早在十九世纪，人类就已经察觉到人为活动可能对地球气候产生影响了。著名法国数学家傅里叶（Jean-Baptiste Fourier）在1827年认识到大气有如玻璃瓶，会把阳光的热能困在其中，这后来发展成“温室效应”观念，而那正是全球暖化的主要成因。1896年瑞典化学家亚雷尼乌斯（Svante Arrhenius）首次留意到大气中的二氧化碳浓度上升会导致气温上升。到二十世纪，人类开始发展监测大气二氧化碳含量及其它全球环境指标（例如气温、降水、冰盖等）的系统性研究。1970年夏天，麻省理工学院赞助了一个为期一月的工作坊，邀集四十多位知名科学家和专业人士就不同污染物的排放率、排放渠道及其对全球影响提供意见1。笔者当时犹在香港中文大学攻读物理本科，无意中在胡忠图书馆得见此报告，深为其视野之弘远以及与人类前途关联之密切所触动，自是对大气科学发生兴趣，迄今已三十余载，回溯前尘，实感慨系之。
一 IPCC计划
今天，透过国际合作，我们对地球气候系统以及人为活动潜在影响的理解，获得了巨大进步。联合国政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）公布的一系列评估报告，代表了科学界在这方面知识最完整、最权威的总结。以下我们先就此计划作个简略的综述。IPCC委员会在1988年由联合国环境计划署（Environment Programme）与世界气象组织（World Meteorological Organization）联合成立，责任是就全球气候变化的技术和社会层面，向 世界提供客观而具透明度的建议。委员会属下分为三个工作小组，分别负责评估科学资讯，评估社会经济影响和制订应对措施或者缓和策略。它本身并不做研究，但成员在气候研究方面都各有专长，所以可视为全球性的专家会议。它分别在1990、1995、2001和2007年发表了评估报告。为准备这些文件，各小组都建立了缜密的程序：报告的每一章先由熟悉有关课题的专家团队撰写初稿，然后要经过两轮评议，第一轮由其它专家审议，第二轮由专家会同各国政府代表审议，最后定本还要由作者以及各国政府代表在全体大会上议决通过；至于浓缩的《致决策者摘要》（Summary for Policymakers）也同样要由大会字斟句酌，然后才批准发表。
IPCC那么慎重地草拟和发表的多份评估报告，自然都成为了国际合作应付气候变化这全球性问题的里程碑。1992年在里约热内卢制订的《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change，简称UNFCCC）就是以委员会第一次评估报告为商讨基础。1997年的《京都协议书》（Kyoto Protocol）要求缔约国承诺致力减低二氧化碳和其它温室气体排放，其动力来自第二次评估报告。至于UNFCCC缔约国周年大会则以第三次评估报告的最新资料作为其讨论基础。如今万方期待的第四次评估报告也由第一、第二、第三工作小组分别在2007年2月（巴黎）、4月（布鲁塞尔）和5月（曼谷）隆重发表了，这是整个气象学界多方交流与合作的成果。例如，第一工作小组（科学基础）报告即由40个不同政府所提名的150位主要作者以及450位辅助作者合作草拟，其工作量之繁重，可见一斑。笔者及本研究实验室的多位同事有幸参与其事，深感荣幸。此草稿由600多位评审员审核，他们一共提出了30,000项意见；然后各位作者又就评审员的每项意见作出回应，并且要得到评审员的认可。最后，由113个国家派出的300位代表，经过了四日四夜马拉松式的逐字讨论及修订后，才得以完成《致决策者摘要》这份总结性文件。
第一工作小组的第四次评估报告分十一章，全长将近千页之谱，内容涵盖了所有关于气候变化的科学课题。这篇短文目的就在于为本刊一般读者概括介绍该报告的主要内容，包括影响气候的大气成分、气候系统各部分录得的变化、这些变化与人类活动关系的概况、数值模型对未来气候变化的预测，等等。本文所引用的数据都来自该评估报告，有意作更深入了解或者研究的读者请参阅报告原文2。
