近日，聯合國世界氣象組織（WMO）釋出了最新的《溫室氣體公告》，指出2020年地球大氣中的溫室氣體濃度創下新高，比工業化前的1750年高49%，而2021年大氣中CO2濃度仍在上升。
本文綜述了近些年有關人類影響引起全球變暖證據的科學研究成果，發現人類影響幾乎肯定是引起近百年特別是近50年全球變暖的主因，地球系統5個圈層與全球變暖有關的證據都與人類影響有密切聯絡。
10月5日，諾貝爾物理學獎揭曉，獎項的一半由美國日裔氣象學家Syukuro Manabe和德國海洋學家、氣候建模師Klaus Hasselman共享，以表彰他們“對地球氣候進行物理建模，量化可變性，並可靠地預測了全球變暖”。
上世紀60年代，Syukuro Manabe開發出了可以根據物理定律在計算機上再現並預測地球氣候的數值模型，首次明確證明了大氣中CO2濃度升高同地球表面溫度升高的相關性。
Klaus Hasselmann則建立了一個將天氣和氣候聯絡起來的模型，而他所開發的“指紋法”迄今仍在被使用，用於證明大氣溫度的升高是由於人類排放的CO2。
現在，越多的研究已經證實，人類影響是引起全球變暖趨勢的主因，而全球變暖已經和繼續影響人類社會與經濟發展、健康、人口移徙、糧食安全、水資源及陸地和海洋生態系統等方面。
研究方法和工具
- 指紋法
在做歸因分析時，以觀測結果作為衡量的標準（基準）指紋，用全球氣候模式在各種強迫下所做的模擬結果作為各種需要對比的指紋，與觀測結果作對比，其模擬結果最接近觀測結果的，相對應的強迫即是主要歸因。
- 全球氣候模式
用指紋法做歸因分析中一個主要工具是全球氣候模式，現階段的主要手段為模式比較計劃第5和第6階段的地球系統模式（CMIP5和CMIP6）。
與觀測對比檢測表明，現在使用的全球氣候模式具有較好的模擬全球多種變數的平均值、距平和趨勢等的模擬能力，對於極端事件的模擬效果也有明顯的進步。
- 全球觀測資料
做歸因分析所用的指紋法中，標準（基準）指紋是觀測資料，包括實際的全球觀測資料、經過全球氣候模式加工的全球多層細網格的含有大量變數的再分析資料、代用資料。
觀測資料的空間尺度涉及到全球範圍，應用幾萬個觀測臺站；時間尺度長短不一，一般為50~75年。
需要指出的是，不同來源的全球觀測資料給出的觀測結果存在一定的差異，因此需要判斷多種觀測結果的一致性。
- 歸因分析基本思路
考慮地球系統5個圈層中的某一個變數的總變化可以分解為：自然強迫引起的變化+人類影響引起的變化+地球系統內部的變化。
歸因分析是找出人類影響引起的變化佔總變化的比例，如果佔比例很大，則認為總變化的主因是人類影響。
人類影響歸因分析的時間尺度一般是年到百年，經過歸因分析得到人類影響的作用，其可信度需要作信度檢驗。
- 信度判斷標準
在歸因分析中需要給出可信度，在IPCC報告中一般採用歸因分析的可能性分級標準，是統計分析定量標準。
可能性檢驗主要用在對多種觀測資料的結果的可靠性的判斷以及對人類影響的可能性歸因判斷上。
在IPCC報告中還採用定性判斷標準（即可信度），根據一致性程度和專家評定進行定性分級判斷。
人類影響引起全球
表面氣溫變暖的證據
長期以來，研究全球變暖主要採用全球年平均表面氣溫作為衡量標準，在各種強迫中檢驗其中人類影響的作用，近10年來逐漸發展到檢驗更廣泛的與氣溫相關的指標。
01
人類影響幾乎肯定是引起近百年全球氣溫變暖的主因，特別是近50年。
觀測2019年全球氣溫變暖（1.1±0.1）℃，而全球氣候模式考慮人類影響引起變暖1.0℃，即觀測全球變暖的90%是人類影響引起。
觀測2010-2019年全球氣溫，相對於1850-1900年極可能變暖1.0~1.3℃，絕大多數全球氣候模式考慮人類影響造成全球氣溫可能變暖0.8~1.4℃。
02
