全球与中国的气候变化——制作于2015/2016

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气候变化温室效应中国政策能源转型

全球与中国的气候变化

掌握气候变化机理、关键证据与中国路径的内在逻辑

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气候变化温室效应中国政策能源转型

全球与中国的气候变化

掌握气候变化机理、关键证据与中国路径的内在逻辑

1第 1 页 · 全球与中国的气候变化

什么是气候系统

昨天的暴雨、千年的冰芯、万年的岩层——跨度悬殊,却都在回应同一件事:地球的能量收支。

大气圈
包裹地球的薄层气体,响应最快,热容量小
水圈
海洋为主体,占地表71%,热惯性是空气的千倍
冰冻圈
冰盖、冰川、海冰、冻土,通过反照率调控能量收支
岩石圈
地壳、土壤、海底岩石,响应最慢,万年碳储库
生物圈
森林、海洋生物、微生物,参与碳氮硫循环并改造大气
交响乐团的五个声部对应 →气候系统的五大圈层

指挥是太阳辐射;乐手是各圈层;缺一声部,音乐不完整,气候也失衡

2第 2 页 · 什么是气候系统

气候系统的组成与反馈机制

图示气候系统中的正反馈(红色,放大扰动)与负反馈(蓝色,抑制扰动)回路。先看扰动与升温,再追踪反馈如何回到升温。

图解渲染中…
A如CO2浓度突增等外部强迫G1负反馈终点,温度不再上升反照率↓冰面变暗,反射阳光能力下降风化↑岩石化学风化消耗大气CO2
3第 3 页 · 气候系统的组成与反馈机制

气候变化 vs 气候变率

两个容易混淆的概念辨析

气候变化 vs 气候变率
两个容易混淆的概念辨析
4第 4 页 · 气候变化 vs 气候变率

气候变化的自然驱动因素

上一页我们把'变化'和'变率'拆开了。但气候为什么会动起来?先把'人'放一边——人类大规模干扰之前,是什么在推它?

太阳辐射变化
TSI 约 1361 W/m²,11 年周期波动仅 ±0.1%,经气候系统放大后可影响区域气候
火山喷发
强火山把硫化物气溶胶送入平流层反射阳光,1–2 年内可让半球降温 0.1–0.3°C
轨道参数(米兰科维奇)
偏心率、倾角、岁差以万年至十万年周期改变纬度上的太阳辐射分配
量级边界
工业革命前自然因子总辐射强迫仅 ±0.3 W/m²,远小于当前人为强迫的 ~2.7 W/m²
暖气系统的三个旋钮对应 →三类自然驱动

太阳=主暖气稳中小波动,火山=突然开窗灌冷空气(短期降温),轨道=慢慢挪暖气位置(改辐射分配)

5第 5 页 · 气候变化的自然驱动因素

气候变化的人为驱动因素

上一页讲了自然驱动因素——太阳活动、火山喷发等都在变,但量级有限、节奏也慢。工业革命以来这100多年的快速升温,单靠自然因素解释不通,必须把人为驱动这一块补进来。

化石燃料燃烧
煤、石油、天然气燃烧释放CO2,占人为温室气体排放约三分之二
非CO2温室气体
甲烷(CH4)来自畜牧和油气泄漏;氧化亚氮(N2O)来自化肥,单分子增温效应数倍于CO2
土地利用改变
砍林、城市扩张、农田开垦既释放储存碳,又削弱森林和土壤的吸收能力
浴缸的水龙头和排水口对应 →大气碳收支失衡

水流入(排放)远超流出(吸收),水位(大气CO2浓度)持续上升

E=ΔA+Socean+SlandE = \Delta A + S_{ocean} + S_{land}
6第 6 页 · 气候变化的人为驱动因素

认识 IPCC

前面我们讲了气候变化的种种驱动因素,但全球每年发表的气候论文成千上万篇,到底谁有资格把这些研究打包成一份权威结论给各国政府看?这就是 IPCC 要解决的问题。

成立背景
1988年由WMO与UNEP共同发起,是联合国框架下的国际机构
核心宗旨
不自己做研究,只评估汇总全球已有的科学文献
组织架构
下设三个工作组:物理科学、影响适应、减缓
主要产出
评估报告AR系列,每6~8年发布一份综合报告
公司年终资产盘点对应 →IPCC评估气候科学

