大气温室气体含量的变化

目前大气中温室气体含量比过去至少80 万年任何时间都要高。我们是如何得知这个结果，以及怎样确定是人类活动导致了过去几百年温室气体含量迅速增长的呢？对极地冰川中捕获的气体进行测定，为大气组成的长期变化提供了珍贵记录。

图1 展示了CO2、CH4和N2O 的观测结果。图中下方两条曲线展示了全球气候变化的相应替代数据。在该图的记录时间范围内，CO2 浓度的波动范围是180 ppm到290 ppm，CH4浓度在400 ppb 到700 ppb 之间变化，N2O  浓度在200 ppb到280 ppb 之间波动（N2O  的数据相对不完整）。这三种气体的浓度在冰期明显较低，在相对温暖时期较高，但都远低于现在空气中的含量（CO2 约为400 ppm，CH4 约为1850 ppb，N2O 约为320 ppb）。图2 更明确地强调了今昔对比情况，该图总结了自上一个冰期以来的2 万年发生的变化。图2右侧展示了过去几百年内几乎呈垂直增长的浓度曲线。

图1  温室气体CO₂、CH₄和N₂O 浓度变化（IPCC，2007）

图2（a）～（c）展示了根据观测的气体组分变化数据，分别估计的辐射强迫［由政府间气候变化专门委员会（IPCC）命名］变化情况（右侧纵轴）。如果根据图中温室气体浓度变化的观测数据能够合理估计出地球能量净输入的变化，将具有重要意义。为了说明辐射强迫每年随时间的变化情况，图2（d）展示了辐射强迫的变化率，该数据是基于图2（a）～（c）中三种气体对辐射强迫贡献总和的时间变化率计算得到的。据Hansen 等（2011）估算，自现代工业时代以来数百年内温室气体浓度迅速增长，到2003 年有效净辐射强迫值约达3 W/m2。

图2  CO₂（a），CH₄（b）和N₂O （c）的浓度和对过去2 万年辐射强迫的贡献；（d）为辐射强迫的变化率（IPCC，2007）

如图3 所示，Hansen 等（2011）估算了过去50 年内，温室气体浓度变化导致辐射强迫同比（与往年同期相比）变化的情况。值得注意的是，1960～1990 年间，辐射强迫值逐年迅速增加，但从1992 年起，增速开始下降，1992～1998 年辐射强迫值仅有小幅回升，在过去10 年内达到相对稳定的水平。20 世纪80 年代末和90 年代初，辐射强迫值短期内出现下滑的原因是CO2、CH4和氯氟烃（CFCs）浓度增长率缓慢降低。由于1987 年保护平流层臭氧的《蒙特利尔议定书》顺利执行，CFCs 浓度增长率有所下降。目前辐射强迫每年增加约0.04 W/m2，如果保持这个增长速度不变（近几十年皆如此），10 年后，全球地表平均温度将升高约0.3℃[如前所述，假定气候敏感度为0.75℃/（W/m2）]。因为海洋与部分陆地的热惯性，相当一部分升温会滞后发生。正如我们所预见的，早期阶段辐射强迫值（3 W/m2）的持续增加，是全球地表平均温度升高，以及额外的热量在海洋累积的原因。

图3  过去50 年来与温室气体相关的辐射强迫的年度变化（ Hansen et al., 2013）

近些年温室气体浓度发生巨大变化，主要原因归结为人类活动，对这个观点是否有疑问？过去几百年内观测到的变化，有多大机会是80 万年一遇的异常自然现象？毫无疑问，答案是否定的。事实上，我们至少了解了近期这些变化的原因。

部分是由于我们对作为一次能源的化石能源的依赖程度不断增强，部分是因为全球人口数量有史以来首次突破70 亿，由此带来巨大的能源和技术需求压力。

与煤炭、石油和天然气燃烧相关的污染物排放增加是导致CO2 含量升高的主要因素。1995～2007 年间，传统化石燃料燃烧导致大气中CO2 含量上升了893 亿吨（地球上人均排放接近13 吨），其中29%转移到海洋，15%由生物圈吸收，57%保留在大气层（Huang and McElroy, 2012）。可以预想到，如果全球能源政策没有重大改变，当今加速排放的趋势会延续至可预测的未来。与工业化前的水平相比，接下来几十年内，预计CO2 浓度将会增长多达两倍（将超过560 ppm）。

