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二氧化碳与全球变暖关系辩难(I)

已有 1230 次阅读 2019-11-4 13:18 |个人分类:大气、海洋、气候及其它|系统分类:观点评述

链接:            徐磊博文         我的博文


在博文后面,双方有很好的在科学理性基础上,静心平气的讨论和驳难。特地集中起来,以问答方式保存下来,并不妨有空时继续。


[徐]: 谢谢您的回应。我不认为人们应该把结论的总结局限于一个相对短得多的时间区间内的观测。

[吕]:80万年资料对我们关心的百年-千年尺度气候变化是一个更为合适的背景。亿年尺度上,CO2浓度的演化本质上不是由气候决定的,这个尺度上二氧化碳浓度和气候之间的关系只是更为宏大的地球演化(包括天文因素、地质构造变化、整个地球的化学变化)的一部分,无法用来和10万年以下的气候和现代气候做比较。因为两者性质完全不同啊。

反而80万年相对地球的历史比较短,所以大的地球(指包括固体地球在内)演化可以被认为是相对常定的背景,而物理气候本身(主要涉及海洋、陆地和大气及生物圈之间的相互作用)的规律可以做比较。

[吕]:找了一点地球大气演化的资料作为补充。

https://baike.baidu.com/item/%E5%9C%B0%E7%90%83%E5%A4%A7%E6%B0%94%E6%BC%94%E5%8C%96/4326706?fr=aladdin 。 其实5亿年还涉及地壳的演化、太阳的演化。这些都会比CO2更重要。只有当这些因素比较稳定的时候,二氧化碳的作用才能凸显出来。
就比如你做物理实验,在实验背景条件一样时,多样本的统计才有意义。

某种意义上(就气候而言),5亿年前的地球是另一个地球,而80万年至今的地球可以认为是同一个地球。因为在80万年时间尺度上,地球的天文、地质和化学演化特征已经接近了。


[徐]:关键是你没法控制地球的条件。它本身就是受非常多因素影响的,这是事实。二氧化碳的影响在诸多因素中微乎其微,所以过去数亿年来其和温度的关系才会是杂乱无章的情况,证明其无关轻重。

 [吕]: 在关于流体的理论中,一般都要应用相似理论。虽然地球本身不可能做控制实验,但背景条件相似时其演变的比较是有科学意义的。这就是为什么宁用80万年的资料,而不用亿年资料。
另外短时间尺度上(比如百年到几百年),地质天文背景完全可以设定为固定(控制实验),而物理气候内部遵守能量守恒定理、质量守恒定理[纳维-斯托克斯方程(大气和海洋环流)、辐射学、热力学第一定律等],所以我们的理解可以来自定量化的数学、物理和流体力学的理解。通过如赵九章先生提出的“数理化”和“高技术化”的发展(包括全球大气和海洋的立体观测),我们对大气和海洋基本状态的了解和计算机计算能力的进步已经足以让我们做控制条件下的大气和海洋状态的计算。而且这种计算是经过了几十年日常业务天气和海洋状态预报的检验的。


[杨]:以前就听说过:水蒸气[应为水汽]的保温作用,明显超过二氧化碳。不是学天气的,不懂这些。

[徐]:对于这个,红外吸收谱就能说明问题。温室效应最早被提出就是从这个角度提出的。

[吕]:水汽是最重要的温室气体,这也是大气科学和气候学的基本常识。

但水汽(和固态、液态水一起)是气候系统的内部变量。就像你不能提着你自己的头发悬到空中,水汽也不能靠它自己的变化引起气候的变化。

[王]:关于CO2和水蒸气的红外吸收问题怎么看?是认为水蒸气在大气中含量太低不能产生什么影响,还是认为水蒸气的影响已经在研究中刨除?

[吕]:水汽的作用从来没有被刨除。恰恰相反,水汽正是二氧化碳增暖效应可能变得比较严重的原因,因为水汽的反馈作用是迄今我们知道的最大的放大器。但正如我回答杨正瓴博主时说的那样,水汽(和固态、液态水一起)是气候系统的内部变量。就像你不能提着你自己的头发悬到空中,水汽也不能靠它自己的变化引起气候的变化。


[徐]:对于复杂系统,研究者首先应该要尊重复杂系统自身的性质,而不应该自欺欺人地说如果可以控制所有其他条件只观测单一因素,然后说观测到现象有多么大的意义。如果这个单一因素在诸多因素中其决定性作用,那这样做还有一定的意义。而现在你也承认领域里公然二氧化碳在“温室气体”中也是显然更弱的因素,那么再单独拿它出来说话就缺乏依据了。生物医学领域把夸大某个分子的作用的论文很多,大家都说自己关注的分子多么有意义,比别人的关注的重要,但是单单拎出来往往都不能用于治病,解决不了问题。

[吕]:我说的不是“观测”,而是通过大量控制实验的“计算”和观测做对比,再在此基础上做科学的推论。事实上,你如果有耐心认真读IPCC WG1(第一工作组,他们所做的就是文献综述]的报告,就可以知道他们在措辞上是何等谨慎。因为这些报告最终要经过那些包括反对全球变暖的国家在内的所有国家的同意才能正式发表。