盘点人不创造资产,只把已有数据汇总核对并给出权威结论——IPCC不研究气候,只评估汇总全球成果

7第 7 页 · 认识 IPCC

IPCC评估报告的演进

IPCC 五次评估报告,逐步抬高人类活动影响气候的确信度。

1
AR1:起步
首次综合评估气候科学,催生联合国气候变化框架公约
2
AR2:识别
首次判定'可辨别的人为影响',支撑京都议定书谈判
3
AR3:强化
系统化不确定性分析,提供更全面的证据综合
4
AR4:高确信
把人为升温概率抬至90%以上,与戈尔同获诺贝尔和平奖
5
AR5:95%
把人为升温概率推到95%,成为巴黎协定的科学基石
8第 8 页 · IPCC评估报告的演进

IPCC报告的三大工作组

一份IPCC报告要回答「气候在不在变、变了会怎样、该怎么办」三层问题——一个组根本忙不过来,于是拆成三个工作组,各管一段。

WG1:物理科学基础
评估气候系统变化的物理科学,回答「是不是在变、为什么变、变多快」
WG2:影响·适应·脆弱
评估气候变化对人与生态系统的影响,识别适应路径与脆弱人群
WG3:减缓
评估减排的政策、技术与社会路径,探讨如何把温室气体增量压下来
WG1的边界与定位
只谈物理过程不谈社会影响;为WG2与WG3提供共同科学事实
体检三步流程对应 →IPCC三工作组

WG1=化验拍片找病灶;WG2=评估对身体生活的影响;WG3=给出治疗与预防方案

9第 9 页 · IPCC报告的三大工作组

IPCC报告的三大工作组

前面我们认识了 IPCC,但评估报告体量太大——靠单一团队根本写不完。IPCC 把任务拆成三大块,由三个独立的工作组分头完成。

第一工作组(WG1)
回答'气候在怎么变'——温度、降水、海冰等物理证据,由自然科学家主导
第二工作组(WG2)
回答'这对我们意味着什么'——气候变化对社会和生态的冲击,以及如何适应、谁最脆弱
第三工作组(WG3)
回答'怎么减排'——评估减缓政策、能源转型与成本效益,由经济与工程专家主导
看病的三个环节对应 →IPCC 三个工作组

诊断病因=WG1查清气候事实,评估病情与康复=WG2影响与脆弱性,开处方=WG3减排方案

10第 10 页 · IPCC报告的三大工作组

IPCC报告的三大工作组

前页已看到IPCC按问题分工:第三工作组专门研究人类如何减少排放、增加吸收,从而限制未来升温幅度,并比较不同做法的潜力、成本与代价。

减缓定义
通过减少温室气体排放或增加吸收汇,限制未来气候变化幅度。
评估对象
覆盖能源、工业、交通、建筑、土地及需求侧减排措施。
路径比较
在排放情景中比较减排潜力、成本、技术可行性与社会经济影响。
结果边界
结论依赖模型和假设,必须标明不确定性、时间尺度与系统边界。
政策角色
报告提供政策相关证据与选项,但不替政府直接制定政策。
体检后整理治疗方案对应 →IPCC第三工作组评估减缓

诊断结果对应气候科学证据;工作组整理减排路径、代价和不确定性,提供政策相关选项,不直接开处方。

11第 11 页 · IPCC报告的三大工作组

IPCC评估机制与流程

从议题到发布,IPCC报告需经过多轮评审——顺着箭头从左到右读。

图解渲染中…
a4第一轮:仅科学家同行的内部评议a6第二轮:政府+专家联合把关a7各国代表对终稿逐句投票通过
12第 12 页 · IPCC评估机制与流程

地质历史时期的气候证据

上页讲到 IPCC 评估依赖数据,但温度计只有三百多年历史。几万年前的冷暖干湿怎么知道?答案藏在冰、树、年复一年的泥沙里——地球本身就是一部自带的『气候日记』。

冰芯
极地钻取,冰中气泡封存古大气成分,氢氧同位素反映温度
树木年轮
宽窄反映当年温度与降水;交叉定年可追溯上万年
沉积记录
湖海年层含花粉与有孔虫壳同位素,反演古环境
代用指标的边界
非直接测量,存在解读不确定,需多源交叉验证
老相册与日记对应 →地质代用记录

