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橡树村:【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？13 火山

好啦，讲完了可能影响气候的人类和自然因素，现在来看看，气候究竟变化了没有，怎么变的。首先说气温。

人们很早就知道冷暖，但是对于究竟多冷多暖一直没有一个度量的方法。18世纪初期，出现了华氏度，摄氏度这两类温度的计量方法，从此描述冷暖有了一个简单方便的方法。也就在18世纪，人们开始对与人关系最密缺的地表气温进行测量。不过早期的测量站点很少，仪器也还比较原始，方法也有问题，也缺乏系统性，所以这些早期的数据，并不能作为衡量气温变化的依据。大约从1850年开始，仪器有了进步，测量站点也多了起来，记录也有了系统性，对于地表气温的测量，就算是正式开始了。不过在19世纪，测量站点的数量仍然很少，覆盖面也不大，很难说是全球范围的测量。真正意义上的全球陆地气温测量应该是1957年才开始的，这一年，南极终于有了测量温度的站点。现在参与气温测量的站点有数千个，所有的陆地气温数据都汇总到一个数据库里面，供研究者使用。对于海洋温度的测量，早期只能依靠船只，可以在船只底部拖挂一个装置来记录浅层海水的温度，到现在，这仍然是测量浅层海水温度的最直接可靠的方法，每年也有数千只船在做自己事情的同时参与这项工作，精确的时间和位置信息，结合实时测量的浅层海水温度信息结合起来，构成了浅层海水温度的数据库。不过船只有固定的航线，覆盖面也有限。1980年以后，卫星也加入了对地表温度和海水表层温度测量的行列，完成了对全球温度测量的覆盖。卫星得到的海洋温度是表层的温度，与几米深的浅层海水温度略有差别，这方面，还需要一些校正，方法也已经成熟了。到这个时候，全球的表面气温数据才算是完善起来。或者说，对地球表面温度的全面监测，是从1980年代开始的。不过之前的数据也是可以应用的，记住代表性可能不足就是了。

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1850-2005年间全球陆地表面温度变化的趋势

由于各个地方的气温差异太大，一般在处理数据的时候，都直接拿这个地方的气温变化数据进行统计，比某个规定好的平均温度高了或者低了多少度之类的，这样数据处理方便一些。如何计算这个平均数，不同研究者有不同的方法。比如一个叫做CRUTEM3的系统，北半球和南半球的陆地平均气温之后，计算全球陆地平均气温的时候，北半球占68%的比例，南半球占32%。之所以使用这样的数字，是因为这正好是南北半球陆地面积的比例。一个叫做NCDC的系统，直接每一个经纬度格子里面的温度变化，把地球按照经纬度划成一个个的小方块，把每个小方块的气温变化计算出来，然后再平均。而另外一套叫做GISS的系统，计算的是全球各个纬度带的温度偏差，所使用的权重分布，是南北纬90度到23.6度之间各占30%，南北纬23.6之间占40%。还有研究者排除了南纬60度以南的数据，计算方法也就有了相应的调整。所以呢，虽然使用的都是同样的数据库，不同研究者给出的结论还是有些区别的。上面这个图就是这四个方法得到的全球陆地表面温度变化趋势。

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上：1979-2005年地球地表温度（左）和卫星观测的对流层温度（右）的线性趋势

