现在大家都在谈论未来气候将会怎样变化，而要对气候变化做出准确的预测，首先必须了解气候变化及其成因。本文主要根据有关资料和论文介绍目前有关气候变化问题的一些科学认识。有兴趣的读者请参阅文后所附参考文献。
讨论气候变化首先要了解气候与天气的差别，天气和气候不是一回事。天气是指某一特定时间和地点大气状态（用温度、气压、湿度、云量、降水和风向风速等气象要素表示），大多数地方天气时时、天天、月月在变化。公众日常关心的是每天的天气如何。而气候则是指某一地区天气的平均状况，通常由距某一时期的平均值的差值（气象上称距平值）表征。一般气候变化缓慢。经济活动的决策者和经济计划的制定者，更关心气候状况，特别是未来的气候。我们讨论气候变化时不要把天气异常和气候变化混为一谈。例如在7月份的某一天，我们问："广州天气怎么样？"你可以回答："前几天都很凉爽，但今天很闷热。"另一方面，我们问："夏天广州气候怎么样？"你可以正确回答："夏天很闷热。"事实上，夏季某几天广州凉爽，并不表示广州的气候已经发生了变化。同是7月第一周，多数年份可能很热，但有些年份则可能很凉爽。它属于一年一年之间的年际自然变化。多年平均来说，7月第一周的平均温度是比较稳定。碰到某年夏天特别热，人们往往议论气候反常了，很容易将它与一年一年的年际自然变化混淆起来，应该将一个地方天气的年际变化与气候变化区别开来。
关于全球气候变暖的研究已经在世界范围纷纷扬扬地进行了二十多年。1979年召开的第一次世界气候大会（FWCC），揭开了气候变暖研究的序幕。随之建立了世界气候计划（WCP）。由于气候变暖问题已经不再局限于科学研究的范畴，1988年由世界气象组织（WMO）、联合国环境署（UNEP）等机构联合建立了政府间气候变化专门委员会（IPCC）。先后发表了第1次（1990年），第2次（1995年）与第三次（2001年）科学评估报告。在2001年9月发表的第三次评估报告中，IPCC得到的结论是"有新的和更有力的证据表明，过去50年来观测到的绝大部分变暖是人类活动的结果"。但是，也有一些科学家向这种主流观点提出挑战。这些挑战往往言词激烈，论据偏颇，也确实有一些错误的见解和不事实求是的结论，但是其中有许多问题是值得深入讨论的。
首先我们来看看世纪地球表面温度的上升。全球气候的变暖，最重要的证据就是直接温度观测。但是，要证明全球变暖并不简单，有观测资料问题，也有分析方法问题。首先，就是如何处理单站气温观测，得到一个代表全球的气温序列。在过去的研究中曾经有大约三十多位作者作了这方面的尝试。经过时间的考验最后到20世纪80年末到90年代初，形成了英国（Jones）、美国(Hansen)及俄国（Vinnikov）三家。后来又增加了Peterson的序列，但是这是在Hansen的基础上作了一些修改得到的。尽管原始资料差不多，这4个序列的结果却并不完全一致。例如1998年这4个序列所给出来的气温距平却不相同，分别是0.77℃、0.55℃、0.59℃及0.87℃，可见差异还是不小的。IPCC第三次气候变化评价报告指出，全球平均地表温度自1861年以来一直在增高,20世纪增加了 0.6±0.2℃。2 0世纪增幅最大的两个时期为1910～1945年和1976～2000年。全球范围内,2 0世纪90年代是最暖的10年,而1998年是最暖的年份，20世纪可能是过去1000年增温最大的100年，平均来说,1950～1993年间,逐日夜间地表最低气温每10年增加0.2℃,而逐日白天陆面最高气温每10年增加0.1℃,而此间海面温度的增幅大约是平均陆面气温增幅的一半。
我们再来看气候变暖的其他证据：海洋温度:世界海洋的最上层300m在1998年 比1950年代中期温度上升了0.3±0.15℃。2、大气温度:探空资料显示对流层低层1958年以来有0.1℃/10a增温趋势。而1979年以来的卫星微波探测则显示增温趋势为0.05℃/10a。3、钻孔温度: 200～1000m深的地下温度在20世纪上升了0.5℃。大约80%钻孔的温度是上升的。4、陆地雪盖：1966年以来的北半球年平均雪盖面积有减少趋势。1980￠s中以来约减少10%。5、海冰：1973年以来卫星观测北极的海冰面积也有下降趋势。自1978年至今，北极海冰面积可能减少2.8%。6、冰川：冰川的前进后退是气候变化的良好指标。根据世界范围冰川资料，20世纪之前只有缓慢的后退，20世纪初后退加速，到20世纪末不少冰川后退了1～3公里。近20年热带雪线上升约100m，这大约相当温度上升0.5℃。