没有相机的年代靠手写还原过去;没有温度计的年代靠冰/树/泥反推气候

13第 13 页 · 地质历史时期的气候证据

冰芯记录揭示的气候密码

从冰芯中读出两套独立记录——气泡里的CO₂与同位素里的温度,看它们如何在80万年里同步起落。

图解渲染中…
a3从冰盖钻出的圆柱状冰样,年层清晰可数b1古代大气被封入冰中,可直接量CO₂浓度b2氧同位素比值反映温度,反推古温度d2暖期CO₂高、冷期CO₂低,相位高度一致
14第 14 页 · 冰芯记录揭示的气候密码

第四纪冰期-间冰期旋回

冰芯里看到的温度曲线像锯齿一样反复升降——但为什么节拍偏偏是十万年?地球轨道参数里藏着这把钥匙。

第四纪
距今约260万年至今,地球进入以大冰盖频繁进退为标志的时期
冰期-间冰期旋回
冰盖大幅扩张(冰期)与大幅消融(间冰期)的周期性交替
主导周期≈10万年
近百万年温度记录中最显著的节拍,与地球轨道偏心率周期吻合
米兰科维奇机制
偏心率、倾角、岁差三要素共同调制不同纬度接收的太阳辐射
十万年难题
偏心率对辐射影响最小却主导气候周期,冰盖动力学等反馈机制仍是研究前沿
椭圆轨道的"呼吸"对应 →10万年冰期-间冰期周期

地球公转轨道时而"瘦"时而"胖",这微弱的胖瘦节奏就是十万年冷暖拍点的源头

15第 15 页 · 第四纪冰期-间冰期旋回

历史上的温暖期与当前变暖

都叫"暖",但成因、范围、速度截然不同;常被混用为否认现代变暖的依据,必须辨清。

自然暖期波动
  • 时间:约公元950–1250年,持续数百年
  • 成因:太阳活动+火山活动+自然振荡
  • 范围:区域性显著,北半球分布不均
  • 速度:缓慢升降,自然节律可逆
工业时代变暖
  • 时间:工业革命至今,约170年
  • 成因:人类排放温室气体为主因
  • 范围:全球陆海同步一致升温
  • 速度:百年尺度前所未有,自然难逆转
同名不同质:过去暖期是区域自然节律,当前变暖是人为全球趋势——前者不能否认后者,反成凸显其异常的基线。
16第 16 页 · 历史上的温暖期与当前变暖

全球平均温度的百年上升

沿时间轴看百年升温:基线→缓升→平台→加速→累计,每段对应不同主导因素。

图解渲染中…
a1工业革命前基准期,距平=0°C 的参考起点a3中段平台期,自然变率短期压制升温信号a6相对1880基线累计升温约0.9°C
17第 17 页 · 全球平均温度的百年上升

全球变暖的信号识别

上一页我们看到全球温度百年明显上升,但历史上也曾有过温暖期。如何确认这次变暖是人为而非自然?关键在于从自然变率的'噪音'中,把人类活动的'信号'挑出来。

检测
先确认观测变化是否显著超出自然内部变率的范围
归因
进一步把信号归到具体外强迫因子(如人为温室气体)
指纹法
不同驱动因子有独特空间-时间'指纹',靠模式匹配区分贡献
医生诊断疾病对应 →气候变化归因