[吕]:就观测而言,气候科学界当然不只单一观测二氧化碳,而是对几乎所有的温室气体包括甲烷、臭氧、氧化二氮;还有各种气溶胶(人为的和自然的如海盐飞沫)都做了大量细致的观测,在此基础上计算各种气体的辐射强迫及其不确定性。也是在这样的基础上,才初步认定人为排放的二氧化碳[有极大可能]是过去百年间全球增暖趋势的主要原因。

[吕]:关于复杂系统的讨论,值得进一步深入下去。气候系统作为复杂系统,突出表现在多圈层之间的非线性相互作用,也突出表现在气候变化的多时空尺度和尺度之间的相互作用。所以一般地我们需要区分不同时间尺度上的气候变化问题。

同样的,二氧化碳是不是重要,也要相对于具体的时间尺度。对于亿年尺度,二氧化碳很可能是次要的,或者不重要的。但对百年尺度(比如过去的百年和未来的百年)、千年尺度,甚至于十万年尺度,二氧化碳就很可能成为主导因素-当其它观测和可预测的天文、地质因素被证明是相对稳定不变的时候。

同时,二氧化碳之是否重要,还需要相对于对谁而言。对于有数十亿年历史的地球,也许并不重要。因为地球总还有几十亿年的寿命。但对于较短进化历史的人类,气候变化几度,也许就很是有关紧要。

但谁又能说,地球上必须有人类存在呢?人类之存亡,又有什么重要性呢? 归根到底,对二氧化碳的关心,不是着眼于几十亿年的地球,而是关心只有几万年历史的智人一族的生存而已。


[徐]:您援引我的回复的时候故意遗漏了“复杂系统”的关键前提。我相信您是明白地球生态属于复杂系统,并且决定地球气温的关键因素远非人类可控,这跟人类可以严格控制参数的实验环境存在巨大区别。这样重要的关键前提不容忽视。

  [吕]:你提到复杂系统,引起了我很大兴趣,确实是个值得深入思考的问题,自己在这方面也有很长时间的思考。但一时很难用简单明了的语言对领域外的朋友说明,而且即使是领域内的朋友真正敢说自己理解这个复杂系统的恐怕也只是少数。
这里暂只对和你的问题有关的部分稍做回复。
地球气候系统本身是不可能对之做控制实验的研究对象,从各种观测本身并不能推论因果关系这个道理凡学过物理学的都能明白。但好在由于过去100多年间物理学各个分支的发展,我们已经有了一个基本的描述气候系统动力学规律的数学理论基础尽管我们还不能说这是一个完备、确定无误的基础,这个数学理论基础已经在天气的理论解释和数值预报及大气环流的模拟、海洋天气的预报和海洋环流的模拟、大气和海洋热力结构的理解和计算,月、季节、年际(比如爱尔尼诺现象)、年代际气候现象的理论理解和计算重构甚至预报方面都得到了相当程度的成功(当然不是完美无缺的成功,因为系统是如此的复杂),也因此我们有一定自信地认为这个数学理论基础-无论它有多大的缺陷和不完美-可以尝试着作为真实复杂气候系统的一个近似系统。有了这个近似的气候系统,我们对它可以做很多的“控制试验”,同时可以和更加精确的观测相对照,或者说经历观测的检验。这样我们才一点点获得更多对这个复杂系统的理解。同时还要经过不断证伪,一点点更趋完善。这也正是气候科学在过去几十年中的发展历程,而IPCC的报告就是对这个发展历程的不定期综述和回顾。
所以说,对这个复杂系统,真正有把握说的也就是那些在我的博文里列出了的基本事实。而即使这一点点把握也是经过成千上万人一个多世纪的不懈努力才得到的。

作为这个领域的一位研究者,我对此感到敬畏,对同行们的努力心存敬意,也因此不愿意轻率地说更多武断的结论。


徐]:气候问题又恰恰还是复杂系统中极困难的,即使不是整体都是,但至少其中重要组成部分确定是混沌系统。IPCC亦承认我刚才之所说——“The climate system is particularly challenging since it is known that components in the system are inherently chaotic; there are feedbacks that could potentially switch sign, and there are central processes that affect the system in a complicated, non-linear manner. These complex, chaotic, non-linear dynamics are an inherent aspect of the climate system.” 援引出处:https://archive.ipcc.ch/ipccreports/tar/wg1/504.htm

而熟悉混沌系统概念的人,都清楚对于混沌系统,某个扰动可能都会极大地改变状态发展路径(尽管我确实不是做气候研究的,但我十来年前就专门读过混沌理论的专著)。对于气候问题,计算机模拟只能显示在什么情况下会发生什么,但是不能预测会发生什么,因为随机因素也会改变发展路径,而人类无法预测随机事件,只能给出概率。

吕]:混沌理论本来就是大气科学对整个科学界的一个重大贡献。你在瑞典,不妨化些时间了解一下Rossby,混沌理论的提出者Lorenz是Rossby学生(Victor Starr)的学生,IPCC最早的主席Bert Bolin是Rossby的学生,叶笃正、顾震潮先生是Rossby的学生,最早领衔对二氧化碳增暖做系统评估(Charney Report,1979)的Charney也是Rossby的学生。

 [吕]:另外,混沌理论并不意味着气候不可预测和预报,也不意味着天气和气候就是不可捉摸的随机过程,而是说明对其预测的能力有某个不确定的限度。需要明确具体的预测对象。



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