二 气候变化的人为驱动因素
温室效应的基本原理并不复杂，笔者在十多年前已撰文解释过3。简单地说，地球吸收了太阳辐射能量之后，倘若要保持平衡，就必须释放出相等能量到太空中去。地球表面温度比太阳低，所以散失能量的机制以红外线的辐射为主。然而，地球大气层中某些气体对于可见光和红外辐射的作用是不一样的：以可见光为主的阳光可以透过这些气体射进来，但这些气体却会阻挡地球表面射往太空的红外辐射，从而把相关能量再辐射回地球表面。因此，这些气体的作用正如傅里叶所说，好像温室的玻璃幕墙，一方面让阳光通过使温室内部变暖，另一方面阻碍温室内的能量逃逸出去，从而阻止温室内的能量散失。因此地球大气中的温室气体浓度愈高，平均而言，全球的温度也就愈高。这个机制的基本原理已经十分清楚了，目前仍然在进行的大量研究则着重于它在不同地理区域的作用。这方面的研究仍然非常困难，问题在于气候系统里面有许多高度互动的复杂过程，它们在不同时空尺度发生作用，其中涉及大气、海洋、冰雪圈（例如大陆和海洋的冰层）、地表（例如植被、地下水源、河川）、水文循环（云层、降雨），等等。
人类活动产生的温室气体，最重要的有二氧化碳、甲烷和氧化亚氮。图1显示这几种气体二千年来在大气中的浓度变化。二氧化碳的主要来源，一是燃烧化石燃料，二是毁林及燃烧木材等生物质。以南极钻探出来的冰芯纪录推断，二氧化碳浓度的自然涨落范围是180-330ppm（parts per million，即百万分率，180 ppm=0.018%）。但人为排放所造成的二氧化碳浓度上升，则远超过这个范围。工业时代前夕（1750年左右）浓度为280ppm，到2005年则已经上升至379ppm，而当代二氧化碳的增加率为每年1.9ppm。甲烷的主要来源是农业活动和燃烧化石燃料，它们使甲烷浓度从工业时代前夕的715ppb（parts per billion，即十亿分率）上升到2005年的1,774ppb，远远超过自然涨落范围（320-790 ppb）。氧化亚氮浓度从工业时代前夕的270ppb增加到2005年的319ppb，这增幅的三分之一是由农业活动所致。除了以上三种气体之外，我们知道对流层的臭氧（这是由氧化亚氮及一氧化碳的排放及其化学变化所产生）及卤碳化合物（主要来自工业溶剂、冷却剂及塑料），对地球气候暖化效应也有作用。
各种温室气体对于辐射的作用有不同强度的影响。根据第四次评估报告，这些效应可以用所谓“影响因素”（impact factor）衡量，而某大气成分（以2005年录得的含量为标准）的影响因素，则定义为由该成分气体所导致的，通过地球表面单位面积的功率变化。比较影响因素可知，二氧化碳对温室暖化效应的贡献最大，其强度为每平方米1.66瓦，这大致相当于距离一个40瓦电灯泡1.5米处所感受到的热。与此相比，正午太阳照射的功率密度为每平方米1,380瓦。甲烷、氧化亚氮、对流层臭氧和卤碳化合物的影响因素分别是二氧化碳强度的29%、10%、21%和20%。
人类活动所排放的，除了温室气体之外，还有大量悬浮微粒物质，而且排放量正日益增加。这些微粒通称“气溶胶”（aerosol），它们无论是固态、液态、固液混合态，都非常之轻，足以悬浮于空气之中。气溶胶的主要成分是硫化物、氮化物及不同形式的碳和尘埃。近年世界各地的人口密集区出现朦胧天色的频率明显增加，这现象可以归因于大气中气溶胶的含量上升。这些微量物质对气候系统也有重要影响，其中最直接的是将阳光反射回太空，因而减少了到达地球表面的太阳能量，产生冷却作用；此外，悬浮粒子还可以成为水气凝结成微细水滴的核心，因此会导致云量增加，由于云层会加强阳光反射，所以气溶胶还有间接冷却作用。据粗略估计，气溶胶的直接与间接冷却作用会分别抵消30%与42%之多的二氧化碳暖化作用，即统共抵消达72%。另一方面，所有其它温室气体（即甲烷、氧化亚氮、臭氧和卤碳化合物）的暖化作用合计，则大约相当于二氧化碳的80%，这与气溶胶的冷却作用正好大致相抵而略有余，因此全部温室气体加上气溶胶的作用，就大致等于二氧化碳的单独暖化作用。
