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第四章 模拟人类引起的全球气候变化
1628年，瑞典国王、瓦萨王朝的古斯塔夫·阿道夫（GUSttVAdolf）急切地想建立自己的造船业，他想要造出一批战船用来进攻欧洲。
那年8月，第一条名叫“瓦萨号”的船下水了。“瓦萨号”开始其处女航的时候，船上有64门青铜大炮和130位船员。在船离开港口前，突然出现一股暴风把船推向码头，结果水从较低的那些炮眼漫进船内。船沉入港口别之一。认为世界之本原为客观存在的“自性”（本），其中，船桅尚未完全沉没，旗帜还在那边飘着。有50位船员丧生。
300多年的时间，“瓦萨号”一直躺在斯德哥尔摩港口30米深、海水微威的波罗的海海底。1961年它被打捞起来时，意外地发现完好如初，因为海水的咸度防止了令人讨厌的海蛤对它的损害。安德斯·弗朗兹（Antlers Frame）是帮助挖掘这艘瑞典战舰的海洋考古学家之一。他在1962年写到，没有证据表明“瓦萨号”设计有问题或者航行不当。弗朗兹说：“合理的推测是这场灾难起因于大炮、压舱物和其他重物在船上位置分布不当。”
也许，如果建造“瓦萨号”的工程师们预先造一个缩小的模型，来检验它在有风情况下重物处于不同位置的稳定性，它就不会在后来沉没。这样一种模型可以揭示，大炮的位置可以在船的重力中心和浮力中心之间产生一种不稳定的关系。今天的造船技术，不仅依赖物理上的船模作实验室用的测试模型，而且还依赖数学模型用存储在电脑记忆库中的方程式来处理船的形状和重量。这些模型模拟真正的船在海上和出海前的表现。工程师和科学家利用物理和数学的模型，主要用来进行那些过于危险、花费昂贵、或者不可能用实物进行的试验。
要模拟地球的气候，模拟者需要决定应该包括气候系统的哪些要素，需要考虑哪些变量。如前面已经提到，如果我们选择模拟冰川期和间冰川期的长期结果，我们的模型，就需要明确包括过去百万年来气候系统中各种重要要素的影响，而这些要素之间又是相互作用的。
地球系统科学家的问题，是要从许多可能的外部因素和内部因素中定量地区分出因果联系。这是一种充满争议的努力，因为有那么多的子系统存在和同时有那么多的因素在起作用。由于这样一种复杂性，因此如果你不喜欢模拟结果，你就非常容易找出碴儿。但是，如我们将要看到的，尽管有争论，模型却可以用现实情况进行检验以增加对一般性结论的可信性。
那么，我们怎样来做到这一点呢？首先，科学家要查看温度、太阳辐射、臭氧层等变化的观察资料。这使我们鉴别出变量之间的关系。关系并不必定是因果的，因为一个事件发生在另一事件之后，并不因为前者是由后者引起。对于有把握的气候预报，我们不仅必须说明发生关系，还必须解释它是怎样的以及它为什么会发生。特别对于那些无先例可以参考的情况，理论性的而不是纯经验的方法更合乎要求。然而，观察所得到的变量之间的关系可以产生一个问果性假说，即可以用进一步的观察资料进行检验的“定律”。这种检验常常涉及到将电脑数学模型的模拟与各种经验性的观察数据（现在的和古气候的）进行比较。
这就是将科学方法典型地应用于气候模型的过程。当一个模型或一组相关的模型的模拟看来可行的时候，它们就会被套用到像预料中的人类对全球变化的影响这类“史无前例”的变化上，并要求对未来的气候、臭氧层、物种灭绝速率等等作出预测。这就叫做“敏感性分析（sensitivity analysis）”，因为这种模型是用来估计气候对于大量的“如果……那么……”事件的敏感性。这些模型成为检验各种行星级别试验的实验室，我们（我希望）不要让真正的地球来充当这样的实验室。