从以上所列举的证据来看，20世纪气候变暖已是一个无可争辩的事实。而且变暖在20世纪的最后20多年时间里是加速了。20世纪地面增温0.6℃有一半发生在最近的四分之一个世纪里。气候变暖在雪盖、海冰及山岳冰川的变化上均有反映，深海、深层陆地及对流层大气也有增温，只是增温幅度均小于地球表面温度变化。
经典气候学通常只对大气资料去研究气候状态，因此难以从本质上弄清楚气候变化的原因。随着研究的深入，人们认识到气候变化并不仅仅是大气自身的孤立演变。它和海洋、冰雪圈、陆地表面（岩石圈）、生物圈等是相互作用的，这就是当代气候学中"气候系统"的概念。气候的形成和变化是气候系统中各个子系统相互反馈作用的总体表现。因此当代气侯学已成为气象学、海洋学、地球物理学和生物学等多学科相互渗透的交*科学。
覆盖在地球表面的薄层大气是气候系统中最重要也是最活跃的部分，其他子系统往往是通过与大气的相互作用来影响气候变化的。大气运动的根本能量是太阳辐射。但由于大气本身的物理特性，它不能吸收短波的太阳辐射，只有当短波的太阳辐射被地球表面吸收，并以一定温度下的长波辐射返回大气时，大气才能吸收长波辐射并加热自己。由于地球表面分布的差异（有高山、平原、湖泊及海洋等），大气受到的加热并不均匀。这种不均匀加热通过对流扩散及水平输送等一系列物理过程使大气运动起来，当运动的范围较大时就称为大气环流。大气环流形势往往直接决定全球或区域的气候类型及其变化，气候异常通常同大气环流的某种持续异常有关，但目前还没有完全弄清楚大气环流持续异常的成因。此外 大气中各种成分（如臭氧、二氧化碳等）的变化对气候的影响也是不能忽视的。大气中的臭氧主要存在于10－50公里的高度区内，其含量虽然不高，但作用却很大，臭氧层对太阳紫外线辐射的吸收可导致平流层气温向上递增，影响到平流层的大气环流。进而影响到整个大气的气候状态。大气中的二氧化碳等温室气体通过影响大气的辐射过程，使得地表辐射温度增高。这种作用即是温室效应。近百年来 受人类活动的影响，大气中二氧化碳的含量迅速增加，温室效应的作用越来越大，对温度、降水及土壤温度都有明显的影响。此外太阳的黑子活动，火山喷发形成的大量微粒都会改变大气的辐射平衡过程，进而影响到气候的变化。
另一方面，地球表面大约71％的地区是被海洋覆盖的，特别在赤道地区海洋所占的面积比例就更大了。太阳辐射总量的70％左右被海水所吸收。由于海水的物理属性和空气不一样，海水的密度比空气大一个量级，比热比空气大4倍多，所以海洋是一个巨大的能量源，这些能量将以潜热、感热和长波辐射的形式输送给大气，驱动大气的运动。因此，海洋热状况的变化将时大气的运动产生重要的影响，从而引起气候变化。反过来大气又通过风应力作用于海洋表面，驱动海洋运动形成海洋环流。它们之间是相互影响相互作用的。最近二十年的研究纪结果表明，海洋与大气之间的相互作用（ENSO）现象就是其中之一。 所谓ENSO实际上是厄尔尼诺（Elnino）和南方涛动（SO）的简称。厄尔尼诺指的是发生在赤道东太平洋附近的海水异常增暖现象，而南方涛动则是指赤道东太平洋上空大气压力场呈现出的一种跷翘板变化的现象。它是气候变化的重要内容，对于几年到几十年时间尺度的气候变化和预测只有在充分了解海洋与大气相互作用的基础上才可能得到解决。但海洋和大气作为一个非线性的耦合系统，其相互作用的过程是极为复杂的，到目前为止这种相互作用的机制仍然不是十分清楚。
同海洋一样，陆地和冰雪圈的变化也会对大气环流和气候变化产生重要的影响，而大气环流和气候变化反过来也会影响陆地和冰雪圈的变比。陆地和雪盖主要通过影响地表反照率及土壤湿度和温度而对大气环流和气候变化起作用。大气环流和气候变化则通过云、降水和气温的变化对陆地和冰雪圈起作用。冰雪的主要作用是增大地表反照率，当冰雪面积大时，由于更多的太阳辐射被反射，地面空气温度将会降低，这又造成冰雪面积的扩大，对大气运动起到冷却的作用。同时由于其融化时要吸收热量，可使季节升温变慢。海冰除了同雪盖一样通过地表反照率和感热交换等过程影响大气环流和气候变比外，它还对海洋盐度产生影响，进一步间接影响气候变化。
生物圈对气候变化非常敏感，植物可以随着温度、降水及反射的变化而发生自然变化。不同的气候带因降水量和气温的不同而用拥有不同的生物群落，如热带雨林，中纬度草原等。但有植被覆盖的地方，其地表反射率一般比裸地小许多，从而吸收太阳辐射就比较多。植物冠部有较高的蒸发能力，植物根系可以把深层土壤的水分抽吸到叶茎上，从而改变土壤含水量和地下水循环。此外，植物还可以通过光合作用调节大气中二氧化碳的含量，部分减少由于温室效应造成的升温。另一方面，植被的存在还使地表粗造度增大，使地表摩擦及地面和大气之间的交换过程发生变化，这些过程都会影响到气候的变化。
