温室效应全球气候变化研究

1、 温室效应对全球气候（温）变化的影响及其预测11、 引言从年代际尺度上来看，未来20年全球气候是继续增温还是降温，是当前全球变化研究中的一个热点问题，但同时也是一个难点问题。在近几十年，二氧化碳温室效应对全球气候变化的影响引起了科学家们的高度重视。很显然,在未来的几十年里, 大气的二氧化碳含量是不可能减下来。那么，在未来的几十年里全球气温是否还会象20世纪那样持续上升？由于全球气候变化不仅受到人类活动（如大气二氧化碳含量的持续增加）的影响，还受到包括太阳活动在内诸多气候系统自然要素（驱动力）的制约。这些自然驱动力及其合力往往表现为多时间尺度。2因此要回答这个问题的关键是要弄清楚：二氧化碳温室效

2、应对全球气温变化的影响权重究竟有多大？不同时间尺度的气候周期(准周期)变化或自然变化趋势是否都受大气二氧化碳含量变化的影响？或大气二氧化碳含量变化对那些时间尺度的气候准周期变化影响最大？3对气温变化的周期性分析中，多采用功率谱、小波分析法、奇异谱分析等方法，所得的结论也并非一致。气温变化是一个非线性、非平稳过程，伴有多种尺度的振荡。传统的气候时间序列谱分析方法多建立在傅立叶谱分析的基础上，其优点是可以在频域内获得非常高的分辨率，但是它仅适用于线性系统，并且假设序列是平稳的。小波分析本质上是窗口可调的Fourier变换，同时会产生很多虚假的谐波。自然正交函数分解法（EOF）的缺点是仅仅给出了由正

3、交基函数确定的方差的贡献率，但是它不能表明频率和尺度上对信号的的满足。而且由于EOF对一个信号的分解不是唯一的，那么其分解的成分通常不包含任何物理意义。奇异谱分析法是EOF基础上的Fourier 变换，因此它必须保证每一个EOF成分是平稳的，否则在此基础上的Fourier谱研究就是毫无意义的。4EMD是1998年Huang提出的，1999年又进行了一些改进。它可以对一个信号同时将不同尺度的波动或趋势逐级分解开来，产生一系列具有不同特征尺度的数据序列称为本征模函数（intrinsicmode function, IMF）。由于EMD是自适应的，它能快速有效地分析出信号本身的特征；同时它是基于性能

4、好的局部变化特征，可用于非线性和非平稳过程分析。应用最新的多尺度分析EMD技术来研究在不同时间尺度上温室效应对全球气候（温）变化的最大权重，在此基础上再研究未来20年的全球气温的变化趋势究竟是继续升温还是降温？52、 EMD方法和资料EMD本质上讲是对一个序列进行平稳化处理：找出序列X(T)所有的的极大值和极小值点，分别用三次样条函数拟合成原始序列的上下包络线，得到平均包络线 ，将原序列减去 可得到去掉低频的新序列，即 （1）一般 不一定是一个平稳的数据系列，需对它重复上述过程，用 代替X(t)， 为 的平均包络线， （2）6多次重复上述过程，使平均包络线趋近于零，得到第一个IMF分量 ，代表

5、原始序列中最高频的分量。 （3）对继续进行上述分解，如此重复，直到所到的剩余部分为单一信号或其值小于预先给定的值，分解结束。最终得到所有的IMF及余量 ， 代表原始序列的趋势： （4）原始的时间序列X(t)可表示为所有的IMF及趋势项：7EMD的迭代算法结束后，时间序列实现分解： EMD分解过程的每一次提取都是将高频信号分离出来，剩下的是低频信号，最后得到的是趋势分量或者是定常值。893 全球百年气温变化的多尺度分析本文所选取的资料如下：（1）IPCC公布的18812002年的全球平均气温逐年序列；（2）18812002年的浓度资料 取自Carbon Dioxide Information A

6、nalysis Center(CDIAC)。其中1881-1978年资料来自南极洲的三个冰芯，1979-2002年取自夏威夷岛莫那罗亚山的实测资料。用EMD将全球平均气温序列进行逐级分解（图1），得到4个IMF分量和趋势分量Res。这说明，全球百年气温的变化存在4种不同尺度的准周期振荡和一个大尺度的演化趋势。1011分析表明，IMF1表示34a尺度的振荡，表现出疏密相间的振荡特征。IMF2表示准6a周期振荡， IMF3的震荡周期是2024a。IMF 4反映出准60年的振荡周期。这些IMF分量不仅包含了气候系统外在强迫的周期变化，还包含了气候系统的非线性反馈作用。这里分析的气温是年际资料，所以准

7、2a和以下的周期识别不出来。 通过计算各分量的方差贡献（表1），表明：全球气温变化趋势方差贡献最大（40.19%），其次以准60a（24.15%）代际低频振荡为主用。表1 18812002年全球气温变化各IMF分量方差贡献12IMF1 IMF2 IMF3 IMF4 Res17.55 11.34 6.77 24.154 40.19由于（1）全球气温变化中的占权重为40.19%的趋势已经到达峰顶；（2）占权重为6.77%的20年周期振荡IMF3和占权重为24.15%的准60年周期振荡IMF4都已经处于降温阶段。我们有以下结论：结论：从20-60年尺度上来看，未来20年全球气候变化已经开始处于降温阶

