气候变化科学概论（修订版）

《气候变化科学概论（修订版）》依据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告的*新结论，同时在多次讲授气候变化科学课程基础上，去伪存真、集思广义编纂而成，是国内第一部针对气候变化科学课程的教材。内容主要包括：气候变化科学的发展、气候变化的观测事实、气候变化的驱动因子和归因、气候系统模式和气候现象、气候变化的预估；之后详述了气候变化的影响和灾害风险管理、气候变化适应、减缓与可持续发展，以及气候变化国际谈判与中国的减排行动等内容。《气候变化科学概论（修订版）》内容反映了当代气候变化科学的*新进展，并与环境保护、可持续发展相联系，也对国际合作和国内应对、人类未来经济社会发展的对策取向做了深入阐述。

目录
序一
序二
修订版前言
前言
第 1章气候变化科学的发展 1
1.1天气、气候、气候系统和气候系统变化 1
1.2 IPCC和气候变化科学 2
1.2.1 IPCC的组成2
1.2.2 IPCC的工作规则、程序和机制2
1.2.3 IPCC评估报告和系列报告3
1.2.4 IPCC评估报告的意义和作用3
1.2.5 IPCC AR5及其主要结论 4
1.2.6 IPCC特别报告和方法学报告6
1.2.7 IPCC工作的综合交叉与人类社会可持续发展之路8
1.2.8 IPCC的未来发展8
1.3气候系统变暖和极端事件 9
1.3.1 独立观测到的气候系统各个分量在不同的时空尺度的变化显示，整个气候系统都在变暖 9
1.3.2 极端天气和气候事件10
1.4自然和人类活动驱动的气候变化 11
1.4.1 气候的自然变率 11
1.4.2 人类活动对气候的影响12
1.4.3 1750年以来的人类经济活动和排放13
1.5 IPCC社会经济情景沿革 13
1.6气候模式的发展 14
1.6.1 气候模式的产生和发展14
1.6.2 从大气环流模式到地球系统模式15
1.7适应、减缓和可持续发展相协调的路径 15
1.7.1 气候变化的决策基础15
1.7.2 通过适应和减排措施等减少气候变化的风险16
1.7.3 适应路径和减缓路径的特征17
1.7.4 适应、减缓和可持续发展之间的交互关系等17
1.8发展中国家在 IPCC活动中的作用17
1.8.1 发展中国家参与的重要性和 IPCC奖学金计划 17
1.8.2 中国的作用和贡献18
思考题 19
名词解释 19
延伸阅读 20
参考文献 22
附件 22
第 2章观测到的气候系统变化 27
2.1气候观测系统 27
2.1.1 当代气候观测系统的发展27
2.1.2 气候系统观测要素与数据集30
2.2气候变化长期序列的构建 31
2.2.1 全球地表温度变化序列的构建31
2.2.2 影响气候变化检测的非均一性32
2.2.3 大气再分析32
2.3观测到的大气圈变化 33
2.3.1 大气成分的变化33
2.3.2 辐射收支变化35
2.3.3 温度变化 36
2.3.4 水循环变化39
2.3.5 大气环流 42
2.3.6 急流、风暴轴、天气型43
2.4观测到的冰冻圈的变化 44
2.4.1 全球山地冰川变化44
2.4.2 南极冰盖和格陵兰冰盖变化47
2.4.3 海冰变化 48
2.4.4 积雪变化 49
2.4.5 北半球多年冻土温度及活动层厚度变化49
2.4.6 冰冻圈其他要素（河湖冰等）的变化50
2.5观测到的海洋变化 51
2.5.1 主要海洋参数的变化51
2.5.2 影响海平面变化的关键因子及其观测到的变化52
2.6观测到的陆地表面的变化 53
2.6.1 植被绿度变化53
2.6.2 生长季变化54
2.6.3 土地退化和荒漠化55
2.6.4 地表反照率变化55
2.7地球能量收支变化及其在气候系统中的分配 56
思考题 57
名词解释 57
延伸阅读 58
参考文献 59
第 3章全新世气候变化 60
3.1过去气候变化研究的原理和假设 60
3.1.1 均一性 60
3.1.2 协同性 60
3.1.3 全息性 61
3.1.4 过去气候重建中不确定性61
3.2气候变化的形式、多时间尺度变化及可能驱动 61
3.2.1 气候变化的形式61
3.2.2 气候的多时间尺度变化62
3.2.3 气候变化的可能驱动63
3.3研究全新世气候变化的定年方法 65
