第一讲地球气候系统
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• 两个最近的研究是用末次冰盛期（LGM）气候敏感性与热 带SSTs的模拟关系与LGM的代用资料估算了气候敏感性。 所得结果由于模式中所用强迫不同，LGM SSTs与敏感性关 系不同，而有明显差异。但发现与约3℃的敏感性有最好 的一致性。在1.5-4.5℃范围内有合理的一致。但他们不 能排除大于4.5℃的敏感性。
• 第二个原因来自于它模拟或复制现代气候的能力。 通过与大气、海洋、冰冻圈和陆面观测资料的大 量比较和评估表明，气候模式在模拟许多重要的 平均气候特征与不同时间尺度分布型和变率两个 方面都显示出显著的和不断改进的技巧和成功 （图1和图2 ）。
• 第三个原因是能够重现或复制过去气候（古气候） 和气候变化的特征。
• AR4 AOGCM（耦合非动力平板海洋模式）平均的气候敏感性值是：在 5%-95%范围内为2.1-4.4℃，平均值约3.3℃（对数分布是2.2℃4.6℃，中值是3.2℃）。从TAR之后大尺度气候的模拟及对气候反馈 和平衡气候敏感性诊断与认识有相当的进展，因而对水汽递减率反馈 的信度增加。但云的反馈（尤其是低云）被确认为是气候敏感性差异 的主要来源。通过各种方法对平衡气候敏感性的估算可总结如下： CO2倍增下全球平均增暖或平衡气候敏感性处于2-4.5℃范围，最可能 的值是3℃左右；平衡气候敏感性非常可能大于1.5℃，高于4.5℃的 值仍不能排除，但其与观测和代用资料的一致性一般变差，低于2.04.5℃的敏感性的情况。
图1 20世纪全球平均的近地面气温模拟和观测（黑线）之比较。模拟由14个气候 模式得到，考虑自然和人类活动因子的共同影响。温度距平是相对于1901-1950 年的平均值（IPCC,2007）
图2 全球平均的百年近地面气温曲线（黑线）和14个气候模式模拟的平 均曲线（红色）。垂直灰色线是主要火山爆发时间（IPCC，2007）
• 自TAR后用了新方法建立敏感性与某些可观测量之间的关 系（或直接或通过模式），并且估算与观测相一致的气候 敏感性范围或概率密度函数（PDF）。这些方法主要有两 种：由过去不同时间尺度气候变化的约束条件和由模式集 成得到的气候敏感性结果的散布状况估算气候敏感性。
• 第一种方法用过去1000年地面温度，高空温度，海洋温度， 辐射强迫计算，卫星资料，代用资料的历史瞬变或其中之 子资料集去计算敏感性范围（图3）。大部分结果肯定:气 候敏感性非常不可能小于1.5℃。如果考虑观测的历史趋 势中的所有主要的已知不确定性，不可能排除气候敏感性 超过4.5℃的可能性，虽然这种高值比起2.0℃-3.5℃值而 言，更不可能出现。
• 气候模式的发展之所以受到很大的重视， 主要在于它对未来的气候条件能够提供有 物理依据、比较可信的客观、定量的预测 结果，尤其是对大尺度气候异常和变化的 预测可信度较高。
气候模式的信度来自三个原因
• 一是构建气候模式的基础是一套描述地球系统特 征的物理或定律和数学方程组，它们在物理学和 数学或计算数学领域中是完全被证明和公认的。
Charney的气候敏感性和气候
平衡态争议
• 至今大部分气候敏感性研究是针对平衡的气候敏感性。它 指相当温室气体大气浓度加倍后年平均全球地表温度的平 衡变化。平衡气候敏感性的可能范围在第三次评估报告中 （TAR）估算为1.5-4.5℃.这个数值范围与美国国家研究 委员会早期报告中的范围（1979）即Charney敏感性是相 同的，也与IPCC第一，二次报告中的范围相同。
第16讲 气候变化中关键科学问 题的释疑（二）
目录
• 气候模式的预测是否可靠？ • Charney的气候敏感性及以后的争议 • 气候突变有可能发生吗 • 云的作用－长期争论的一个科学问题 • 温室气体排放一定会引起温室气体大气浓
度和气温增加吗？ • 盖亚理论（J.Lovelock）及其争议
气候模式的预测是否可靠？
图3 （a）由大气温度，辐射强迫和海洋热量吸收的瞬时演变推算（或约束）的PDF 或频率分布；（b）同（a），但给出的是5-95%范围，中值（圆圈）与最大概率值 （三角）；（c）与（d），同（a）一样，但用的是现代气候的约束；（e）与（f） 不同模式的或单一模式多扰动参数的非加权或拟合分布。它们不应被解释为PDF （IPCC，2007）