8、段。13我们知道，当前国际普遍认为全球气候变化的未来趋势是继续变暖。支持全球气候继续变暖的主要根据就是二氧化碳的温室效应，因为未来20-60年大气的二氧化碳含量是不可能减下来。但是，过去的记录表明，浓度增加并非发生在增暖之前。另一方面，由于全球气候变化不仅受到人类活动（如大气含量的持续增加）的影响，还受到包括太阳活动在内诸多气候系统自然要素（驱动力）的制约。这些自然驱动力及其合力往往表现为多时间尺度。14弄清楚温室效应对全球气温变化的影响权重究竟有多大？不同时间尺度的气候周期(准周期)变化或自然变化趋势是否都受大气含量变化的影响？大气含量变化对那些时间尺度的气候准周期变化影响最大？154、近百

9、年大气二氧化碳含量时间序列的多尺度分析图2给出了近百年大气二氧化碳含量时间序列的EMD分析结果。16从图2可以看出大气二氧化碳含量只有IMF 1和IMF 2两个分量，其中的IMF 2分量与图1全球温度的IMF 3分量无论是振幅还是周期，二者之间都是非常的相似。而除此之外，全球温度的IMF 1、IMF 2和IMF 4分量与大气含量的两个IMF分量并无任何相似之处。图3和图4分别给出了世纪尺度和20年尺度两种尺度下近百年来含量变化与全球气温变化的情况对比。从图3和图4可以看出，仅管大气含量的IMF 2分量、趋势分别与全球温度的IMF 3分量、趋势比较相似，但还是有比较明显的差异。这说明全球温度的I

10、MF 3分量、趋势不仅受到大气含量的影响或调制，还受到其他因素的共同制约。17图3全球温度的IMF 3和大气二氧化碳浓度的IMF 2比较18图4全球温度和大气二氧化碳浓度的趋势比较19所以，我们认为大气二氧化碳含量只对全球气温变化的趋势及20年尺度的全球气温的周期变化起调制作用。由于全球温度的Imf3分量的方差贡献只占全部的6.77%,因此我们认为大气含量对全球气候的的周期变化的影响是很小的。表2给出了大气含量各IMF分量方差贡献。表2 大气含量各IMF分量方差贡献IMF1 IMF2 Res0.27 0.25 99.48从表2可以看出二氧化碳含量趋势（世纪尺度）的方差贡献占全部的99.48%。

11、其他的Imf1和Imf2两个分量的方差贡献分别只占全部的0.27%和 0.25%。所以，二氧化碳温室效应对全球气温变化的影响主要是世纪尺度的趋势分量。20由于（1）全球气温变化趋势的方差贡献只占全部的40.19%，而二氧化碳含量趋势的方差贡献占全部的99.48%；（2）尽管含量的Imf2分量与全球温度的Imf3分量非常相似，但二氧化碳含量的Imf2分量仅占含量的0.25%。因此我们认为：结论2：从世纪尺度上来看，大气二氧化碳含量对全球气温变化的权重最多为40.19%。从20年尺度来看，占大气二氧化碳含量0.25%权重的Imf2将对占全球气候变化权重6.77%的气温的周期或准周期震荡产生影响。因

12、此，大气二氧化碳含量对全球气温变化的权重最多占40.19%+6.77%=46.96%,也就是说全球气温变化的53.04%的权重是由非二氧化碳温室效应所决定的。另一方面，大气含量的变化对全球温度周期震荡的最大贡献为6.77%/（1-40.19%）=11.32%。21尽管大气二氧化碳含量仍然保持上升趋势，但由于全球气候变化的Imf1、Imf2和Imf4分量都已处于下调阶段，因此如果保持目前大气二氧化碳含量不变，那么其温室效应将不足以阻挡未来20年全球气候降温的自然变化。所以，我们认为，未来20年全球气候变化将处于降温期。225、讨论近百年大气二氧化碳含量变化时间序列的EMD多尺度分析表明，大气二氧

13、化碳含量变化几乎不含任何时间尺度的周期震荡，其趋势（世纪尺度）的方差贡献占全部的99.48%，因此二氧化碳的温室效应对全球气候变化的影响主要是趋势的影响。但是，近百年大气全球气温变化时间序列的EMD多尺度分析却表明，全球气温变化趋势（世纪尺度）的方差贡献只占全部的40.19%，其余59.81%的方差贡献为4个不同时间尺度的准周期震荡（Imf1、Imf2 、Imf3和Imf4）所占有。由于全球气候变化的Imf3、Imf4和趋势分量都已处于下调阶段，因此如果保持目前大气含量不变，那么二氧化碳的温室效应将不足以阻挡未来20年全球气候降温的自然变化。 23所以，我们认为，未来20年全球气候变化将处于降温期。另一方面，大气含量对全球气温变化的贡献最多只有46.96%，其中的40.19%是对全球气温变化趋势的贡献，6.77%则是对全球气温变20年尺度准周期震动的贡献。所以全球气温变化的53.04%的权重（主要是准周期震荡）是由非二氧化碳温室效应所决定的。因此，上一世纪70年代以来全球气候变暖并不是完全由二氧化碳温室效应所决定的。二氧化碳的温室效应是不容置疑的，但我们过分夸大了的二氧化碳的温室效应。是到了重新认识全球气候变化的时候，未来20-60年里全球气温将下降，而大气的二氧化碳