3.3.1 14C测年法 65
3.3.2 210Pb测年法 66
3.3.3 137Cs测年法 66
3.4代用资料的特征及物理意义 66
3.4.1 冰芯 66
3.4.2 湖芯 67
3.4.3 海洋沉积 67
3.4.4 石笋 68
3.4.5 珊瑚 68
3.4.6 历史文献 69
3.4.7 树轮 69
3.5气候历史及全新世重大气候事件 69
3.5.1 重建的不同时间长度过去气候变化69
3.5.2 全新世重大气候事件72
3.5.3 现代暖期的历史地位74
思考题 74
名词解释 75
延伸阅读 75
参考文献 76
第 4章生物地球化学循环 77
4.1短寿命化学物质的循环 77
4.1.1 臭氧和气溶胶的源汇77
4.1.2 臭氧和气溶胶的浓度和分布特点79
4.1.3 不同 RCP情景下未来变化特点 81
4.1.4 臭氧和气溶胶对气候变化的响应及反馈82
4.1.5 耦合模式比较计划中全球大气化学过程的表达83
4.1.6 大气环境和气候双赢的减排策略85
4.2全球碳循环 85
4.2.1 碳循环及相关过程85
4.2.2 研究方法 87
4.2.3 工业革命以来全球碳收支90
4.2.4 未来全球碳源汇变化94
思考题 95
名词解释 95
延伸阅读 95
参考文献 97
第 5章气溶胶和云 98
5.1气溶胶 98
5.1.1 气溶胶的种类和来源98
5.1.2 气溶胶形成与变化过程99
5.1.3 气溶胶化学成分的气候学浓度100
5.2云 101
5.2.1 气候系统中的云101
5.2.2 云的辐射气候效应和云的数值模拟103
5.2.3 雾和霾 103
5.3气候变化中气溶胶和云的作用 106
5.3.1 气溶胶与辐射的相互作用106
5.3.2 气溶胶-云相互作用 107
5.3.3 气候变化一些重要议题中涉及的气溶胶和云问题109
5.3.4 大气气溶胶污染与气候变化相互作用 110
思考题 116
名词解释 116
延伸阅读 116
参考文献 116
第 6章人为和自然辐射强迫及气候反馈 118
6.1辐射强迫 118
6.1.1 辐射强迫的概念 118
6.1.2 快速调整概述120
6.1.3 ERF两种计算方法及其优缺点 120
6.1.4 温室气体的光谱性质和辐射传输模式121
6.2当前的人为辐射强迫 122
6.2.1 均匀混合的温室气体122
6.2.2 大气 O3和平流层水汽123
6.2.3 短寿命气候强迫因子124
6.2.4 气溶胶与辐射和云相互作用124
6.2.5 土地利用 126
6.3全球平均辐射强迫 126
6.3.1 不同种类物质的辐射强迫126
6.3.2 辐射强迫历史变化129
6.4自然辐射强迫的变化 130
6.4.1 太阳活动 130
6.4.2 火山活动 130
6.5云和云反馈 131
6.5.1 云反馈的概念131
6.5.2 热带云反馈132
6.5.3 中高纬度云反馈133
6.5.4 净云反馈的总结133
思考题 134
名词解释 134
延伸阅读 134
参考文献 135
第 7章气候变化的检测和归因 137
7.1气候变化检测和归因研究的意义 137
7.2气候变化检测和归因的相关统计概念 137
7.2.1 基本概念 137
7.2.2 常用的检测和归因方法139
7.2.3 气候模式在气候变化归因研究中的作用140
7.2.4 检测和归因研究的不确定性140
7.3对大气中气候变化现象的归因 141
7.3.1 温度变化 141
7.3.2 降水变化 148
7.3.3 大气环流和大气涛动变化148
7.4对海洋中的气候变化现象的归因 151
7.4.1 海洋温度和热容量151
7.4.2 海表面高度的变化152
7.5极端事件的归因 153
7.5.1 极端温度 153
7.5.2 极端降水 154
7.5.3 干旱 154
7.6中国气候变化的检测与归因 157
思考题 162
名词解释 162
延伸阅读 163
参考文献 164
第 8章全球和区域尺度的气候系统模式 165
8.1气候模式简介 165
8.2模式比较计划及结果在 IPCC评估报告中的应用168
8.2.1 不同全球模式比较计划168
8.2.2 CORDEX计划 171
8.2.3 在历次 IPCC报告评估报告中的应用172
8.3气候模式的评估 173
8.3.1 评估方法 173
