纪的升温，甚至有轻微降温。只有当模式考虑人类对大气成分的影响时所产生的温度变化才与观测到的变化是一致的。
家园 1. 气候在变暖吗？ 是的。自1900年以来地球的平均气温上升了约0.8 ℃（1.4 °F），其中大部分发生自1970年代中期（图1a）。范围广泛的其他观测资料（如北极海冰缩减和海洋热容的增加）和自然界的现象指标（如鱼类、哺乳动物、昆虫等生物中对温度敏感的物种向极地的迁移）一起提供了行星尺度气候变暖的无可辩驳的证据。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图1a. 陆地和海洋观测结合得到的全球平均表面温度，它显示温度从1850到2012年在上升。图中的数据来自三个独立的对观测数据的分析。温度变化显示为与1961-1990全球平均表面温度的差。
最明显的地表变暖的证据来自于广泛的温度计记录。在一些地方，这些记录延伸到了19世纪后期。今天，在陆地和海洋表面上成千上万的地方都在监测温度。对树木年轮和冰芯等替代性指标的间接估计可以把近期的气温变化放在过去的背景下（对比研究）。在地球的平均表面温度方面，这些间接估算表明，1983年至2012年可能超过800年来最暖的30年。
范围广泛的其他观测从整个气候系统的角度提供了气候变暖的一个更全面的了解。例如，大气的底层和海洋的上层也在变暖，北半球冰雪覆盖正在减少，格陵兰冰盖正在萎缩，而海平面在上升[图1b] 。这些各种监测系统进行的观测增添了地球气候正在变暖的现实的可靠性。
外链图片需谨慎，可能会被源头改图1b.除了温度，很多观测证据也显示气候变化。比如，北冰洋夏季海冰最低值（发生在9月）的大幅度下降，北半球春季雪盖的下降，全球平均上层（700米）海洋热容量的增加，海平面上升，都显示了（与）气候变暖（一致）的趋势
家园 第二部分 气候变化常见问题解答 多谢大家鼓励。
本贴翻译的只是一个宣传册。当前第二部分是关于气候变化的常见问题和简略回答——很多是针对气候变化否认者的问题的回答。方便感兴趣的人快速查阅。
如果想要更充实的资料，可以看下面楼里网友介绍的集合里的文章
先贴一个第二部分的目录:
1. 气候在变暖吗？
2. 科学家怎样知道最近的气候变化在很大程度上是由人类活动造成的？
3. 自然条件下大气中本来就有CO2，那么为什么人类活动排放影响还很大呢？
4. 太阳在最近几十年的气候变化中的角色是什么？
5. 关于最近的气候变化的原因，大气温度从地表到平流层的垂直结构的变化告诉了我们什么？
6. 气候一直在变。为什么现在气候变化受到关注了？
7. 当前大气的CO2水平在地球的历史中没有过吗？
8. 存在这样一个点，过了它之后，再加更多的CO2便不会增加变暖吗？
9. 不同的十年间，变暖的速率有变化吗？
10. 最近的变暖速率的下降说明气候变化不再发生了吗？
11. 如果全球在变暖，为什么一些冬天和夏天还很冷？
12. 为什么北极海冰在减少而南极的没有减少？
13. 气候变化如何影响洪水、干旱、飓风和龙卷风的强度和频率？
14. 海平面上升有多快？
15. 海水酸化是什么？为什么有关系？
16. 科学家对下个百年继续变暖这件事有多大信心？
17. 几度的气候变化需要关心吗？
18. 科学家在如何处理我们对气候系统的理解中的主要的不确定性？
19. 一些关于转折点的灾难情景，比如“墨西哥湾流的停止”（就是北大西洋环流的停止）和北极甲烷的释放，需要关心吗？
20. 如果停止排放温室气体，气候会回到200年前的样子吗？
家园 基于计算机模拟的“证据”俺是现在是不信的 因为俺就做过不少计算机模拟，里面可玩的小把戏太多，因为模型里一个假设套着一个假设，谁知道你模拟的东西是不是凑出来的？
就好比，如果模拟真实世界的大气需要1亿个参数，结果你的模型用1万个参数就模拟出来了，这样的模型可信程度如何？
当然了，也有可能你没用到那另外的9999万个参数都是无足轻重，可能对最后的结果根本没有多少影响，数学上这样的情况也是很常见的，我们不可能模拟所有参数，但有时候考虑几个重要参数就足够得出有意义的结果了。。。