不过，必须强调，上述气溶胶的冷却作用，其强度及空间分布都只是非常粗略的估计而已：它直接引起的全球平均冷却强度，估计值上限比下限高9倍之多；间接作用的估值上限比下限也高达6倍。它所驱动的气候反应估值之所以会有如此巨大的不确定范围，主要反映我们对气溶胶、辐射传递、云层形成等不同过程及其相互作用的认识还是非常有限，这可以说是气候变化研究中最薄弱的一环。
三 近年观测所得的气候变化
科学家花了很大工夫重构地球近年的气候史，但这类研究非常困难。主要原因有两个：首先是气候本身有大幅度和频繁的自然变化，这掩盖了相对细微的长期趋势，也就是说“噪音”掩盖“讯号”，而这问题在地区性现象尤其严重；其次是在不同地区、不同时期以完全不同手段（例如直接量度和以卫星遥感技术推断）测量所得到的许多数据难以互相比较。无论如何，通过大量努力，我们对关键气候指标演化的认识，较以前已经不可同日而语了。其中最值得留意的，是下列的长期趋势。
1906至2005年期间，全球地表平均气温上升了0.74℃。在二十世纪，全球有明显愈来愈厉害的暖化趋势。过去五十年的趋势值，比整个世纪的趋势值还大一倍。在1995至2006年这十二年间，有十一年是1859年以来仪器录得温度纪录中最热的年份。此外，在地球表面以上数公里的大气层，最近数十年也录得相似的暖化速率；同时暖化也正在全球海洋发生，深至 海底3,000米都录得温度上升。
陆地冰盖或雪盖范围，包括高山上的冰川和冰帽，正在缩小。格陵兰和南极冰棚正因冰流速增加和额外融化而缩小。
二十世纪全球海平面上升了0.17米，在1993至2003年期间上升趋势明显加速。在此十年间，57%的升幅是海水因温度上升而膨胀，28%是由于冰川或冰帽融化，15%是由于格陵兰及南极冰棚的融化。
基于这些观测证据彼此之间的一致性，第四次评估报告明确指出，气候系统最近的暖化已经是“无可置疑”。把上述仪器录得的气候纪录与古气候史指标（这是靠诸如树木年轮和冰芯等间接数据推断出来）相比较，暖化结论就得到进一步支持：这研究显示，倘若以五十年为一期，那么最近一期（即过往半世纪）的温度升幅，远远超越过去1,300年间任何一期的升幅。
除了上述全球性数据，下列尺度较小的区域性气候变化也很值得留意：
北极洋海盆的暖化速率是全球平均值的2倍。自1974年以来，此地区的海冰范围在夏季以每十年7.4%的速率缩小；过去二十年间此地区的永久冻土层温度上升了3℃。高纬度地区暖化加剧，部分是以下正反馈循环的结果：温室效应产生的暖化加速冰雪融化；冰盖、雪盖消失则减低陆地和海洋表面对阳光的反射率，这导致太阳辐射吸收增加，由是暖化加剧，原初引发这过程的扰动得以再次加强，形成不断增强的循环圈。
许多地区都有详细降水纪录，从而可以整理出长时间尺度的趋势。或许读者最有兴趣的应当是，北亚和中亚部分地区降水量上升，南亚部分地区降水量下降。过去三十年间，尤其在热带和亚热带地区，旱灾愈来愈严重，灾期愈来愈长。陆上极端性的降水事件（雨雪霜雹等）的次数也愈来愈频密。降水的长期变化与大气层的气流系统有关，而大气环流则受制于海洋和陆地表面的边界条件。温室气体和气溶胶对这些边界条件都起着一定作用，从而亦影响到各地的降水状况。
与全球温度的上升趋势相关，酷热天气（例如持续热浪）愈来愈频密，寒冷天气则愈来愈罕见。
观测证据显示，近数十年北大西洋强烈热带气旋（飓风或台风）的活动更形活跃，这可能与海面温度上升有关连：海水蒸发率和大气的水气含量上升导致热带对流区所释放的潜热增加，这就为更多、更强热带气旋的形成提供了额外的能量。