我们已经知道过去的气候发生过变化，但这种变化是自然的原因造成的，而前述最近自1860年开始仪器观测以来全球平均温度上升，在很大程度上是人类活动引起的。事实上，观测到的变暖与大气中温室气体浓度的增加有关。主要的温室气体二氧化碳，从1750年的大约280ppmv(容积百万分之一)增加到2001年底的370 ppmv，增加的比率为32%。同一时期，大气中甲烷和二氧化氮的浓度分别增加了151%和17%。大气中二氧化碳增加的观测结果，使WMO在1976年第一次发表了关于温室气体在大气层中累积增加对我们未来气候造成的潜在影响的权威陈述。
气候变化能否预测？气候系统如此复杂，上述气候变化成因还有待进一步研究。但气候灾害频繁发生的现实却使人们期望能够准确预测未来的气候变化。那么，气候变化能不能预测，或者说能够有多大程度上预测未来的气候变化。这是目前人们十分关心的问题。
随着流体力学的发展，人们找到了控制大气和海洋这类流体运动的动力学方程组，人们开始用数学语言来描述大气的运动过程，并尝试通过求解这些动力学方程来预报大气变化。但直到二十世纪五十年代中期，由Charney等人在美国普林斯顿大学利用一个简化的正压涡度方程制作出了世界上第一张数值天气预报图后，才真正开始了数值预报大气运动的时代。从那以后，数值天气预报取得了长足的发展。今天，一个星期内的短期数值天气预报的准确率已经令人满意。在短期数值天气预报方面取得的成绩使人们自然而然地想，如果将预报的时间延长到月、季、年并充分考虑到气候系统中各个子系统的相互作用不就可以作气候预报了吗？但尝试的结果令人沮丧，原因到底是什么呢？气象学家Lorenz发现，像大气这样的非线性方程的解对初始值非常敏感，当初始值有微小的变化时，非线性方程的解有非常大为变化。他进而指出气候变化是不可预测的，Lorenz也由此成为混沌学的开创人之一。
但是，实际大气观测结果和数学描述的结论并不十分符合。例如一年中四个季节总是交替出现的，每个季节大气的多年统计平均值总是在一定的幅度内波动，即便发生气候异常，其对多年统计平均值的偏差也不会太大。这种客观事实的存在，重新树立起人们对长期数值天气预报的信心，也促使人们改变原来的预报观念，不再拘泥于对未来气候确定状况的预测，而是将预测的重点放在未来气候的变化倾向上（如温度的偏高或偏低，而不再顶预测具体的温度值），即形势场的概率预报上。这种基于动力学模式集合预报的概率预测方法是目前较好的预测气候方法。利用这种方发曾成功预测出1997／98年Elnino事件的发生。此外，在选择了合适的影响气候变化的权重因子后，利用传统的数学统计方法也能对某些气候异常事件做出预测。如对1998年长江流域特大洪涝灾害的准确预测。但就目前的气候预测水平而言，每一种预测方法的准确率都有待提高。
根据目前科学认识水平所做的预测，IPCC第三次评估报告指出，全球平均地表温度将在1990到2100年期间提高1.4～5.8℃。这一预测的变暖比率较20世纪观测到的变化要大得多，而且很可能在过去至少10000年里是没有先例的。估计海平面高度在1990到2100年期间上升9～88厘米。这将会由于低岛、海港、部分农田、淡水资源、旅游地和发达的沿海地区受到威胁而产生重要的社会-经济影响。预计在21世纪降水将要增加。在低纬的某些地区降水量会减少，而在其他地区则会增加。在中高纬地区，降水会增加。干旱和洪涝将更为普遍。目前预测今后100年厄尔尼诺事件的幅度不会变化或变化很小，但由于温度的升高，与厄尔尼诺事件相关的旱涝极端事件会更为严重。另外，亚洲季风降水变率可能会加大。
从全球平均结果和长期变化趋势来说，这些预测有一定可信度；但因温室气体排放情景是假设的，使用的资料不完整，模式物理过程不完备（如云和辐射的作用），降水模拟和区域气候模拟误差比较大，使预测结果带有不确定性。为了更深入了解气候变化成因，作出更加可信的预测，必须进一步开展气候系统的外场观测，加强气候变化过程研究，努力改进模拟水平，弄清对气候变化预测中固有的不确定性问题。
参考文献
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