但是，这是一个重要的但是，所谓气候模型里面考虑了一些重要的参数嘛？比如水汽－－水是重要的温室气体，而水形成的云又可以反射太阳热量。。。
据俺跟NSF气候方向一个小头目聊天的结果，他说是没有考虑水汽的影响。
所以俺直觉觉得这是凑出来的东西。
当然了，直觉不是科学，直觉不靠谱，欢迎内行反驳。。。
通宝推：mezhan,家园 如果基于模拟的结果不能信，那么基于实验的也不能信 实际上任何观测，任何演算都不能信。因为世界上就没有100%正确的科学理论。如果你“信”的标准是没有误差，置信概率100%的话，那么世界上没有任何可信的科学理论
我觉得，如果你认为自己专业知识很丰富，那就更应该慎言，尤其不能标题党，否则误导没有受过科学训练的人。你的标题的意思容易被人理解成“只要是计算机模拟就不可信”。实际上计算机模拟早已成了众多学科的重要工具
家园 计算机模拟是根据公式来的吧？ 不懂。我想计算机模拟应该主要是根据公式来的吧，然后再在理想的公式计算里面加入各种改正？公式很理想，参数也有限，如果改正里面没有水汽的修正可能就不完整了。
家园 我只能说这个NSF的人说的这句话不靠谱 水汽是最重要的温室气体之一，现在能称为大气环流模式(General Circulation Model, GCM)的，都是有水汽的。
我很好奇这个NSF的人是谁。他所指的模式是什么（NSF是给大家发钱的地方而已，这个人所在的学校/机构是什么？）
确实有人用很简化的“干”模式，不过大多用来研究大气动力的。我看到的关于全球变暖的研究，包括IPCC/CMIP5的模拟，没有用它。
温室气体增多导致升温，依据基本定律是能量守恒和温室气体吸收红外辐射（类比微波炉加热原理）。用一个简单能量平衡模型(Energy Balance Model, EBM)就可以解释。确实根本不需要那么多参数。
事实上，比较早且经典的关于气候对CO2敏感性的文章，The Charney Report(可以直接google，有pdf下载),发表在1979年。里边给出CO2加倍后全球平均升温的估计是3°C +- 1.5 °C。我没有通读这篇文章，但79年的模式可以想象有多简陋（也许就是个EBM）。但如今各种精细的模式模拟到的结果和它基本一致，只是置信区间更窄了些而已。原因就是这个结果是有基本物理定律限制的，不会差到哪里去。
模式不断加入参数，只不过试图更准确些；对其他量比如降雨，或者对小的区域，模拟更好一些。在这个发展过程中，确实会用不同的参数，并且根据观测来调整，而目的是使模式对关心的量或区域模拟更准确，从而更有针对性的研究。一个对中国气候模拟好的模式，很可能对欧洲模拟不好，这主要就是参数选择的原因。但无论如何选择，它们对全球平均温度模拟的影响是极小的。
所以套用老话，严格的说，"all models are wrong";但是对具体的目的" some models are useful"。而对全球平均温度的模拟来说，考虑了基本物理规律的模式还是靠谱的
通宝推：北纬42度,家园 云的因素考虑了吗 云会大量反射阳光啊，这可不是温室气体吸收热量的简单物理模型就能处理滴。。。
不怪那位NSF的哥们，怪俺表述不准确，人家说的是没有完全考虑水汽的各种影响。他听到我问到云，就开始扯各种政治正确的东西乐，俺就一直追问，最后嘛。。。
没记错的话去年年底俺还在Nature上看到一篇关于云对各种气候模型影响的论文，俺不是这个专业的，就扫了一眼标题，只是觉得很搞笑，这么基本的东西到现在都没整明白呢，但七八年前就有人敢定量的告诉我们：人类活动对气候变化影响的可能性达到90%以上，是不是韩国的都教授穿越回去告诉大家的啊？？？
- 复 云的因素考虑了吗
家园 直观感觉水汽对象全球变暖这种长时间的影响应该没什么变化 现在大气中的水汽含量难道要大大高于几十万年之前？这个可能性不大。水的蒸发量变化有那么大么。
- 复 云的因素考虑了吗
家园 关于模型，不确定性，云和全球变暖（提纲） 你问的问题很好。是关于做科学很基本的东西。但我觉的你的有些理解有偏差，或者是没有仔细读你看到的文献。