检测→听出杂音;归因→判断心疾还是感染;指纹法→不同病有不同心音特征

18第 18 页 · 全球变暖的信号识别

海平面上升

上一页我们确认了全球在变暖。温度升高最直接的后果之一,就是海平面上升。这「水涨」的背后其实是两个机制同时在推:海水受热膨胀,加上陆地冰融化汇入海洋。

热膨胀(steric 效应)
海水温度升高,分子运动加剧,水体体积膨胀。全球变暖 1℃,表层海水约膨胀 0.02%。
陆地冰融化
冰川、冰盖(格陵兰、南极)融化后流入海洋,相当于往海里「加水」。海冰融化不算。
当前上升速率
卫星测高显示 1993 年以来海平面年均上升约 3.3 毫米,且近十年明显加速。
贡献占比
2005 年后冰川/冰盖融化已超过热膨胀,成为头号贡献者,约占总上升量的 55–65%。
烧水时水从锅里溢出对应 →海平面上升

加热让水膨胀溢出(=热膨胀),往锅里加水(=陆地冰融化)水位也涨。海冰融化只是冰化在水里,水量不变。

19第 19 页 · 海平面上升

海洋的变化

海平面上升是海洋给我们的'明牌',但海洋还背着两个'暗账'——一边在偷偷变酸,一边在拼命储热。

海洋吸碳
自工业革命以来,吸收了人类排放CO2的约25%–30%
酸化机制
CO2溶入海水→生成碳酸→释放氢离子→pH下降
酸化的实测
表层海水pH已从8.2降至约8.1,氢离子浓度增加约26%
海洋储热
全球变暖多出的热量,约93%被海洋吸收
双重压力
酸化威胁珊瑚与贝类等钙化生物;储热放大热膨胀与极端天气
汽水里的气泡对应 →海水酸化

汽水把CO2压进水就变酸,海水吸了过量CO2也在'变汽水'

CO2+H2OH2CO3H++HCO3CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-
20第 20 页 · 海洋的变化

极端天气事件的变化

海洋吸收了九成多余热量,看似'缓冲'了升温——然而大气与海洋的额外能量,正以极端天气的形式释放:热浪、强降水、强台风,频次与强度都在抬升。

热浪
频次与持续时间显著增加,1990年代以来欧洲等区域夏季热浪强度倍增
强降水
克劳修斯-克拉佩龙关系:每升温1°C,大气持水能力约增7%,降水极值放大
热带气旋
强台风/强飓风占比上升,但全球年均总数未必增多,区域差异显著
归因科学
定量剥离人为变暖对单一极端事件的贡献概率,已能对单次热浪、洪涝归因
做了手脚的骰子对应 →气候变化下的极端天气

平均值变化小,但概率分布右尾被拉长——极端事件概率显著放大

$$e_s(T) = e_s(T_0)\,\exp\!\left[\frac{L}{R_v}\!\left(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T}\right)\right]\;\Rightarrow\;\frac{de_s}{e_s\,dT}\approx 7\%/\text{K}$$
21第 21 页 · 极端天气事件的变化

全球变化核心检测

点击作答

下列哪项证据最能体现人类活动引起气候变化的'指纹'特征?

22第 22 页 · 全球变化核心检测

中国气候变化的观测网络

国家气候中心与台站观测体系

中国气候变化的观测网络
国家气候中心与台站观测体系
23第 23 页 · 中国气候变化的观测网络

中国近百年温度变化

1951-2015中国温度变化可从趋势、区域、对比三条主线读这张图

图解渲染中…
B1全国平均地表气温相对1951-1980基准累计升高约1.2℃B21980年代后升温速率明显加快,呈非线性C1东北、华北、西北升温幅度普遍大于南方D2城市站点观测叠加了热岛效应,需做均一化订正
24第 24 页 · 中国近百年温度变化

中国降水格局的改变

高中地理就学过:东部季风区'南涝北旱',西北干旱区'干旱少雨'。但近几十年的观测发现,这两个老印象都正在被改写——而且方向出乎意料。

东部季风区降水重新分配
华北、东北南部降水减少;长江中下游至华南降水增多;夏季风雨带偏南、北推乏力
'南涝北旱'格局加剧
20世纪70年代末以来持续强化,干旱带由黄河流域向淮河流域扩展,是叠加在变暖上的区域响应
西北干旱区'暖湿化'转型
1980年代以来降水增多、冰川融水增加,部分地区径流上升——干旱区并非单向变干
极端降水事件显著增多
全国1日、3日极端降水强度与频次上升,强降水更集中更短促,与平均降水趋势并不同步
花洒与新接管对应 →季风水汽分配