8.3.2 应用于气候模式评估的观测数据175
8.3.3 评估中需要注意的问题175
8.4 CMIP5全球模式结果的综合评估176
8.4.1 大气 176
8.4.2 海洋 177
8.4.3 碳循环和冰雪圈等的变化177
8.4.4 变率和极端事件178
8.4.5 在中国区域的评估179
8.5区域气候模式及降尺度 180
8.5.1 基本原理 180
8.5.2 发展历史 180
8.5.3 在气候科学和气候变化预估中的应用181
8.5.4 误差订正简介182
思考题 183
名词解释 183
延伸阅读 184
参考文献 185
第 9章气候变化的预估 186
9.1气候变化预估的主要方法 186
9.1.1 年代际气候变化预测及其初始化方法187
9.1.2 百年气候预估与典型浓度路径190
9.1.3 年代际尺度统计预测192
9.2近期气候变化预估 195
9.2.1 预估的近期大气和地表的变化195
9.2.2 水循环 197
9.2.3 预估的近期大气环流变化199
9.2.4 大气极端事件200
9.2.5 预估的近期海洋变化201
9.2.6 预估的近期冰冻圈变化203
9.3长期气候变化 204
9.3.1 预估的长期大气和地表的变化204
9.3.2 预估的长期水循环变化205
9.3.3 预估的空气质量变化206
9.3.4 预估的长期冰冻圈变化206
9.3.5 预估的海平面变化206
9.3.6 碳循环和其他生物地球化学循环的长期预估209
9.3.7 减排与气候变化预估210
9.4中国区域气候变化的预估 211
9.4

第 1章气候变化科学的发展
　　气候变化科学研究证明，自 1750年工业化以来，人类社会大量使用化石燃料排放 CO2等温室气体（ greenhouse gases，GHGs）和多种化学物质，土地利用、毁林等人类活动，导致全球气候变暖，并在 20世纪中叶以来进一步加剧，成为制约人类社会可持续发展的重大问题。
　　以变暖为主要特征的气候变化，对自然生态系统和社会经济系统产生了深刻的影响，包括海平面上升、海洋酸化、冰冻圈退缩、水循环紊乱和水资源短缺、极端事件频发、自然灾害加剧、生物多样性受损、食物安全和人类健康受到威胁，以及经济损失加大、一些脆弱地区与经济部门的风险增加等，严重制约了各国的发展。因此，遏制逐渐失控的全球变暖趋势，实现 21世纪末全球平均 2℃温升目标，时间紧、难度大，减缓行动刻不容缓，各国应按照各自能力原则，共同努力，控制 GHGs排放，力争早日实现碳中和。从国家环境外交和社会经济可持续发展的需要来看，国家层面应该制定全面的气候政策，积极开展国际合作，未雨绸缪，投资低碳未来，发展绿色能源、可再生能源，推行循环经济，坚定不移地走可持续发展之路，保护地球气候、环境，保护人类福祉，造福子孙后代。
1.1 天气、气候、气候系统和气候系统变化
　　天气是指短时间尺度内天气各要素的状态，如气温、降水、气压、风速、湿度等。气候是指各天气要素在一定时段内的平均状态，常用冷暖干湿来表示。地球表层的大气圈、水圈、冰冻圈、生物圈和岩石圈表层 5个圈层组成了气候系统。之所以称之为气候系统，是因为这几个圈层都与大气圈互相作用，影响着地球气候状态。换言之，如果不相互影响，就不是气候系统的成员。例如，水圈，水面以其反照率和巨大的冷 /热储影响着大气热量平衡，而大气的冷暖变化也影响水循环；冰冻圈的反照率、相变潜热、 GHGs的源汇转化等影响大气圈，而气候的冷暖也直接制约冰冻圈各要素的形成和发育；生物圈和陆地表面的变化也与气候互相关联。也可以举出不属于气候系统内的一些自然现象，如火山喷发释放二氧化碳（ CO2）、二氧化硫（ SO2）、火山灰等物质，影响气候；但气候变化，如温度上升、冻土退化却不可能引发火山喷发，所以火山活动不属于气候系统。
　　气候变化是指气候系统 5个圈层的变化。
　　联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）将气候变化定义为，气候变化是指可识别的（如使用统计检验）持续较长一段时间（典型的为几十年或更长）的气候状态的变化，包括气候平均值和 /或变率的变化。气候变化的原因可能是自然的内部过程，或是外部强迫如太阳周期、火山爆发，或者是人为的持续改变大气组成成分和土地利用等形式。