这个问题太大，我先试着列个提纲出来。等我有时间（且有能力）之后再详细说。我现在的能力，写出来，总觉得在隔靴搔痒，表达不清楚。希望你看了知道我在说什么
1、模型(model)：任何对客观的描述都是模型（不止是电脑模型，比如质点的概念，比如牛二律，都是模型）——模型都是对真实的近似（和简化）——不能指望，也不需要模型包含所有的现实
2、不确定性(Uncertainty)：这里不是指物理本质的不确定性，而是说由于观测、技术等的限制，研究出的结果的不确定性，包括模型和用它进行的预测的不确定性——不确定性是不可避免的——但是是可以估计、并且限制(constrain)的——一个严谨的定量研究，应该是包含不确定性分析的（这是我上学时得到的比较大的认识转变：从追求确定性到追求限制不确定性）
3、气候模式中最大的不确定性来自对云的模拟（你说的对）——云是很基本，但不基础的东西（复杂的物理过程和尺度）——云会反射太阳光，但也吸收红外辐射——云的变化对全球辐射平衡的变化的贡献是不确定的（甚至包括符号），但是这种不确定性是可以在一定的信心下限制到一定的范围的；并且这个贡献没有影响总的变化的符号——这也是一般给出的对CO2加倍后的全球平均温度的预测会有一个区间的原因之一，这个区间不小，但是即便是下限，也高于1度
4、至于人类活动vs.自然变化。我们有万年计的人类显著活动之前的地球气候自然变化的proxy数据。我们知道过去自然因素变化的幅度（比如太阳辐射）和地球气温的幅度；我们知道现在这两者的变化——不用物理模型，这也足够证明人类活动的影响了——对物理模型，虽然我们强调不知道什么（不确定性），但也该看清我们知道什么（基本物理规律）——它可以给我们定量的（包括不确定性的）各种因素造成的气候变化。
5、想不出个好的类比，将就下：给我石头出手的速度和g，即便不知道地球旋转、风速、阻力系数，我仍然可以估计落地距离，并且有很高的信心；如果风速大、风向不稳，落地会偏差了些，但大致范围有的；而且我知道，只要不是刮台风，如果出手是石头朝正上，落下时会在脚边；如果是斜上，通常会离的远一点。
我觉得你是牛人，而且涉猎很广。但是牛人比较容易有的一个现象是认为自己对涉猎的东西都了解到了能批评的程度，比如谢耳朵。其实仔细想，哪个学科里没有牛人？我们跨学科指出的错误，难道他们都不知道或者知道了还拿出来献丑？
最后，鉴于你在读文章时”就扫了一眼标题，只是觉得很搞笑“，借更牛的人的话奉劝一句："Don't mock what you don't understand"
通宝推：文青,家园 云影响气候的具体因素还不清楚呢 扔石头的例子可以在很高的精度下近似为线性问题，但云的影响显然是高度非线性滴。对于预测这种非线性问题的不确定性，而且所用的模型和参数到现在还没整明白，俺只能呵呵了，您要是知道，可以给俺科普一下怎么算这种问题的不确定性，让俺开开眼。。。
而且没记错的话IPCC是把各已知气候模型取平均算不确定性，这么出来的”不确定性“就更不确定了。。。
说一千道一万，模型的不确定性应该让实践来检验，等个10年20年模型的精度如何也许就知道咯。上次IPCC报告是06年07年？快了。。。
家园 呵呵 扔石头的例子可以在很高的精度下近似为线性问题，但云的影响显然是高度非线性滴。对于预测这种非线性问题的不确定性，而且所用的模型和参数到现在还没整明白，俺只能呵呵了，您要是知道，可以给俺科普一下怎么算这种问题的不确定性，让俺开开眼。。。了解不深入却自以为很了解的是很容易呵呵的。实际上楼主扔石头的例子也是高度非线性的话，如果加上和风场的相互作用的的话。即使在真空中，用经典的牛顿力学描述，也还是非线性的。
而且所用的模型和参数到现在还没整明白，俺只能呵呵了您轻松一句没整明白，不知道是你自己整不明白，还是觉得其他人都整不明白。我觉得要知道别人有没有整明白，首先自己要对这个学科整明白点儿。想要更明白点，单靠和一个NSF的人聊聊天恐怕是不够的。
实际上，气象模式和气候模式的参数化，不确定性，可预测性一直是一个非常活跃的研究方向，著述多了去了，只是很多人不愿意去了解，呵呵一下就dismiss了。