总水汽量变化不大,但夏季风这把'花洒'喷洒不均——南方多北方少,西北像被悄悄接了根新管

25第 25 页 · 中国降水格局的改变

极端气候事件的中国特征

上节我们看到中国降水的"平均值"在变——但平均值只是故事的一半。更值得警惕的是那些破纪录的极端瞬间。

高温热浪显著加剧
35℃以上高温日数增加,热浪在频率、持续时间、强度三项指标上同步抬升
极端降水强度增强
短历时强降水增多,单日/小时降水量极值不断刷新,但年降水日数在减少
区域类型差异明显
长江中下游与东南沿海暴雨集中;华北与西北则热浪、干旱更突出
复合极端事件趋多
高温叠干旱、暴雨叠风暴潮等组合增加,灾害风险被相互放大
低烧 vs 高烧惊厥对应 →平均升温 vs 极端事件

平均气温升1℃像低烧;极端事件像高烧惊厥——后者对社会的冲击远大于前者

26第 26 页 · 极端气候事件的中国特征

中国的温室气体排放

2015年前后,中国年碳排放已超欧盟、美国之和,占全球近三成。但工业革命以来两百多年的累积排放,发达国家才是大头——理解这两组数字的差距,是讨论气候责任的前提。

年排放全球第一
2006年起超越美国成为最大排放国,2014年约占全球29%,已超过美欧合计
累积排放占比较低
1750年以来累积排放仅约12%,美国约27%、欧盟约22%——历史责任更多在发达国家
人均排放仍低于发达国家
中国人均约7.5吨/年,美国约16吨,欧盟约8吨
两人往同一水池注水对应 →累积排放 vs 当年排放

一人注200年(发达国家),一人注30年(中国);新水龙头流量大但总水量仍少

27第 27 页 · 中国的温室气体排放

中国与全球气候变化的异同

全球变暖是底色,中国是局部放大镜——既有同步,也有"放大"与"错位"。

全球气候变化
  • 百年升温约1.1°C
  • "湿更湿、干更干"
  • 热浪与强降水频次上升
  • 主因:化石燃料燃烧
中国气候变化
  • 升温略高于全球均值
  • "南涝北旱"格局加剧
  • 复合型极端事件显著增多
  • 历史累积排放低、当前年排放居首
趋势同根同源,区域有放大;责任看历史累积,行动看人均与峰值。
28第 28 页 · 中国与全球气候变化的异同

知识框架回顾

  • 气候系统是多圈层耦合整体,人为活动成主驱动
  • IPCC多轮评估确立了人类影响气候的共识
  • 地质证据表明现代变暖速率远超自然波动
  • 海温海平面极端天气构成变暖的多通道证据
  • 中国气候变化与全球同步,区域特征需关注
延伸主题:未来情景预测与SSP路径气候适应与减缓策略碳达峰碳中和路径
29第 29 页 · 知识框架回顾

课后思考

先合上书,用自己的话回答下面三个问题,再点开参考答案对照思路。

1为什么把1980年代以来的快速升温归为'气候变化',而不仅仅是'气候变率'?

参考答案关键检验:升温是否系统性超出自然变率范围?需要多条独立证据(温度、海平面、冰盖)指向同方向,且无法被太阳、火山等自然因子解释——这就是「气候变化」而非「变率」。

2某地连续五年降水偏多,但全球仍在升温——你能判断这是气候变化信号吗?还需要哪些证据?

参考答案五年连续偏多只是变率表现。要判断为信号,需看长期趋势是否显著、空间模式是否符合物理机制(如变暖大气持水增强→极端降水增多)、能否归因到人为强迫。

3从'认识气候变化'到'做出应对决策'之间,科学家能走多远?哪些环节必须留给社会?

参考答案科学能:量化情景、评估风险、估算成本。科学不能:设定价值目标、裁决代际公平、克服政治阻力。讲清楚不确定性是本职,但选择权属于社会。

30第 30 页 · 课后思考
全球与中国的气候变化——制作于2015/2016 · 知识图解