全面认识气候系统复杂性和不确定性

一般地说，所谓“不确定性”应当是对某一事物（或变量或系统）未知程度的一种认可。不确定性可能是由于对已知或可知事物信息的某种缺乏或者认识上的不统一。其主要来源有多方面，例如，从数据的定量化误差到概念或术语定义的含糊以及人类对该事物认识的不确定预计。因此，不确定性既可以作定量的表述（如不同模式计算所得到的一个变化范围）也可作一些定性描述（如专家小组的判断）。

当今，“气候”的概念已不再是经典气候学定义的那种所谓“天气状况的平均”或“大气瞬时状态的长期平均”等“静态”概念。气候的形成是全球气候系统内外部多种因素错综复杂的相互作用的结果。由于其相互作用过程随时间的推移处于无休止的变化之中，它们涉及到各个子系统内部以及各子系统彼此之间的各种动力的、物理的、化学的和生物的过程，由此导致气候的长期平均状态和偏离平均态的各种时间尺度的变化。除此以外，整个地球气候系统还会受到各种来自天体运动和地球内部运动的渐变或突变因素的冲击而对其施加各种外部强迫，例如地球轨道参数变化、火山爆发、太阳活动等等。从这个意义上说，全球或任一地（点）区的气候状态在不同的时空尺度上始终是变化的。“气候”的概念必须从气候系统的全部统计特性和物理过程及其变化来认识。这里仅只针对其复杂性所导致的不确定性问题借以引述。 气候变化过程的复杂性首先是因气候系统各子系统本身具有显著不同的物理属性而引发。例如，

大气 是气候系统中最主要最活跃的子系统，人类和大部分生物赖以生存的大气，在垂直方向由对流层、平流层、中层和热层组成，而对流层则是气候变化的主要场所。大气具有易变性，动力不稳定性、能量耗散性。它之所以处于运动之中，全靠其它子系统和气候系统外部（太阳辐射）能量的补偿来维持。假如没有补充大气动能的物理过程，大气运动和能量传输就会被摩擦消耗殆尽而终止运行，其时间极限大约只有一个月。由于大气密度和比热相对较小，使其在受热时易变为不稳定，因而它对于外部强迫的响应要比其它子系统迅速。而太阳短波辐射和地球长波辐射在大气中的传输受大气成分变化的影响，尤其是温室气体效应强弱变化的影响相当大。此外，大气作为地球外围圈层流体，在旋转地球上运动，服从流体力学中旋转流体运动规律，具有平流和湍流特性、非线性特性及其与边界层和大气内部的磨擦效应，这些特性都可能隐含着不确定性。

海洋 覆盖全球70%的面积，由于其热容量大（地球上巨大能量库），平均约有70米深（对海洋混合层而言），其贮热能力比大气高出30倍。它的热输送，主要通过洋流把赤道地区的多余热量向极地输送，而中纬海洋中的能量则以感热、潜热和长波辐射形式释放给大气。由于洋流流速远小于风速，海洋的平流输送比大气慢10倍左右，但其输送量远高于大气。海洋表层可通过潜热将其贮热释放。海水对流的形式主要是局部冷却，而不是加热，因而海洋内部的垂直涌动受海面冷却、海水密度、含盐度的影响很大，海洋上层对于大气和冰雪圈的相互作用，其特征时间尺度为几个月到几年，对深海，其特征时间尺度则为数百年。 海洋在气候系统中的作用主要有两方面，（1）大气~海洋耦合变化中的动力与热力相互作用；（2）海洋内部物理过程。前者为海~气间的动量、热量，物质交换，后者为海洋环流（包括深层温盐环流）的变化 。由于海洋加热场的不均匀性，大气与海洋之间的各种相互作用在时空分布上都极不均匀，尤其是热带和赤道洋面的暖、冷水事件形成的物理过程(如El nino和 Lanina事件)更是人们关注的焦点，其变化过程很复杂，所以海-气之间的相互作用不可避免地具有不确定性。

陆面 与大气相互作用过程的复杂性与不确定性就更加明显，例如植被分布、植物生长发育的季节周期都是与气候既相适应又相互制约的。陆面与大气的热量、水分和动量交换过程也相当复杂。至今这些物理过程的描述都无法完满地容入气候模式的动力框架中，而只能用参数化的形式加以描述，由于无法完全客观定量化及其尺度匹配的困难，更使其产生较多的误差。