最全面的天气模拟模型能产生整个地球温度、风、湿度、云和雨水的三维细节。由这样的电脑模型（称为大气环流模式或GCM）产生的天气图往往看起来很逼真，但它不可能每一个细节都真实无误。模拟南北半球尺度到次大陆尺度的大规模格局，通常要比模拟区域或局部规模格局的失真性要大些。要做一个电脑产生的天气图，我们需要解六个描述大气中流体运动和质能守恒定律的偏微分方程。这些方程在气象学中叫做“初始方程”。原则上，这似乎木存在什么问题。因为我们从几百年的实验中知道这些方程是有效的。这就是说，我们知道这些方程反映了流体运动和质能关系。那么，为什么电脑模型不是大气行为的完美模拟呢？对此有两个解答。
一个解答是：从一张天气图（称为“初始条件”）导出的天气演变不可能确定10天以后的情况，甚至可以说，尽管存在各种商业的长期天气预报，不过原则上根据卫天内的天气情况不可能精确地确定10天以后的情况。（要记住，任何人都可以进行预报，但为了证明预报的准确性而不是发布预报，却花费了大多数科学家的时间。）但是，由洛伦茨发现的混饨动力学，虽然原则上排除了做超过一个星期时间的正确天气预报的可能，却原则上不排除可以正确进行长期平均（气候而不是天气）预报。“夏天之后肯定是冬天”，这是显而易见的，季节性的循环就像这种确定性的预言，因此，气候模型可以很好地模拟季节性的循环。
对大气环流模式甚至是长期平均预报不可能完美模拟的另一个解答是：没有人知道如何正确地解那六个复杂的数学方程。它们不像代数方程，如果是那样，我们可以通过一系列直接的运算得到正确的解答。没有任何已知的数学技术能够准确地解这类成对的、非线性偏差方程。就像理查森在本世纪20年代时尝试的那样，我们通过把连续的方程分解成为几个分离的部分（我们叫做格箱）来逼近答案。一个典型的GCM格箱在水平方向上大约有科罗拉多州差不多大小；在垂直方向上，至少平均有几百米大气层那么深。
我已经提到云是非常重要的，云还反射太阳光和捕获产生红外辐射的热。但是，由于我们没有人看到过像科罗拉多那么大小的单个云，我们就面临着一个尺度问题：我们怎样才能处理自然界存在的其尺度小于我们用大的格精逼近技术才能解决的过程？例如，我们无法计算云，因为单个的云在这个格箱中只有圆点那么大小。但是，我们可以提出一些合理的有关云物理学的命题：例如，如果这是一个湿难觅的天气，那么它很可能是多云的；如果气流在上升，那么它也可能是多云的。
这些气候模型可以预言格箱中的平均湿度，以及气流是否稳定—一可能上升或下降。因此我们可以写出～个所谓参数表达式，把我们用格箱解决的大尺度变量（诸如湿度）与没有解决的小尺度过程或现象（诸如单个的云）联系起来。于是，通过这样的参数表达式，我们就得到了格精中有关云的平均的预测。因此，模型既没有忽视云的状况，也不是仅仅解决单个云的情况。相反，模拟者试图得到模拟过程的平均结果，而该过程的尺度无法达到GCM方法中可以明确解决的（格箱）尺度。不管他们使用气候、生态还是经济的模型，发展、检验和估价许多这类参数表达式的性能是模拟者最重要（也是最引起争论）的任务。这把我们带回到地球系统科学中最有深远意义的争论之一，这也是衡量电脑模型有用性和脆弱性的最好例子之一。
温室效应
如果地球吸收来自太阳的辐射而不通过某种方式把同样数量的热能返回空间，那么地球就会持续增温直到总有一天导致海洋沸腾。我们知道海洋并没有沸腾。地表温度计加上卫星也证明地球温度年复～年地保持大致稳定（尽管20世纪有0．SC的增热趋势）。这种接近稳定的趋势要求地球每年以某种方式辐射出的能量与所吸收的能量应该相近。换句话说，地球建立了一种接近平衡的状态或辐射能平衡，这种能量平衡的组成部分对气候起着至关重要的作用。