四 人为因素对近年气候变化的影响
科学界目前正在努力探索，人为排放的温室气体和气溶胶，究竟在多大程度上能够解释近年气候变化的各类讯号。在这方面最重要的工具，就是由各研究机构（包括中、日、韩各地的研究中心）所发展的气候模型。模型基本上是反映气候系统运作机制和相关物理定律的复杂计算机程序，通过这些程序，就可以仿真种种现象和过程，例如大气和海洋运动、不同波段辐射的能量传递、云量和降水、大气海洋之间和大气陆地之间的能量和动量传递、植被和地下水系统的效应、陆冰和海冰生成和消融机制，等等。较全面的模型更考虑到大气圈、水圈、生物圈这些不同储存库内微量成分物质的交换与输送。这些模型具有动态功能。这动态功能主要是指两方面。第一，它可以根据某个时间的起始状况，以及其后相关条件的改变（例如日照和火山爆发所释放到空中的灰尘），来计算该时间之后的气候变化，这就成为气候预测的根据。第二，在气候变化的计算中，它还可以作出不同的假设，从而辨别各类特殊因素的效应。例如，模型可以对大气中的温室气体浓度作出各种不同假设，甚至假定完全没有人为排放温室气体。我们将计算所得结果比较，就可以分辨出人为排放的温室气体在过去百年或者五十年对于气候变化所产生的作用，倘若再将之与实测数据比较，则论据就更为确切不移了。除了温室气体以外，人为排放气溶胶的后果也同样可以通过模拟而确定。
上述模拟研究提供了全面和坚实的证据，证明人类活动确实是导致近数十年暖化趋势的主要因素：除了地表温度以外，海水温度、海平面、极端降水、极端冷热天气出现频率、风向与风力分布、热带气旋活动等许多气候指标观测所录得的变化，在不同程度上都可归因于人类活动的影响。科学工作者对温室气体和气溶胶也分别进行了模型实验，用以评估它们对气候变化的影响。这些工作印证了气溶胶引起的冷却作用，的确部分地抵消了温室气体产生的暖化效应。再者，仔细审视这些及其它实验的结果，我们对不同驱动因素引起特定气候反应的物理机制，也获得了更深刻的科学理解。
五 对未来气候变化的预计
用以模拟上世纪气候的追溯性模型也可以用作预计未来气候变化的工具。我们只要以近期情况作为初始设定，就可以逐步推演出二十一世纪及以后的情况。当然，在这个实验过程中，大气中温室气体和气溶胶含量水平的时间变化，需要根据不同“排放情景”来设定，也就是成为输入数据的一部分。至于“排放情景”本身，则要根据未来经济、人口、燃料用量组合、经济与环境政策融合程度等因素来构造。具体而言，我们着重考虑的有下列三个“排放情景”：
B1（低排放量）：世界迅速转向服务型和信息型经济；世界人口在二十一世纪中叶达到最高峰，然后下降；迈向社会经济、环境可持续发展的全球性方案受到重视；清洁和有效运用资源的技术得到大量采用；2100年二氧化碳含量等效水平约为600ppm。
A1B（中排放量）：经济迅速增长；人口趋势与B1相同；不同地区的文化、社会经济出现融合；化石燃料与非化石燃料的用量比例达至平衡；2100年二氧化碳含量等效水平约为850ppm。
A2（高排放量）：经济、技术发展以地域为主导，因此显得不协调；人口持续增加；各区域强调自力更生和保持本土特征；2100年二氧化碳含量等效水平达1250ppm。
由此推算出的全球气候变化预测，可以概括介绍如下：
根据低、中、高排放量三个情景估计，二十一世纪全球平均表面温度的总升幅分别是1.8℃、2.8℃、3.4℃，但在未来二十年间，三个情景中的暖化趋势都是每十年平均升温0.2℃左右；即使人为驱动因素保持在2000年的水平，未来二十年间升温也会达到每十年0.1℃。但在二十年之后，升温则会加剧。即使人为驱动因素在2100年之后能够固定在低中水平，到2200年温度仍然会再上升0.5℃左右。