下：全球平均气温及对应的线性拟和

上图显示的是综合了陆地和海洋的全球平均气温变化情况。从这个图可以看到，在19世纪后半期一直到1910年代，全球表面气温有上下0.2-0.3摄氏度的波动，但是基本上是稳定的。当然不要忘了这个时期内数据的代表性很不足。这里面有几个点超出波动范围不少，有可能是实际存在的，更有可能是因为当时覆盖面太低造成的。从1910年代开始，到1940年左右，全球温度有一个持续的上升，温升幅度达到了0.35摄氏度。最近的一次温升，就是从1970年代开始，至少持续到2005年的了，温升幅度达到了0.55摄氏度。由于从1980年代开始全球测量温度的站点数量众多，连续性系统性都已经很完善，这一段数据的可靠性实际上是很高的，或者说，从1970年代开始的这一次大幅度温升过程，是非常明显的。IPCC一直在比较100年气候变化的线性趋势。在TAR里面，比较的是1901年和2000年之间的变化，得到的趋势是0.6+-0.2摄氏度，由于2000年以后气温继续升高，而1900年代的前几年平均气温却有所下降，所以AR4在比较1906年和2005年之间的变化的时候，得到的趋势就是0.74+-0.18摄氏度。如果拿1850年到1899年之间的平均数与2001年到2005年之间的平均数进行比较，温度增加幅度是0.76+-0.19摄氏度。1950年代以来的变暖趋势呢，每10年温升0.13+-0.03摄氏度，要是考虑1979年代以来的变化，温升速度更加明显，达到每10年0.18+-0.05摄氏度。在全球范围内，不仅仅全球平均温度的变化有这个逐渐加快的趋势，陆地和海洋都可以观察到这个变化趋势。这里面提一句，城市热岛效应对于城市地区的气温影响很大，但是在全球平均范围内贡献很小。AR4选用的研究表明城市化和土地变化导致的对全球温度纪录的影响，在陆地上为每10年0.006摄氏度，在海洋上为0，整体平均下来，可以忽略。

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几组浅层海水温度数据

另外有一个值得提的，就是昼夜温差的变化。这个词的缩写是DTR，比较的是白天的平均最高气温和夜晚的平均最低气温。从1950年开始，这个温差一直在降低，降低速度在每10年0.1摄氏度，很缓慢，但是足够让仪器检测出来。不过到了1990年代以后，这个温差已经基本上不再变化。换言之，从1950年到1990年代初，夜间温度上升的速度略大于白天温度上升的速度，到了1990年代以后，两者上升的速度已经基本一样，没有明显的变化。

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1950-2004年全球昼夜温差变化趋势

这里面要特别说一下，平均温度的地区差异非常大。具体的情况下一节讲，不过这个地区差异对全球平均气温的直接影响，就是数据的偏差很大。基本上，每一个年平均气温的数据的偏差都在0.2-0.3摄氏度之间，即使在已经进行很全面测量的2000年代，这个偏差仍然很显著。所以只有在考虑一个很长的时间的时候，至少20-30年，甚至50-100年的时候，因为平均值有0.5摄氏度以上的变化，这种温升才有价值。尽管如此，从1994年到2005年的12年里，除了1996年，年平均气温都是有仪器记录以来最高的，其中1998年和2005年都是最高点，虽然从严格的统计学上讲，一些年头的平均气温差异并不显著。导致这个偏差很大的原因是地表的气候实在太复杂，影响因素太多，那么在高空中，有没有温度趋势的变化呢？

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全球和南北半球陆地平均气温的变化趋势及偏差

高空的温度可以使用探空气球进行测量，这项活动开始于1950年代，不过这个测量方法比起地面站点来讲，可是昂贵麻烦了很多，所以覆盖面、数据频率，都有很大的问题，代表性不强。1979年卫星微波探空仪MSU的使用，使得监测对流层中上部分以及平流层温度成为可能。不过到现在为止，不同的卫星微波探空仪测量的不同的对流层温度趋势仍然存在差异。校正不同数据源的工作一直在进步，数据的可靠程度也越来越高，不过仍然有进步的空间。这些测量的结果是，在对流层，也可以观察到一个每年0.12-0.19摄氏度的变暖率。对于平流层，则观察到了一个每10年0.3-0.6摄氏度的变冷，不过最近的十年变冷率在下降。平流层变暖的趋势符合主流的气候模型预测的变化趋势。由于数据相对少很多，对于平流层的变冷估计可能高估了。另外图中可以看出火山喷发对平流层温度的影响非常明显。

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不同高度大气温度趋势

从上到下：平流层底部，对流层中上，对流层底部，地表

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