图4 由观测的20世纪增暖（红色），模式气候学（蓝色）和代用资 料（绿色）得到的气候敏感性之个别累积分布。由图3（a）（c） （e）得到。（IPCC，2007） 注：气候敏感性概念和理论见大气科学一书（科学出版社，2008）
• 除了平衡气候敏感性外，还有有效气候敏感性和瞬变气候 响应（TCR）。这两种敏感性不需要平衡条件，而是根据 演变的非平衡条件进行估算源自文库有效气候敏感性主要是某一 特定时间气候反馈强度的一种度量，可以随强迫过程和气 候态而变。气候敏感性参数（℃（Wm-2）-1）是随单位RF 变化年平均全球地表温度的平衡变化。它用的海洋模式不 像平衡气候敏感性用平板海洋模式，而是用动力海洋模式。 TCR是指20年平均全球地表温度的变化，其中心在大气CO2 加倍时间处，即在70年时间处。也就是说，它以1%/年CO2 增加，用海气耦合模式试验得到的2倍CO2时的全球平均的 地表温度变化。它不像平衡气候敏感性主要决定于大气模 式。它测量的是地表平均温度对温室气体强迫响应的强度 和快慢速率。
气候预测是涉及耦合的非线性混沌系统， 因而未来气候态准确的长期积分是不可能 的。即使有外强迫，但他们具有明显变化 的影响，由于有些是地球以外的过程，十 分不了解，也不可能控制。因而气候模式 不可能很合理和准确的表征他们的作用， 这导致：
• 模式的气候敏感性范围超过Charney的 1.5～4.5℃范围，有的高达11 ℃，有的小 于1.5 ℃，不确定性很大。因而模拟和预 测结果会有很大的不确定性。
• 模式未考虑太阳的变暗和变亮 • 模式未准确地表征和模拟云的作用 • 模式未能模拟水汽的负反馈作用 • 模式未解释观测气候的许多特征 • 模式未能作出可靠的区域气候变化预测
• 因而，有人认为IPCC用的气候模式未能描 述混沌的，无限期的气候系统。他们不能 做出可能的预报。因而不应用于政府政策 的制定。
• 第二种方法是分析GCM中的气候敏感性。在这些模式中，气候敏感性 不是单一的可调参数，而是取决于许多过程和反馈。Murphy等（2004， 非加权的）对29个参数进行取样，并假设个别的作用可线性迭加。最 常出现的气候敏感性值是按3℃左右分组的。但这可能反映了非扰动 模式的敏感性。对于许多方法其共同点是不能排除非常高的敏感值， 这是由于对于十分清楚的物理原因，大部分能够观测的量当敏感性增 加时，其变化率（对敏感性）趋于零（图4）。
• 第二个原因来自于它模拟或复制现代气候的能力。 通过与大气、海洋、冰冻圈和陆面观测资料的大 量比较和评估表明，气候模式在模拟许多重要的 平均气候特征与不同时间尺度分布型和变率两个 方面都显示出显著的和不断改进的技巧和成功 （图1和图2 ）。
• 第三个原因是能够重现或复制过去气候（古气候） 和气候变化的特征。
• AR4 AOGCM（耦合非动力平板海洋模式）平均的气候敏感性值是：在 5%-95%范围内为2.1-4.4℃，平均值约3.3℃（对数分布是2.2℃4.6℃，中值是3.2℃）。从TAR之后大尺度气候的模拟及对气候反馈 和平衡气候敏感性诊断与认识有相当的进展，因而对水汽递减率反馈 的信度增加。但云的反馈（尤其是低云）被确认为是气候敏感性差异 的主要来源。通过各种方法对平衡气候敏感性的估算可总结如下： CO2倍增下全球平均增暖或平衡气候敏感性处于2-4.5℃范围，最可能 的值是3℃左右；平衡气候敏感性非常可能大于1.5℃，高于4.5℃的 值仍不能排除，但其与观测和代用资料的一致性一般变差，低于2.04.5℃的敏感性的情况。
图1 20世纪全球平均的近地面气温模拟和观测（黑线）之比较。模拟由14个气候 模式得到，考虑自然和人类活动因子的共同影响。温度距平是相对于1901-1950 年的平均值（IPCC,2007）
图2 全球平均的百年近地面气温曲线（黑线）和14个气候模式模拟的平 均曲线（红色）。垂直灰色线是主要火山爆发时间（IPCC，2007）
• 自TAR后用了新方法建立敏感性与某些可观测量之间的关 系（或直接或通过模式），并且估算与观测相一致的气候 敏感性范围或概率密度函数（PDF）。这些方法主要有两 种：由过去不同时间尺度气候变化的约束条件和由模式集 成得到的气候敏感性结果的散布状况估算气候敏感性。