根据低、中、高排放量三个情景估计，二十一世纪海平面总升幅的范围分别为0.18-0.38米、0.21-0.48米、0.23-0.51米。即使人为驱动因素在2100年之后能够固定在中等排放水平，由于热量传递至深海的速度很慢，所以海水仍会继续因受热而膨胀，效应持续至2300年，届时海平面将再上升0.3-0.8米。如果暖化长期持续，使格陵兰冰棚完全融化消失，则海平面会再上升约7米。这个幅度的上升会使中国东部及南部海岸许多低洼地带被淹浸，包括香港、广州、上海、天津一带的人口稠密地区。
大气中二氧化碳的寿命相当长，海洋对温室效应的反应也十分缓慢。因此，由过往及未来人为二氧化碳排放所引致的温度与海平面上升现象，将会持续千年以上。
除了上面提到的全球平均值，气候模型也能预计不同地区的变化情况。
由于海水热容量比陆地表面大，大陆上的温度升幅度会明显比海洋或者全球平均值为高（图3）。由于前面已经讨论过的冰雪融解所产生的正反馈，北极地区及高纬度地区，预计将是暖化最厉害的区域；至于南方海洋及部分北大西洋的暖化程度，则由于海洋环流的特殊结构（那有助于减低温室效应所造成的暖化）而会显得较弱。
到二十一世纪末，预计中国大部分区域的温度会上升2-4℃。分析中国不同城市当前的气候数据，就可以推算出，一个世纪后青岛全年平均温度将约略等于今天的上海，哈尔滨夏天气温将接近今天的北京，福州冬天气温将接近今天的广州。
大部分模型都预计高纬度地区降水量有10%以上的增加。这个气候反应，部分是由于强西风带和温带风暴的极向移动，部分也由于此区域内暖化加剧导致局地气团含水气量增加。赤道附近对流性雨带将会增强，而南北半球亚热带地区则出现稍阔的降水减少地带。这很可能是由于此地区的大尺度大气环流圈强度和空间范围因温室暖化而改变。中国地区最值得留意的讯号是华北在冬季降水量的增加。
模型也预计地面上的雪盖范围将缩小，特别是南北两极地区海冰范围持续缩小。事实上，北极海冰可能在二十一世纪末的夏季完全消失。另外，极端高温及高降水量天气出现的频率将大大增加，从而导致热带气旋增强。
模型预计，随着气候暖化，海洋及陆地储存库对大气中二氧化碳的吸收将减少，因此人为排放的二氧化碳将有更大比例留在大气中。这种由温室气体导致的气候变化以及地球碳循环之间的反馈作用，到2100年可能导致温度额外上升1℃以上。
气象学者长久以来十分关注大西洋盆地内的一个大规模海洋环流圈的未来动向。气候历史纪录显示，此环流系统的强度变化可能引起地球不同地区气候的突然变化。近年的一篇报导已对这个现象发生的机制有详细描述4。有推测指，温室效应加剧所造成的暖化，可能减低北大西洋近表面北向暖流的流量，因而导致北欧及部分北极盆地温度下降。第四次评估报告的模型预计结果显示，二十一世纪大西洋环流大约将减慢25%，情况并不算十分严重，它由此产生的冷却作用，将被温室暖化的大趋势所掩盖。
六 确定与不确定
比较一下IPCC第四次评估报告与过往三份报告所载的研究结果，就会发现我们对气候变化的科学理解及预测能力都已经有大幅度进步，这有赖于以下因素：获得更完整的观测和模型推算数据；对数据所含信息有更精确的推断和比对；改良模拟相关过程的模型；以及发展共同准则来衡量各模型预测的可信程度。由于这些进展，我们对第四次评估报告所着意提出的部分结论，和对过往与未来气候变化的量化估计，都有了更大信心。最根本的是，报告实际上肯定（即这有超过95%机会正确）气候暖化的趋势在二十一世纪将会持续，而全球气候在过去五十年的变化不能单单归因于自然驱动因素（图3）。下列评估结果也都有很高的置信水平，也就是有很大机会（超过90%）是正确的：
观测录得的温室气体人为排放量上升，是1950年代以来平均温度上升的原因。
预计二十一世纪的气候暖化和其它变化将较二十世纪严重。
在1960年代后，出现寒日和寒夜的频率减少，而暖日和暖夜的频率增加；预计温暖期和热浪频率，在二十一世纪将会增加。
预计在二十一世纪，世界大部分地区出现大幅降水的频率，及在高纬度地区的总降水量都会增加。