生物圈 及其内部过程的复杂性在气候模拟中的定量描述仍然是一个难题。生物界本身的变化直接影响到气候的变化；人类活动作为特殊的生物活动对气候产生直接或间接的影响。近年来人类活动产生的气候影响已经与自然气候变化的量级相当。例如，人类的城市化效应，大规模开垦、放牧、砍伐森林，工地排放污染物、碳化物、粉尘，等等严重地改变了大气中某些成分的浓度（如CO_2，CH₄，CFC等），导致不断加剧的温室效应和局地地表辐射平衡与热平衡的变化。就以改变大气成分的气体浓度而言，目前还都无法精确地估计，因而具有相当多的不确定性。当然，除此而外，还有冰雪圈同样也具有相当多的不确定性．　

  　　 就时间尺度而言，不同尺度的变化相互叠加。在地球漫长的生命史（约50亿年）上，气候已经经历了巨大的变迁，而人类历史与地球史相比，其时间极为短暂。迄今人们已经认识到的气候变化其时间尺度的跨度相当巨大。从长达数百万年，数千年的大冰期和大间冰期循环，到短于几百年、几十年甚至几年或数个月的短期气候振动，全球各地气候变化的时间尺度谱几乎覆盖了全部频率段。若以最短时间尺度取为一个月来描述这些不同时间尺度的气候变化，它可一直延伸到以万年为单位的时间尺度的气候变化。事实上，各种不同时间尺度的变化呈相互叠加、相互交织的状态。例如，在大冰期中就有相对暖期与相对冷期的气候波动交替循环，其时间尺度约为1-20万年左右。这就是人们常说的所谓冰期与间冰期（为区别于大冰期与大间冰期或温暖期），又称为亚冰期与亚间冰期，如第四纪大冰期中就有许多这类变动。当然，对每一次冰期或间冰期，也还存在着时间尺度为万年的冷暖相对期，如此等等，即便是近百年气候变化记录中，也仍表现为几十年甚至10多年时间的相对冷暖波动。 由此可见，气候变化是以不同时间尺度的气候变迁、气候变动、气候波动直至几年或数月的气候振动和气候异常的交替循环，而构成的一幅幅错综复杂的气候变化图象。一般说来，较长时间尺度气候变化总是较短时间尺度的变化背景，较短时间尺度的气候变化总是迭加于较长时间尺度气候变化背景之上，从而形成一种层层嵌套，层次分明的复杂变化图象。另一方面，气候变化的不同时间尺度往往对应着不同的空间尺度。例如，一个地点的温度和降水其长期变化大约代表直径为10km范围的气候变化，太平洋或大西洋暖洋流的长期变化大致代表10²~10³Km的中尺度气候变化，欧亚大陆环流指数或环流型的长期变化属于10⁴Km的大尺度范围，北半球乃至全球的气候变化则代表了10⁵Km以上的行星尺度变化。关于时间尺度和空间尺度的匹配，从近百年全球或半球气候变化的观测事实已可见一斑。

研究表明，气候变化时空尺度的多样性是与其成因相对应的。不过，这只是一种定性的非严格的对应关系。一般地可将气候变化因子分为两大类，一类为外部因子，一类为内部因子。前者基本上不受气候系统状况的影响，即气候系统对这些因子没有反馈作用；后者则是气候系统物理过程及复杂的相互作用过程所产生的原因。例如，地球气候系统主要能量来源的太阳辐射自古以来就有变化（包括光辐射及微粒辐射），其可能时间尺度在10⁰-10⁹年范围内。据最近的数值试验研究表明，火山灰气溶胶及人类活动排放的硫酸盐气溶胶两者作用不完全一样，后者为间接效应，主要通过云滴的反射率增高，影响辐射吸收，因而许多研究指出，火山灰气溶胶和人类排放气溶胶有抵消温室效应的冷却作用，在区域性气候变化中不可低估。而人类活动是近一百多年来新增加的一类气候变化原因。所有这一切，都给气候变化的研究增加了复杂性，毫无疑问，这就导致了气候系统既有确定性的一面，更有不确定性的一面。从哲学的高度上说，确定性与不确定性（或随机性）两者是事物的对立统一体。近年来的研究更加表明了气候系统的上述不确定性所导致的气候预测不确定性，它们大致可归结为下列8个方面的原因：

