然而，地球自然系统中，可变性最强的子系统乃是大气系统，仅就地球上所有自然变化过程而言，气候变化过程则是最显著的变化过程。本文将以气候变化为重点，首先从标志着全球气候变化过程的地球自然系统的总体来认知其不确定性。众所周知，地球气候的变化过程，涉及到全球气候系统内外部各种因素的相互作用。无论用何种研究方法来诊断和预测气候的变化，必须首先深刻认识气候系统及其变化的复杂性。近二十多年来，由于地球科学的发展，特别是大气科学及其相关学科的迅速发展，人们对地球气候的形成和变化有了新的认识。“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。气候的形成和变化是全球气候系统（即大气、海洋、冰雪、陆面及生物各子系统），或从圈层的角度来看，气候的形成和变化乃是大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈五大圈层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。因此，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。关于气候系统的概念，近年来各种版本的教科书和中外论著已有相当多的论述。

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的。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，其中对流层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。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，因而对于外部强迫的响应比其它子系统迅速。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，尤其是温室效应强弱变化对气候的影响相当大。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），并有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)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。

至于其它子系统及其相互作用过程其复杂性与不确定性就更加明显，例如，迄今为止，人们对陆面与大气之间的物理量交换过程的认识及其描述，仍然不够。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，等等可严重地改变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。同样，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。所有这些都无法完全加以客观定量化。

   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冻期循环，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，交替循环其外面尺度约为1-20万年左右。即是人们常说的所谓冰期与间冰期（为区别于大冰期与大面冰期或温暖期），又称亚冰期与亚间冰期，如第四大冰期中就有许多这类变动。当然，对每一个冰期或间冰期，也还存在着时间尺度为万年的冷暖相对期，如此等等，层次分明地相互迭加，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，气候异常交替循环，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，气候变化时间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。应该说，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；后者则是气候系统同倍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，主要通过云水滴的反射率增高，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，都给气候的变化增加了复杂性^[2,3]。

既然气候系统各子系统内部物理过程相当复杂（如大气），彼此之间又有动量，质量、能量的交换与传输，因而必然构成气候变化的不确定性。例如，由于大气成分有许多不确定性（如CO2浓度增加，火山灰增加，水汽变化等），实际建立的辐射过程定量关系只能通过参数化作经验性的估计和简化；云的影响是气候系统中最不确定的复杂因素之一。它对地~气，海~气的能量和水份分布及其间接反馈效应是相当可观的。例如通过降水使大气和地面的水文过程相耦合；云滴由水汽、液态水、冰晶构成，云量分布的宏观确定，微观不确定，它不断改变地表的辐射和湍流输送，加之云中微粒的温室气体效应，因而对于地-气系统动量、热量，水汽交换及辐射都有重要影响。又如，地表反射率是陆面过程的基本参数，不同地表特征，其反射率有一定差异，且随季节而变化，很难准确测定。此外，陆面物质输送过程主要是水份循环，而蒸发、降水和地面径流等现象是主要循环形式。所有上述这些过程都有很多不确定性因素。最新研究成果还表明，大气气溶胶对短波和长波辐射有不同的复杂影响，它在对流层与平流层对辐射的直接和间接影响也不同； 至于CO₂过程所产生的温室效应是众所周知的，目前估计CO₂的人为排放量有一定的可靠性，但是，若考虑自然界的碳循环过程，尤其是海洋吸收部分，尚具有相当多的不确定性。综上所述，大致可归结为下列7个方面的不确定性：

1）温室气体的不确定性。

2）云对辐射作用的制约具有不确定性。

3）降水与蒸发的不确定性。

4）海洋热量输送与贮存的不确定性。

5）生态系统过程的未知因素。

6）外部强迫的不确定性。

7）大气、海洋系统本身的可预报性有不确定性。

鉴于上述不确定性的存在，气候变化的研究方法不应当仅仅局限于确定论的模型。科学实践表明，确定论方法遇到的“挑战”是严峻的。例如大气环流数值模式对初值的极其敏感性是不可克服的（相差极其微小的两个初始场，随时间的增加，其模拟结果的差异迅速增大，最终导致两者毫无相似之处）。“内在随机性”的存在，使得确定论不再占统治地位，它与随机方法论之间的鸿沟已经逐步填补。从辨证唯物自然观来看，确定论的数学模型只是纷繁复杂的大自然现象因果规律的一种理想化描述。在现实世界中，“量”的方面的数学的无穷性，比起“质”的方面的无涯无尽性来说，是极为粗浅的。无论怎样复杂的方程式都不可能是实际现象的无限复杂性的等价反映，它们充其量不过是相对精确或相对逼真地描述了现象，而不是现象本身的全部写照^[6]。以气候变化而论，气候系统包含许多复杂的非线性相互作用过程，这些过程能引起气候系统中在系统受扰动充分时可能超越的那些临界值升高(甚至可能是突变)。 这些突变和其他非线性变化包括来自陆地生态系统因气候引起的温室气体排放的大量增加、 温盐环流的崩溃、南极冰盖和格陵兰冰盖的锐减。尽管一些变化在近百年内发生的可能性很低；然而，21世纪的温室气体强迫将可能引起某些改变并由此导致在此后的几个世纪里出现这类变化。其中的一些变化在世纪到千年尺度内可能是不可逆的。在有关这类变化的内在机制和可能性或时间尺度上目前还存在相当大的不确定性；然而，来自极地冰芯的证据表明，近些年大气系统一直在发生变化，而且大尺度的半球性变化也将在几十年内迅速发生并对生物物理系统产生巨大的后果。

本文仅就地球系统所涉及气候变化的不确定性提出笔者的一孔之见，目前科学界远未解决的相当严峻的问题恰恰是如何克服和消除或是减少不确定性（尽管IPCC的第四次报告提出了一些方法），但笔者认为，在未能准确预测气候之前，这仍然是一个永恒的研究课题。(完稿于２００７．１２．１）

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