• 第一种方法用过去1000年地面温度，高空温度，海洋温度， 辐射强迫计算，卫星资料，代用资料的历史瞬变或其中之 子资料集去计算敏感性范围（图3）。大部分结果肯定:气 候敏感性非常不可能小于1.5℃。如果考虑观测的历史趋 势中的所有主要的已知不确定性，不可能排除气候敏感性 超过4.5℃的可能性，虽然这种高值比起2.0℃-3.5℃值而 言，更不可能出现。
• 气候模式的发展之所以受到很大的重视， 主要在于它对未来的气候条件能够提供有 物理依据、比较可信的客观、定量的预测 结果，尤其是对大尺度气候异常和变化的 预测可信度较高。
气候模式的信度来自三个原因
• 一是构建气候模式的基础是一套描述地球系统特 征的物理或定律和数学方程组，它们在物理学和 数学或计算数学领域中是完全被证明和公认的。
Charney的气候敏感性和气候
平衡态争议
• 至今大部分气候敏感性研究是针对平衡的气候敏感性。它 指相当温室气体大气浓度加倍后年平均全球地表温度的平 衡变化。平衡气候敏感性的可能范围在第三次评估报告中 （TAR）估算为1.5-4.5℃.这个数值范围与美国国家研究 委员会早期报告中的范围（1979）即Charney敏感性是相 同的，也与IPCC第一，二次报告中的范围相同。
第16讲 气候变化中关键科学问 题的释疑（二）
目录
• 气候模式的预测是否可靠？ • Charney的气候敏感性及以后的争议 • 气候突变有可能发生吗 • 云的作用－长期争论的一个科学问题 • 温室气体排放一定会引起温室气体大气浓
度和气温增加吗？ • 盖亚理论（J.Lovelock）及其争议
气候模式的预测是否可靠？
图3 （a）由大气温度，辐射强迫和海洋热量吸收的瞬时演变推算（或约束）的PDF 或频率分布；（b）同（a），但给出的是5-95%范围，中值（圆圈）与最大概率值 （三角）；（c）与（d），同（a）一样，但用的是现代气候的约束；（e）与（f） 不同模式的或单一模式多扰动参数的非加权或拟合分布。它们不应被解释为PDF （IPCC，2007）
图4 由观测的20世纪增暖（红色），模式气候学（蓝色）和代用资 料（绿色）得到的气候敏感性之个别累积分布。由图3（a）（c） （e）得到。（IPCC，2007） 注：气候敏感性概念和理论见大气科学一书（科学出版社，2008）
• 除了平衡气候敏感性外，还有有效气候敏感性和瞬变气候 响应（TCR）。这两种敏感性不需要平衡条件，而是根据 演变的非平衡条件进行估算源自文库有效气候敏感性主要是某一 特定时间气候反馈强度的一种度量，可以随强迫过程和气 候态而变。气候敏感性参数（℃（Wm-2）-1）是随单位RF 变化年平均全球地表温度的平衡变化。它用的海洋模式不 像平衡气候敏感性用平板海洋模式，而是用动力海洋模式。 TCR是指20年平均全球地表温度的变化，其中心在大气CO2 加倍时间处，即在70年时间处。也就是说，它以1%/年CO2 增加，用海气耦合模式试验得到的2倍CO2时的全球平均的 地表温度变化。它不像平衡气候敏感性主要决定于大气模 式。它测量的是地表平均温度对温室气体强迫响应的强度 和快慢速率。
气候预测是涉及耦合的非线性混沌系统， 因而未来气候态准确的长期积分是不可能 的。即使有外强迫，但他们具有明显变化 的影响，由于有些是地球以外的过程，十 分不了解，也不可能控制。因而气候模式 不可能很合理和准确的表征他们的作用， 这导致：
• 模式的气候敏感性范围超过Charney的 1.5～4.5℃范围，有的高达11 ℃，有的小 于1.5 ℃，不确定性很大。因而模拟和预 测结果会有很大的不确定性。
• 模式未考虑太阳的变暗和变亮 • 模式未准确地表征和模拟云的作用 • 模式未能模拟水汽的负反馈作用 • 模式未解释观测气候的许多特征 • 模式未能作出可靠的区域气候变化预测
• 因而，有人认为IPCC用的气候模式未能描 述混沌的，无限期的气候系统。他们不能 做出可能的预报。因而不应用于政府政策 的制定。
• 第二种方法是分析GCM中的气候敏感性。在这些模式中，气候敏感性 不是单一的可调参数，而是取决于许多过程和反馈。Murphy等（2004， 非加权的）对29个参数进行取样，并假设个别的作用可线性迭加。最 常出现的气候敏感性值是按3℃左右分组的。但这可能反映了非扰动 模式的敏感性。对于许多方法其共同点是不能排除非常高的敏感值， 这是由于对于十分清楚的物理原因，大部分能够观测的量当敏感性增 加时，其变化率（对敏感性）趋于零（图4）。