太阳活动与过去近百年气候变化

太阳活动与过去近百年气候变化

气候风气变化的原因世界气候变化是国内外研究的中心问题，也是最受争议的问题。争议范围之广,超出了早先人们的想象。从最根本的问题——气候是否变暖了,气候变暖的原因是什么,如何应对气候变暖,如何控制温室气体的排放使变暖达不到阈值,直到阈值是不是2℃。可以说几乎在每个环节上均有争议。本文将讨论争议的核心问题:气候为什么变暖?1关于“自然”与“气候”的评估以IPCC为代表,其第四次评估报告(AR4)指出:“20世纪中期以来观测到的全球平均温度的上升,非常可能是由观测到的人类活动产生的温室气体增加造成的”;并且指出“这个结论比第三次评估报告(TAR)前进了一步”。那时认为“近50年观测到的大部分变暖可能是由温室气体浓度增加造成的”。根据IPCCAR4,“非常可能”指可能性在90%以上,“可能”则指66%以上。也就是说从IPCCTAR到IPCCAR4对变暖是由温室气体增加造成的可能性的评估从>66%提高到>90%。而另一方面NIPCC的决策者摘要,标题就是:“自然,而不是人类活动主导着气候”。显然这是与IPCC针锋相对的观点。下面就分别研究这两种观点各有什么证据,以及存在的问题。2更强的温室效应历届IPCC报告均认为全球气候变暖是人类活动造成的温室效应加剧的结果,而且对这个论断持日益强硬态度。但是,回顾一下,究竟有什么证据支持这种观点呢?大体上可以分为两个方面:观测事实与模拟研究。2.1u3000温室效应温室效应理论认为人类活动造成的气候变暖应该是全球性的、四季都存在的、每天最高温度与最低温度均上升的一种几乎无所不在的普遍性变暖。但是,从理论上讲,高纬、特别是冬季温度上升更多。日最低温度上升应该超过最高温度。这些推测基本上得到了观测资料的证实。图1与图2给出Hansen等到2009年的全球温度资料。图1为1970—2000年代平均温度距平,图右上角的数字为全球平均温度距平,可见近40年变暖十分明显。2000年代除东南极沿岸和大洋上小范围为负距平外,陆上普遍变暖,北半球高纬尤甚。1990年代也是一个暖的10年,但是温暖程度低于2000年代。图2为近60年四季温度变化趋势,右上角为全球平均趋势。各季平均变暖在0.60~0.65℃,季节分布比较均匀。北半球冬季(12、1、2月)欧亚大陆北部及北美大陆北部增温最明显,南半球冬季(6—8月)南极沿岸变暖最强。此外,气温日较差(DTR)有减小趋势,与温室效应理论一致。但IPCCAR4的DTR减小趋势低于IPCCTAR,80%可以从云盖及降水量变化得到解释。根据卫星观测,1979—2005年全球地面到10km的对流层温度均保持普遍上升趋势,而平流层温度则处于下降中,这也同温室效应理论一致。只有一个分歧就是,根据模式模拟,温室效应加剧后在热带对流层上层温度上升应高于地面,这一点却没有得到观测证实,因此成为NIPCC攻击IPCC的一个论据。近来Allen等用热成风理论及相关观测资料推导出热带(20°N~20°S)对流层上层的温度,结果显示变暖幅度超过了地面。Thorne指出,1979—2005年200hPa高度的温度增量达到(0.40±0.29)℃/10a,超过了同期地面温度增量(0.13℃/10a)。利用风垂直切变与温度的水平梯度更精确地计算对流层上层的温度,这是一项值得注意的新研究。但是,为什么温度观测显示不出这样的结果还不清楚。2.2温室效应是20世纪后半叶气候变色的主要原因这里分析近百年温度变化的模拟研究。如果我们能在给定温室气体强迫的情况下模拟出全球平均温度变化,则可以更进一步确认这个变化是人类活动造成的。为了更好地模拟全球平均温度变化,IPCCAR4用海气耦合模式,综合考虑温室气体、气溶胶、火山活动、太阳辐照度、O3等因素模拟了20世纪全球平均地表温度变化。除1930年代后期至1940年代中期的温度峰值、1950年代初期和中期的两个谷值未能模拟出来之外,1960年之后模拟的较好。而且,如果不加入人类活动影响,则模拟不出20世纪后期的变暖,这证明温室效应在20世纪后半叶的变暖中起主导作用。这也是IPCCAR4提高人类活动影响可能性评估的主要依据。此外IPCCAR4还列举了2002—2007年完成的12个模式模拟的近千年温度变化,包括6个GCM(大气环流或耦合环流模式),4个EMIC(中等复杂程度气候系统模式)及2个EBM(能量平衡模式)。这些模式在考虑火山活动与太阳活动的强迫时能模拟出12—14世纪的变暖及15、17、19世纪的寒冷。对20世纪也能模拟出1940年代的暖及20世纪最后30年的变暖。这些模拟研究表明,温室效应确实是20世纪后半叶气候变暖的主要原因。但是,在对过去千年的模拟中,自然因素如火山活动与太阳活动则是驱动气候变化的主要因素。3太阳活动对地球气候的影响从19世纪末到20世纪初就有不少学者研究太阳活动与地球气候的关系。但是,太阳活动对地球气候影响的假设始终受到很大怀疑。