格陵兰冰棚和南极冰棚缩小，是1993至2003年间海水水位上升的部分原因。
虽然我们对气候变化的科学知识已增加不少，但是仍有几个层面是我们仍未能充分掌握的。未来更准确和更可靠的评估有赖以下研究领域的进展。
对于各地云层的不同特性（例如云的种类、云顶和云底的高度、对辐射的反射率和吸收率、降水形式和降水量等等）、云层和降水变化与相关大气环流之间相互作用、温室效应加剧造成的暖化对两者的影响，我们的理解仍然有限。
格陵兰与南极冰棚的状况对海平面的变化有莫大的影响。陆冰表面质量平衡过程的性质，冰流的动态机制对预计冰棚未来状况十分重要，而我们对这些过程和机制的了解仍然是很初步的。
由于需要气候变化的区域细节数据，我们得不断努力去了解及预计在小空间尺度中，气候对不同驱动因素的反应。这些工作可让我们更全面地认识区域气候过程之间的相互作用，也让我们能进行更高空间分辨率的气候模型实验。
我们需要更详细地评估气候变化对各地天气现象的统计特性（例如所谓十年一遇、百年一遇等不同严重级别事件的机率分布）的影响。气候变化会导致恶劣天气事件（如洪涝、干旱期、热浪、强烈热带风暴）的频率和强度发生变化。上述的评估研究能提供这些变化的资料。相比于长期平均变化（例如每月平均或每季平均），这些局部和短期变化实际上对社会经济的影响更为重要。
七 结 语
比起1970年麻省理工学院的研究5，IPCC评估报告无论是广度、深度都不可同日而语了，这是过去数十年来气候科学成熟的见证，它的进步使得我们能够对人类活动如何影响环境有了更深切的了解。现在，全球气候变化问题已经进入很多国家政纲的前列。今年奥斯卡得奖纪录片《难以忽视的真相》（An Inconvenient Truth）十分瞩目，票房收入高达五千万美元，至今售出的光盘达一百五十万片。这显示了公众对全球暖化问题的高度关注：人为气候变化是人类在二十一世纪的关键问题，这一点已经不再受质疑了。
最后，我应该回到作为上述一切观察和分析根据的IPCC文件来。它是全球气候科学工作者多年合作的结晶，我们期盼它所开展的大量课题具有足够挑战与吸引力，能够启发更多新进科学家投身于这方面的研究工作。事实上，气候科学是年轻人的世界：为了保证第一工作小组的第四次评估报告观点中立而具创新性，在撰写报告的150位主要作者中，从未参与过往报告工作的占四分之三，在最近十年内取得最后学位的达三分之一。由此可见，气候变化研究的火炬已经传给年轻一代科学家。第五次评估报告将在2013年左右发表。我们很乐观，到时候更年轻、受过更好训练的新一代科学家将会站出来，为我们讲述人类对地球气候系统在其时和未来变化的最新评估。
（颜兆辉 译）
注 释：
1、5 Report of the Study of Critical Environmental Problems, Man's Impact on the Global Environment: Assessment and Recommendations for Action (Cambridge, MA: The MIT Press, 1970).
2 IPCC第一工作小组第四次评估报告全文，包括致决策者摘要、技术摘要及其它十一个独立的章节，可于网站www.ipcc.ch浏览或下载。
3 刘雅章：《二十一世纪的环境危机：阳光与空气》，《二十一世纪》（香港中文大学．中国文化研究所），1994年2月号及4月号。
4 刘雅章、陈方正：《在大气与海洋之间》，《二十一世纪》，2005年2月号。
刘雅章 普林斯顿大学地球物理流体力学实验室/美国国家海洋大气总署高级研究员及气候诊断研究组组长，并兼任普林斯顿大学大气海洋学教授。 （出处：《科学中国人》2008年第二期） [推荐给朋友] [关闭窗口]
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