编者注：这篇文章最初发表于2007年7月刊，现重新发布，以突出诺贝尔奖获得者在《大众科学》上发表文章的悠久历史。
对于研究气候变化的科学家来说，“尤里卡”时刻异常罕见。相反，进步通常是通过一丝不苟地将来自每次新的温度测量、卫星探测或气候模型实验的证据拼凑起来实现的。数据经过反复检查，想法经过一遍又一遍的测试。观测结果是否符合预测的变化？是否可能有其他解释？优秀的气候科学家，像所有优秀的科学家一样，希望确保最高的证据标准适用于他们发现的一切。
随着气候记录变得更长，随着我们对气候系统的理解不断提高，以及随着气候模型变得越来越可靠，变化的证据不断积累。在过去的20年中，人类正在影响气候的证据已不可阻挡地积累，随之而来的是科学界对近期气候变化的现实以及未来更大变化的可能性的日益确定。这种日益增长的确定性鲜明地反映在政府间气候变化专门委员会（IPCC）的最新报告中，该报告是关于该主题知识状况的一系列评估中的第四份报告，由全球数百名科学家撰写和审查。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
该小组在2月份发布了报告第一部分（关于气候变化的物理科学基础）的浓缩版。这份名为“决策者摘要”的文件向决策者和普通民众传递了一个明确的信息：科学家比以往任何时候都更有信心，人类已经干预了气候，并且进一步的人为引起的气候变化正在到来。尽管该报告发现其中一些进一步的变化现在是不可避免的，但其分析也证实，未来，特别是从长远来看，仍然很大程度上掌握在我们手中——预期变化的幅度取决于人类选择如何应对温室气体排放。
物理科学评估侧重于四个主题：气候变化的驱动因素、气候系统中观测到的变化、对因果关系的理解以及未来变化的预测。自2001年IPCC评估以来，所有这些领域的研究都取得了重要进展。在接下来的篇幅中，我们将阐述关键发现，这些发现记录了变化的程度，并指出了人为活动正在驱动变化的不可避免的结论。
气候变化的驱动因素 由于人类活动，许多气体的 атмосферные концентрации 大气浓度（主要是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和卤代烃（曾经广泛用作制冷剂和喷雾推进剂的气体））有所增加。这些气体通过众所周知的温室效应将热能（热量）截留在 атмосферные концентрации 大气中，导致全球变暖。在过去的200年中突然和迅速加速增加之前，二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的 атмосферные концентрации 大气浓度在近10000年中大致保持稳定。二氧化碳浓度增长率在过去10年中比自1950年代开始持续大气监测以来的任何10年期间都快，现在的浓度大约比工业化前水平高35％（这可以从冰芯中捕获的气泡中确定）。甲烷水平大约是工业化前水平的2.5倍，一氧化二氮水平大约高20％。
我们如何确定这些增加是人为造成的？某些温室气体（例如，大多数卤代烃）没有天然来源。对于其他气体，两个重要的观察结果证明了人类的影响。首先，浓度在地理上的差异表明，来源主要发生在人口稠密的北半球的陆地上。其次，对同位素的分析（可以区分排放源）表明，二氧化碳增加的大部分来自化石燃料（煤炭、石油和天然气）的燃烧。甲烷和一氧化二氮的增加来自农业实践和化石燃料的燃烧。
气候科学家使用一个称为辐射强迫的概念来量化这些浓度增加对气候的影响。辐射强迫是相对于工业化前时期，地球全球能量平衡中引起的变化。（强迫通常以每平方米瓦特表示。）正强迫导致变暖；负强迫导致冷却。我们可以相当精确地确定与长寿命温室气体相关的辐射强迫，因为我们知道它们的大气浓度、空间分布以及它们与辐射相互作用的物理特性。
气候变化不仅仅是由温室气体浓度增加驱动的；其他机制（包括自然机制和人为机制）也发挥了作用。自然驱动因素包括太阳活动的变化和大型火山爆发。该报告确定了几种其他重要的人为强迫机制——称为气溶胶的微小颗粒、平流层和对流层臭氧、地表反照率（反射率）和飞机尾迹——尽管这些机制的影响远不如温室气体的影响确定。
研究人员最不确定的是一种称为气溶胶云反照率效应的气候影响，其中人为来源的气溶胶以复杂的方式与云相互作用，使云层更明亮，将阳光反射回太空。不确定性的另一个来源来自人为来源的气溶胶的直接影响：它们作为颗粒直接反射和吸收多少阳光？总体而言，这些气溶胶效应促进了冷却，可以在一定程度上抵消长寿命温室气体的变暖效应。但是抵消多少？它会压倒变暖吗？自2001年IPCC报告以来取得的进展之一是，科学家通过许多建模和观测研究的结合，量化了与每种单独的强迫机制相关的不确定性。因此，我们现在可以自信地估计人为总成分。我们的最佳估计是，大约是太阳活动变化引起的自然辐射强迫的最佳估计的10倍。