　　《联合国气候变化框架公约》（United Nations Framework Convention on Climate Change， UNFCCC）（简称《公约》或《气候公约》）将气候变化定义为“在可比时期内所观测到的在自然气候变率之外的直接或间接归因于人类活动改变全球大气成分所导致的气候变化”。由此可见， UNFCCC对可归因于人类活动改变大气成分导致的气候变化，与可归因于自然原因导致的气候变率作了明确区分。
　　气候系统 5个圈层中的任何一个圈层的变化都应当视之为气候变化，如全球变暖不仅仅表现在器测数据显示的地表平均温度的上升，海洋热含量增加，冰川退缩、多年冻土活动层加厚、积雪和海冰范围缩小、生物多样性锐减等，都属气候变化的范畴。
1.2 IPCC和气候变化科学
　　IPCC是现代气候变化科学的代名词，是气候变化科学昀具代表性的一支力量。从 1988年起，每 6～7年，全世界近千名在气候系统各圈层和社会经济与可持续发展各领域的科学家，将气候系统五大圈层的变化与人类社会经济活动相联系，对过去一段时间各国研究进展进行评估，为 UNFCCC谈判提供科学依据。这种将自然科学与人文社会学科结合的方向，是当代环境科学的一个“新常态”，也是现代意义上的“气候变化科学”。
1.2.1 IPCC的组成
　　全会（ IPCC Session）是 IPCC昀高决策机构，负责审查和修改程序，批准预算，批准并授权编写评估报告。联合国 193个成员都是 IPCC全会成员。
　　IPCC主席团由主席、秘书长、各工作组和清单专题组联合主席，以及 IPCC副主席和工作组副主席约 30人组成。主席团组成须确保 WMO的六个区域都有代表参加。IPCC各工作组和专题组设两名联合主席，由发达国家和发展中国家的科学家担任，专家作者队伍由各国政府推荐、主席团审查批准组成。 IPCC主席团、工作组和清单专题组联合主席及其主席团，以及作者队伍的组成须保持地理平衡，即政治平衡，须统筹考虑发达国家、发展中国家和经济转型国家科学家的参与。 IPCC还强调女性科学家的参与，特别是发展中国家的女科学家。
1.2.2 IPCC的工作规则、程序和机制
　　IPCC为决策者提供当前国际科技界对气候系统变化科学昀新认知的综合说明，即评估报告（assessment report，AR）和决策者摘要（summary for policymakers，SPM），前者可称为主报告或根报告。编写报告的工作原则是“严格（ rigor）、确凿（ robustness）、透明（transparency）、全面（comprehensiveness）”。
　　IPCC报告内容不得有政策倾向，作者对政策选择须持中立立场，提供的几种可能由决策者选择决定。报告不提倡特定的观点或行动，也不要求各国政府该做什么、不该做什么。
　　按照程序，IPCC评估报告要经过严格审查和反复修改。审查包括专家和同行评审，也包括政府评审。科学家和其他界别的专家均可应邀参加评审。 IPCC召开全会，和作者对话、协商，审查和批准报告。在对话和讨论中科学家拥有对科学准确性解释的决定权。全会在认为有必要提供独立的科学信息和咨询时，可以安排编写“特别报告”和“技术报告”。全会还通过其有关《国家温室气体清单》方法学工作，为《公约》提供支持。
1.2.3 IPCC评估报告和系列报告
　　IPCC全会做出决定后，各工作组先分别召开编写大纲规划会议（ scoping meeting），旋即组织各国政府推荐科学家，经遴选组成写作队伍，对经同行专家审稿后的科学、技术和社会经济文献展开评估。评估报告须将科学界对气候变化在哪些方面已达成共识，还有什么分歧，哪些方面还要继续研究，以及应对气候变化的相关风险等告诉决策者和读者。
　　评估工作分三个工作组和一个清单专题组。第一工作组（ WGI）负责评估气候系统变化的科学进展；第二工作组（ WGII）评估气候变化对自然系统和社会经济系统影响、脆弱性和适应；第三工作组（WGIII）负责评估限制 GHGs排放和减缓气候变化的选择方案。国家温室气体清单专题组（Task Force on National Greenhouse Gas Inventories，TFI）负责 IPCC《国家温室气体清单》工作。