1）温室气体的不确定性（主要由三种原因引起：其一是温室气体来源的不稳定因素，其二是温室效应对碳循环的反馈影响，如全球增暖→减小海水吸收CO₂；全球增暖→加强高纬温湿带→促进CH₄排放；其三是海洋和陆地生物化学过程的不确定性；海洋及其环流对CO₂的吸收能力；海洋、陆地生化过程随时间的变化等问题都会产生不确定性，所有这些就导致各种气候模式对未来大气中温室气体含量估计不准确）。

2）云对辐射作用的制约（主要在于：云的全球和区域分布的可变性、易变性，至今还找不到严格的定量分布规律；云水的物理结构（水态、冰态）和光学特征对辐射响应的敏感度，至今无法确切估计；云中气溶胶含量多少又直接影响地面净辐射通量，所有这些就导致了各种气候模式对全球平均辐射强迫的计算差异相当大）。

3）降水与蒸发的不确定因素（其原因在于①大气环流驱动水汽输送，直接影响能量的重新分布；②水汽本身又是重要的温室气体；③降水云中潜热释放对大气环流有重要调节作用；④海洋环流与水分循环，冰盖融化有关，它本身又影响降水、蒸发和潜热释放，具有很大的不确定性；⑤降水、蒸发、土壤水分、淡水效力源相依而变化，也都存在很大的不确定性；所有这些都不易由量化表示，所有这些就导致了各种气候模式对全球各地降水预测的误差比温度更大）。

4）海洋热量输送与贮存的不确定性（其主要原因是①上层海洋（混合层）比深层海洋加热响应时间短，只有几个月至几年时间。②海洋热输送的年际变率最大贡献在热带海洋与大气之间的相互作用。③气候增暖被海洋热惯性所削弱，但海洋上层（1000米以内）吸收大气的热量究竟有多少，大气对海洋加热的速度多大，还不清楚。④深海与上层海水上翻下沉运动的热交换也很不确定）。

5）生态系统过程的未知因素（主要有：①由陆地、海洋生态系统所形成的气体源和汇对大气辐射特性的影响难以估计；②陆地生态系统在陆面与大气之间的水分、能量交换难以准确估计。③气候变化本身可改变生态系统，从而产生反馈，这种影响又是多层次的。例如，气候变化→生态系统（土壤、作物生产率、植被结构与群落）→反照率、粗糙度→气候系统。这些反馈效应很难定量化描述）。

6）外部强迫的不确定性（如天文因素、太阳辐射、火山爆发、地球轨道参数，等等，都难以估计）。

7）大气、海洋系统本身的可预报性有不确定性。它们有一定的期限和程度，对于每个具体问题都有其自身的信噪比，有许多不确定性问题。上述不确定性目前都难以克服。

8）气候系统模式仍然不够完善。正如IPCC第三次评估报告所指出的，目前描述气候模式的气候敏感性范围较大。这是由于气候模式虽然已经是高时间分辨率的全球陆海气耦合模式，甚至已嵌套复杂地形的高分辨率的细网格区域模式，但对于云、海洋、极地冰盖等物理和化学过程的描述还很不完善，尤其是云水交换和海洋环流及区域降水等变化主要涉及气候敏感性及其反馈机制。因而平均温度的预测仍有相当大的差异。正如笔者在前一讲中所述，当前所能收集到的描述气候系统的观测资料还不完全能够满足气候模拟的需要。

　此外， 尽管目前已经认识到人类排放温室气体浓度的增大是造成当代气候变暖的一大因素，但目前仍不清楚自然变率与人类因素变率两者对气候变化的贡献比及各自的量值。所有这些都增加了气候模拟结果的不确定性。当然，气候变化研究的一个重要任务就是要不断减小气候变化预测的不确定性，提高预测的精度与信度，只有这样包括极端气候在内的气候变化的预测准确性和可信度才能有进一步的提高。（全文完）

 

 

 

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