在厌氧条件下（氧气浓度很低），通过有机物获取营养的微生物在代谢过程中会产生甲烷。富含有机物的沼泽是甲烷的重要自然来源（事实上甲烷也被称为沼气）。水稻田的环境和天然沼泽类似，因此也与甲烷的产生有关。家养牲畜以及使用化石燃料也会产生甲烷。这种情况下，甲烷主要产生于化石燃料的提取和燃烧过程（尤其是煤和天然气），石油工业气体燃烧不完全，以及气体输配系统的意外泄漏。目前，大量有机碳存储于高纬度地区冻土中。人们担心，未来全球气候变暖会使冻土中的冰层融化，因此冻土可能将成为CH4（以及CO2）的主要排放源，从而进一步加速变暖。鉴于CH4 潜在来源的复杂性，同时它有可能成为气候变化的重要反馈，以及未来从大气中去除CH4 效果的不确定性，因此很难预测未来大气CH4 的变化趋势。

预测N2O 的未来变化也同样极具挑战性。毫无疑问，氮元素的微生物代谢过程是N2O 这种温室气体的主要来源。近年来N2O 浓度上升极有可能与氮肥大量施用，以及含氮废物排放量增加有关。这些含氮废物的产生不仅和全球人口数量日益增加有关，也和我们饲养的鸡、牛、羊以及其他动物数量的增加有关，这些动物可以满足我们对高级蛋白质和奶制品日益增长的需求。为提高食用作物产量，通常会向土壤中施加混合氮肥，这也是N2O 的一个重要来源。鉴于全球氮生物介质循环的复杂性，在目前和可预测的未来，是否能够合理控制导致N2O 浓度上升的因素，我们对此持怀疑态度。正因如此，本书中我选择聚焦于与化石燃料使用直接相关的温室气体，以及可以通过激励政策降低其排放的温室气体，尤其是CO2 和CH4。

全球地表温度升高

图4  在过去130 年（1880～2010 年）观测到的全球平均地表温度变化。浅色线条表示不确定。

资料来源：http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3/

图4 展示了1880～2010 年这130 年内全球平均地表温度观测值的变化情况。图中数据显示了自1880 年以来发生的变化，其参照值是1951～1980 年观测的平均温度值（即图中的零参照水平）。1880～1920 年左右，温度相对恒定。1890～1945 年增长了约0.5℃，1945～1975 年温度水平较为平稳，甚至有所下降，之后上升了约0.6℃。毫无疑问，地球目前的温度，至少是地表温度，要比过去130年内的任何时候都要高。在整个记录期内，温度上升了约1.0℃，其中约70%的增长发生在过去40 年内。

能源与气候： 前景展望

（美）M. B. 麦克尔罗伊（Michael B. McElroy）著；

鲁玺，王书肖，郝吉明译

北京：科学出版社，2018.06

责任编辑：杨震  刘冉  宁倩

ISBN 9787030569745

全球气候正在以一种前所未有的速度变化着，地球能源的收支平衡被打破，由于日益严重的温室效应，地球从太阳所获得的能量超过了返还太空的能量。海洋所含的热量在增加，地球表层和大气层的温度在升高，中纬度的冰川在融化，海平面持续上升，北冰洋的冰盖正在消失，这些说法都不是理论推断而是基本事实。《能源与气候： 前景展望》紧跟气候变化科学研究前沿，引领广大读者一起探讨当前全球面临的能源与气候变化问题，论述高屋建瓴，深入浅出。在全面探讨化石能源（煤、石油、天然气）的开发与使用对环境与气候变化影响的基础上，着重阐述未来多种低碳能源（核能、风能、太阳能、水能、地热和生物能）的前景与面临的挑战。此外，还特别比较了中、美两个能源大国的能源体系，阐明了两国在应对全球气候变化的挑战中的关键地位。最后，为全球能源系统提出了持续、低碳的未来发展路径，为我们重新审视中国的能源战略和发展模式提供借鉴。

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