所有具有温度的物体都释放辐射能。地球释放辐射能的总量相当于一个黑体（物理学家发明的一种代表理想辐射体的虚拟结构），其温度大致为一18C。地球平均表面温度大约为14C，大约比地球黑体温度高32C。这个温热的地表温度与地球平均辐射温度的差值就是众所周知的温室效应。
“温室效应”这个词来自于把气候现象与玻璃温室作典型的类比。在玻璃温室中，玻璃吸收最大尺度的太阳辐射同时捕获大部分的内部热量。但两者的机制是有差异的，因为暖房中的玻璃主要阻止对流气流带走内部的热量。暖房的玻璃基本上不会像地球大气那样通过阻挡内部的红外辐射或使之再辐射使暖房不断增热；相反，玻璃结构主要限制了空气流动的热物理转换。尽管一些大气科学家因此提议要废弃“温室效应”这个有所偏差的词，但这个词一方面已经十分流行而难于更改，另一方面即使不那么准确，但就大气圈捕获地表附近热量的行为而言，毕竟不能算是一个坏的类比。或许有讽刺意味的是，一些环境保护者也提议要废弃这个词，但他们不是因为这是一个不准确的物理类比。相反，他们害怕的是，由于温室对生物是一个温暖友善的场所，因此这个词所蕴含的过于温馨的形象会使人类去强化大气的捕热能力。他们宁可使用“地球热陷讲”这个词取而代之。正如他们所说，你不可能让每一个人都感到愉快。
虽然地球表面的大部分以及云层＊常接近一个黑体，但大气中的气体却不是。当地球表面的近黑体辐射向上进入大气圈时，它们就遇到了气体分子和烟雾粒子。水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧和地球气志被盖中的许多其他微量气体，往往是高度选择的（但往往又是高度有效的）地球内部红外辐射的吸收者。
不仅如此，大多数云层也吸收差不多所有增到它们身上的红外辐射，然后它们以云层表面的温度（大多数时间要低于地球表面温度），像黑体似地再次辐射能量。
大气圈传导地球向外红外辐射的能力要小于传导进入地球的太阳辐射的能力，这只是因为大气分子和烟雾粒子（包括云滴）的物理性质，平均看起来倾向于更多地传导太阳辐射而不是地球辐射。这些性质导致了以温室效应为特征的大规模表面增热。通过这种效应，大气圈使得相当数量的太阳辐射渗入到地球表面，然后捕获（更准确地说是以较低的能量拦截和再辐射）来自地球表面和大气圈下层的向上的地球红外辐射。向下的再辐射进一步强化了表面增热，32t？的自然温室效应主要就是由于这个原因而产生的。这不是一个推测性的理论，而是一个已经得到很好理解和充分检验的自然现象。
最重要的温室气体是水蒸气，因为它是最丰富的微量气体，也因为它吸收大部分红外光谱的地球辐射。二氧化碳是另一类主要的微量温室气体。虽然，它吸收和再辐射的红外辐射比水蒸气要少得多，但由于它的浓度与人类活动有关而引起最强烈的关注。如我们已经提及，臭氧、氮氧化物、硫氧化物、某些碳氢化合物，甚至某些像氟利昂这样的人造化合物也都是温室气体。它们对气候影响的程度，取决于它们在大气中的浓度以及这些浓度的变化速率。因此，地球的温度基本上是由地球的辐射平衡决定的，在～年的时间里，地球对太阳辐射的吸收与气候系统向外的地球红外辐射接近抵消。由于两者的数量都是由大气和地球表面的性质所决定，因此已经建立了一系列强调这些性质变化的重要的气候理论。这些理论中有许多仍然是有待证明的气候变化假说。可以肯定的是，自然温室效应毫无疑问他是建立在合理的科学基础上的，正是自然增热使得气候和生命的共同进化发展成为今天这样的情形。当然，人类对自然温室效应的增强（即全球变暖）到何种严重程度是当下的争论话题。