觀測到的暖日/暖夜出現的頻率增加且強度更暖，冷日/冷夜出現的頻率減小且趨緩，而大多數模式考慮人類影響得到與觀測一致的特徵。
03
觀測到的熱浪/暖期頻率增加且強度增強和持續時間加長，而多數氣候模式考慮人類影響證實極可能造成全球尺度熱浪和暖期的增強和增多。
觀測出現破記錄的高溫增加，從全球氣候模式考慮人類影響也檢測出破記錄的高溫增加。
04
觀測到的寒潮/冷期頻率減小且強度減弱和持續的時間縮短，而多數模式考慮人類影響得到與觀測一致的特徵，觀測到嚴寒強度減弱，全球模式考慮人類影響也證實了其主導作用。
05
以20年一遇的全球陸地日極端最高溫為例，20世紀90年代相對於60年代，觀測計算發現更容易遇到極端高溫，全球氣候模式考慮所有強迫減少到17年一遇，而人類影響引起16年一遇。
人類影響引起全球
5個圈層變暖的更多證據
由於5個圈層涉及到廣泛的領域，這裡給出的只是模式可計算的且與公眾密切相關的可靠性較高的變數和現象的證據。
01
人類影響引起全球變暖不僅是表面氣溫變暖，而且是全球大氣低層幾公里都變暖，同時陸地表層溫度到下層溫度以及海洋表面水溫到下層溫度都變暖。
以海洋熱容量為例，觀測計算1850-2017年海洋0~700 m熱容量明顯增加，多模式模擬表明其中人類影響約佔65%。
02
人類影響引起海水變暖，海水熱膨脹，造成海平面上升。
多模式模擬證實：1900-2018年全球海平面平均上升0.19 m很可能由人類影響引起；1950-2005年全球0~700 m熱膨脹海平面上升的87%由人類影響造成；1970-2005年冰融化和熱膨脹引起海平面上升的70%受人類活動影響。
03
人類影響引起海冰特別是北冰洋海冰融化加速，陸冰如格陵蘭冰蓋以及冰川融化加速。
9月北冰洋海冰明顯減少，多氣候模式模擬其中自然強迫和氣候系統內部變率聯合只不足42%，而人類影響約佔58%。
04
人類影響引起陸地積雪融化加速和永凍土融化。
多模式模擬表明，自1950年以來北半球春季雪蓋減少人類影響很可能起主要作用。
05
人類排放CO2增加，引起海洋吸收更多的CO2，從而造成海洋酸度增加。
06
人類影響引起表面溼度增加，自1950年以來高緯度和熱帶降水量增加，全球陸地強降水事件強度增強。
07
人類影響引起全球陸地霜凍期縮短，生長季延長，開花期提前。
08
有些與公眾密切相關的變數，如一些區域乾旱、洪澇、較強熱帶氣旋等的強度和頻率增加，目前尚沒有充足的證據說明同人類影響的關係。
觀測可檢測到全球海域較強熱帶氣旋近40年有增加的趨勢，其中人類影響作用的信度為低。
09
觀測到有些區域性多種災害聯合發生，如熱浪與乾旱、洪澇與低溫同時出現，其與人類影響的關係尚在研究中。
結論
全球變暖與全球環境與生態系統以及人類社會與經濟等諸方面有緊密關係，需要採取各種對策與策略，減緩或減少不利影響，而控制人類排放和形成有序的人類活動是需要極其關注的問題。
現在有幾十個地球系統模式，由於採用的水平和垂直解析度不同，對許多物理、化學、生物等過程的各種引數化方案不同，造成多模式對有些變數的模擬結果的不一致或發散，使得一些證據的可靠性降低。
此外，地球系統5個圈層有些變數缺少足夠的觀測資料，也影響了全球氣候模式的發展。
隨著對地球系統的科學認知的加深、計算技術的發展、人工智慧的應用、地球系統模式和更先進的工具的發展，會獲得更多的人類影響引起全球變暖的證據。
21世紀20年代後，如果人類排放溫室氣體繼續增加，由人類影響引起全球繼續變暖和與之相應的其他現象，需進一步研究相應的對策。
本文作者：趙宗慈，羅勇，黃建斌
作者簡介：趙宗慈，清華大學地球系統科學系、中國氣象局國家氣候中心，研究員，研究方向為全球氣候變化；羅勇，清華大學地球系統科學系，教授，研究方向為全球氣候變化。
論文全文發表於《科技導報》2021年第19期，原標題為《人類影響引起全球變暖的證據》，本文有刪減，歡迎訂閱檢視。