　　三个工作组先后发布各自的由主报告、技术摘要（technical summery，TS）、SPM和常见问题（frequently asked questions，FAQ）组成的工作组评估报告。在 IPCC主席领导下，三个工作组合作，共同完成综合报告（synthesis report，SYR）。工作组报告和综合报告的 SPM经 IPCC全会逐行审查，达成共识通过后，评估报告即告批准完成。
　　IPCC已于 1990年、1995年、2001年、2007年和 2014年分别发布了五次评估报告。截至 2020年，应有关国家和地区的要求并经 IPCC全会批准，还组织编写了 13部特别报告、6部技术报告和 12部方法学报告（methodology report），具体见附件三。
　　IPCC AR6已于 2017年正式启动。 2018年 10月、2019年 8月和 9月分别发布了 AR6的三个特别报告《全球 1.5℃增暖》《气候变化与陆地》和《气候变化中的海洋和冰冻圈》，2019年 5月还发布了《 2006年国家温室气体清单指南方法学报告》（2019年修订）。三个工作组报告和综合报告将于 2021～2022年陆续发布。
1.2.4 IPCC评估报告的意义和作用
　　1990年以来， IPCC历次发布的气候变化评估报告都成为国际社会应对气候变化的权威文件，为国际社会各界广泛接受。评估报告科学性强，共识性高，也是各国政府制定应对气候变化政策和采取行动的重要科学依据。
　　IPCC于 1990年发布的第一次评估报告（ the First Assessment Report，FAR），阐明了气候变化问题的科学基础，促进了政府间的对话，推动了 1992年联合国环境与气候大会的成功召开，促使联合国大会做出制定《公约》的决定。 1995年发布的第二次评估报告（the Second Assessment Report，SAR）为系统阐述公约昀终目标提供了坚实基础，为 1997年《京都议定书》（Kyoto Protocol，KP）谈判成功奠定了科学基础。2001年第三次评估报告（ the Third Assessment Report，TAR）的发布，为制定国际气候变化政策，满足《公约》的目标，提供了客观的科学信息，推动了《公约》谈判的进程。 2007年第四次评估报告（the Fourth Assessment Report，AR4），阐述了过去五年气候变化科学的新认知，气候变化的影响和适应，以及减缓气候变化的可能对策等研究进展。 AR4的问世导致气候变化问题在全世界迅速升温，对包括中国在内的各国气候变化决策和谈判产生了重要影响。2014年 11月 1日在哥本哈根批准通过的 IPCC AR5的综合报告（ SYR），为国际社会采取进一步应对气候变化的行动，建立应对气候变化体制提供了科学依据和信息。IPCC AR6将为 2023年在斯德哥尔摩举行的第 33次全体缔约方大会谈判提供科学支撑。
　　IPCC AR5由三个工作组各自的报告、技术报告（ TS）、决策者摘要（SPM），以及 IPCC综合报告（ SYR）和两个特别报告（ special report，SR）组成。全世界有近一半的国家和地区，800多名科学家参加了 AR5编写工作。
　　WGI由来自 39个国家的 259名专家组成，成稿过程中共回答同行专家和各国政府的质疑 54677条，整理使用了约 200万 GB字节的气候模式资料，引用科学文献超过 9200个；WGII由 70个国家的 309名专家组成，回答质疑 50444条，引用 12000多个科学文献；WGIII的 235名作者来自 57个国家，回答质疑 38315条，分析了约 1200个社会经济情景，引用各类文献约 10000条。综合报告是在三个工作组报告基础上、由 51名作者组成的核心写作小组和 18名特邀写作组成员在 2013～1014年共同完成，作者来自 18个国家，回答质疑 5944条。《可再生能源与减缓气候变化》（Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation，SRREN）有 147名专家参加，回答质疑 24766条；《管理极端事件和灾害风险推进气候变化适应特别报告》（Managing Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation，SREX）有 220名专家参加，回答质疑 18611条。
　　第一、第二、第三个工作组的评估报告和综合报告分别于 2013年 9月 30日在瑞典斯德哥尔摩，2014