其最主要的原因有两个:1)太阳黑子变化的基本周期为11年左右,而地球上的各种气候指标,很少有持续较长时间的11年周期,偶然有某个局地气候指数在1~2个或2~3个11年周期内与太阳黑子变化有关,但是这种关系大多不能持久;2)太阳活动影响地球气候的途径不清楚。先是把太阳辐照度(TSI)当作一个常数,称为太阳常数,后来证明,太阳常数是变化的,但是11年周期的振幅只有0.1%。因此,我们要看一看有什么现代的资料突破了过去的概念。3.1mwp及lia鉴于地球气候缺少11年周期,我们着重讨论年代际尺度及百年尺度。最近的千年包括了两个地球气候的重要时期,中世纪暖期(MWP)和小冰期(LIA)。由于这两个时期主要发生在人类活动影响微弱的工业化之前,所以,大多数学者都同意是自然原因造成了MWP及LIA。其中首选的自然原因就是太阳活动。图3给出Kikby总结的近千年温度变化与太阳活动。图3(a)为近千年温度变化,右纵坐标为格陵兰两个钻孔(GRIP和Dye3)的温度。在图中作者标出的MWP为公元1000—1250年,LIA为公元1450—1850年。图3(b)给出银河宇宙线(GCR)序列,MWP期间GCR弱,说明太阳活动强,而LIA期间GCR强,太阳活动弱。图3(c)为委内瑞拉热带安第斯山冰川活动,湖泊沉积磁导率(SI)高表示气候冷湿,冰川前进。LIA期间高纬寒冷、亚非季风区干旱、赤道辐合带(ITCZ)南移。反映了以GCR为代表的太阳活动与地球气候的密切关系。3.2冷事件与气候异常的关系Bond等根据北大西洋流冰碎屑(IRD)指出全新世北大西洋有8次流冰事件(常称冷事件),由近及远编号为1至8次冷事件。后来发现小冰期的特征也与之类似,所以也算作一次冷事件,编号为0。因此,全新世11.5kaBP至今共9次冷事件。大量的研究表明冷事件与北半球乃至全球气候异常有密切的关系。Wang曾经对冷事件的年代学及气候影响进行了综合分析,指出发生冷事件时北半球中高纬特别是西北欧气候冷干,但中欧及西欧夏季湿润。亚非季风区夏季风降水减少,从东非沿岸向东穿过阿拉伯海到南亚,再向东到东亚干旱,中国南部的石笋记录反映干旱事件与北大西洋冷事件有很好的对应关系。早在1973年,Denton等就提出太阳活动减弱可能是全新世气候突变的原因。Bond等用14C、10Be代表太阳活动,用4个海洋沉积记录得到综合指数。将14C、10Be和综合指数均去掉趋势并做70年滤波(图4),两个太阳活动指数与综合指数的相关系数分别达到0.44和0.56,9次冷事件均与太阳活动谷值(GCR峰值)对应,这表明太阳活动减弱可能是冷事件形成的原因。3.3太阳活动影响地球气候的主要途径太阳活动影响地球气候的途径有3个:TSI的变化、太阳紫外线变化及GCR变化。关于第1种途径,由于已经有了两个半11年周期TSI的直接观测,早已证实太阳常数不是一个真正的常数,但是随11年周期的变化只有0.1%,这大约只能造成0.1℃的温度变化,不足以解释观测到的气候变化。在几百年的过程中,TSI的变化可能要大一些,根据太阳黑子的变化推算18世纪至今TSI仅增加0.5W/m2,相当于大气顶部的辐射强迫增加0.08W/m2。假定气候敏感度为0.7℃/(W/m2),则18世纪至今TSI的变化仅能造成0.06℃的温度变化,比这段时间观测到的升温0.6℃要小一个量级。因此,目前越来越多的气候学家与天文学家不再认为这是太阳活动影响地球气候的主要途径。第2种途径的主要依据是太阳活动11年周期中紫外线(UV)谱段的辐射强度变化剧烈。不同学者估计不尽相同,最高估计从太阳活动11年周期极大年(M年)到极小年(m年)可变化7%。太阳活动强时UV增加,使平流层变暖、O3增加。平流层通过热辐射及动力学过程影响对流层。对太阳活动影响地球气候的这种途径的物理机制还研究的不够,观测证据也不充分,例如O3浓度与太阳活动关系的证据也有分歧。对第3种途径的研究较多。观测证明,随太阳活动11年周期,GCR可变化15%,地球低云量可变化1.7%,相当辐射强迫1W/m2。CO2的辐射强迫只有1.66W/m2,相比之下GCR的影响也足够大。GCR影响地球气候的机制还在研究之中,GCR如何影响大气的低云量,目前有3种设想:增加凝结核、雷暴起电和气旋中形成冰晶。Carslaw等认为关键是GCR影响云滴数量及云中冰晶,并为此设计了两种机制:离子气溶胶清洁空气机制及接近云离子气溶胶机制。当然,目前还不能认为这是一种成熟的理论。因此,可以认为人们发现的太阳活动与古气候的关系,还只是一种可能性。究竟太阳活动对地球气候的影响有多大,可能在多大程度上抵消或加强温室效应的影响还是一个有待研究的问题。4太阳活动的影响(1)20世纪中期以来温度变化的空间分布、季节变化、气温日较差变化均支持温室效应加剧可能是气候变暖的原因,近30年的气候变暖与温室效应加剧的模拟研究结果一致。(2)近百年温度变化中1940年代的高温、1950—1970年代的降温无法用温室气体的变化解释,这表明自然因素,如太阳活动、火山活动乃至大洋热盐环流在年代际温度变化中有重要