模型可以证实吗
这是一个基本的哲学问题。严格地说，逻辑上的回答是，“不”。正如已经讨论过的，因为人类迫使气候变化的大多数所作所为是没有先例的，因为还没有精确的经验方式，可以证实一个根本就没有经过准确可比性检验的模型。但实践上，仍然有许多事情可以去做——通过检验模型的次级要素和通过检验模型的总体表现。虽然没有经过完备的检验，但它们也决不仅仅是一些允许对模型表现进行主观判断（虽然相关而不是主要）的证据。
目前存在着多种类型的参数化表示程序，但其发生的尺度小于现有模型能够解决的尺度，科学家们正在争论哪一种类型最佳。这是一种准确表示大尺度结果的程序（比我们能够精确处理的尺度要小）吗？因此在预报气候变化中，检验模型参数化表示的有效性非常重要。事实上，我们不容易知道这些参数化表示是否“足够好”。我们必须在实验室检验这些表示。这就是对地球进行古气候研究的价值所在。我们还可以通过进行专门领域或模型研究来检验参数化表示，以理解为大尺度模型强调的某些参数化程序的高分辨能力的细节。
让我们回到美国的腹地。或许你已经去看过内布拉斯加的沙丘？虽然它们大多数今天已经成为青草覆盖的农地。这些山丘在3000年到8000年前却是满目沙土，因为美国平原的这部分那时是非常干旱的。我们今天知道的衣阿华和伊利诺伊湿润的谷物地带那时更为干旱——古气候学家称之为“高草原半岛”，一个几百千米长的极端干旱的狭长陆地。
在全新世以前（大约1．5万年到2万年以前），中西部的任何地方因为气候太冷而根本不可能存在谷物地带。今天在加拿大北方森林北面数百千米发现的具有代表性的云杉树，那时在这个地方是谷物地带占据优势。随着冰盖逐渐向北退却和气候变暖，自然植被的分市发生了变化，迁移、转换并在几百年前发展成为今天这样的格局，即西部平原的草地和东部平原和西北地区的硬木林。
在大约3000年到8000年前，那时的夏天温度可能要比今天高出几个摄氏度，在密西西比河谷可以感受到高草原半岛广泛的干旱。如果未来再增温几个摄氏度（这次是作为人类温室效应的结果），内布拉斯加的沙丘会再度沙漠化吗？
这种戏剧性的变化对中美洲平原现在的农业或对于北半球类似地区的整个经济可能是毁灭性的。科学家想要发现是什么原因引起了最初的增热，以及环境又是怎样对其作出反应的。如果我们知道这些，那么我们是否有可能运用我们用来预报21世纪增强的温室效应的工具，来“事后认识”高草原半岛的干旱呢？
有可能的是，在距今9000年到6000年前，地球围绕太阳旋转的轨道发生变化，重新分布了冬夏的太阳辐射热量，夏天增加了大约5％的阳光照射，而冬天却减少了5％。这可以解释那时的夏天为什么比今天高出几度。我相信，温室气体增加引起的气候变热（它应该在冬天和夏天同时增热）可能与高草原半岛扩张期温暖的夏季所发生的一切毫无干系。但是，这是否意味着那段时期对21世纪没有任何启示呢？肯定不是！如果我们能够运用我们用来说明未来人类变化的同类气候模型，去研究过去的自然变化，如果该模型看起来能够很好地再现过去变化的方式，那么这个评估程序就有助于我们增加对该模型的可信性。一旦我们就过去大规模的强制性气候变化检验了模型，那么我们就可以用它来较为轻松地预报未来的强制性气候变化。我们在后面还会谈到这个有6000年历史的检验例子。
当地质学家采掘岩石记录时，古生物学家则在野外提取土壤和湖泊沉积物的岩芯，并把它们带回到实验室中去。在实验室，他们鉴别岩芯不同层面上留下的花粉颗粒的类型，通过对这些物质进行“C测定来决定每个层面的年代。
研究者测量出岩芯中树、草或草本植物花的种类和其相对丰