这种净正辐射强迫增加的确定性与接下来讨论的观测到的变暖证据非常吻合。这些强迫可以可视化为一场拔河比赛，正强迫将地球拉向更温暖的气候，而负强迫则将其拉向更凉爽的状态。结果是一场毫无悬念的比赛；我们比以往任何时候都更了解竞争对手的力量。地球正在被拉向更温暖的气候，并且随着温室变暖的“锚”越来越强，地球将被越来越大地朝这个方向拉动。
观测到的气候变化 为2007年IPCC报告及时提供的大量新的或改进的观测数据集使得对变化的评估比早期报告中可能进行的评估更为全面。观测记录表明，自1850年左右可靠记录开始以来，过去12年中，有11年是最温暖的。
如此温暖的年份纯粹偶然地连续发生的几率极小。全球温度、海平面和北半球积雪这三个重要量的变化都显示出变暖的证据，尽管细节有所不同。之前的IPCC评估报告称，1901年至2000年期间的变暖趋势为0.6±0.2摄氏度。由于最近的强烈变暖，1906年至2005年的更新趋势现在为0.74±0.18摄氏度。请注意，仅1956年至2005年的趋势为0.65±0.15摄氏度，这强调了20世纪的大部分变暖发生在过去50年中。当然，气候继续围绕增加的平均值而变化，极端情况也随着这些平均值而发生了一致的变化——霜冻日和寒冷的白天和夜晚变得不那么常见，而热浪和温暖的白天和夜晚变得更加常见。
气候系统的属性不仅包括温度、降水等的熟悉概念，还包括海洋和冰冻圈（海冰、格陵兰和南极洲的大冰盖、冰川、积雪、冻土以及湖泊和河流上的冰）的状态。气候系统不同部分之间的复杂相互作用是气候变化的基本组成部分——例如，海冰的减少增加了海洋对热量的吸收以及海洋与大气之间的热流，这也会影响云量和降水。
大量额外的观测结果与观测到的变暖广泛一致，并反映了热量从大气流入气候系统其他组成部分的情况。春季积雪随着北半球中纬度地区春季气温的升高而减少，在1988年左右突然下降，此后一直保持在较低水平。这种下降令人担忧，因为积雪对许多地区的土壤湿度和水资源至关重要。
在海洋中，我们清楚地看到了变暖趋势，正如预期的那样，变暖趋势随着深度的增加而减小。这些变化表明，海洋吸收了气候系统中增加的热量的80％以上：这种变暖是海平面上升的主要原因。海平面上升是因为水受热膨胀，以及来自融化的冰川和冰盖的水被添加到海洋中。自1993年以来，卫星观测使得可以更精确地计算全球海平面上升，现在估计1993年至2003年期间每年上升3.1±0.7毫米。之前的一些十年显示了类似快速的速度，需要更长的卫星记录才能明确确定海平面上升是否正在加速。自1978年以来，北极海冰范围大幅减少（年平均每十年减少2.7±0.6％，夏季每十年减少7.4±2.4％），多年冻土温度升高，以及全球范围内以及格陵兰和南极冰盖冰川范围减少，这些都在近几十年中被观测到。不幸的是，直到最近几十年，这些量中的许多量才得到很好的监测，因此它们的记录起点各不相同。
水文变化也与变暖广泛一致。水蒸气是最强的温室气体；与其他温室气体不同，它主要受温度控制。自至少1980年代以来，它总体上有所增加。降水在局部地区变化很大，但在世界上的几个大地区有所增加，包括北美和南美东部、北欧以及亚洲北部和中部。在萨赫勒地区、地中海地区、南部非洲和亚洲南部部分地区已观察到干旱。海洋盐度可以充当巨大的雨量计。海洋近地表水域在中高纬度地区普遍淡化，而在低纬度地区则变得更咸，这与大规模降水模式的变化相符。
从树木年轮和其他代用资料中重建的过去气候（古气候）为理解有和没有人为影响的气候系统的运行提供了重要的额外见解。它们表明，过去半个世纪的温暖在至少过去1300年中是不寻常的。公元700年至1950年之间最温暖的时期可能是公元950年至1100年，这比1980年以来的平均温度低零点几摄氏度。
观测到的变化的归因
尽管人们高度确信人类活动已引起正辐射强迫并且气候实际上已经发生变化，但我们能否自信地将两者联系起来？这就是归因问题：人为活动是否是观测到的气候变化的主要原因，或者它们是否可能由某些其他原因引起，例如某些自然强迫或仅仅是气候系统内的自发变异？ 2001年IPCC报告的结论是，自20世纪中期以来，可能（超过66％的可能性）大部分变暖归因于人类。 2007年的报告更进一步，将此概率提高到非常可能（超过90％的可能性）。
额外信心的来源来自许多独立的进展。首先，观测记录现在大约延长了五年，并且在此期间全球气温升高在很大程度上与IPCC在1990年以来的先前报告中对温室气体驱动的变暖的预测相符。此外，还考虑了气候更多方面的变化，例如大气环流或海洋内部温度的变化。这些变化描绘了一幅一致且现在更加广阔的人为干预图景。气候模型是归因研究的核心，也得到了改进，并且能够以相当高的保真度代表当前气候和近期过去的气候。最后，自上次报告以来，观测记录中注意到的一些重要的明显不一致之处已基本得到解决。
其中最重要的是仪器地表温度记录（显示近几十年来的显着变暖，与人为影响一致）与气球和卫星大气记录（显示几乎没有预期的变暖）之间明显的错配。对卫星和气球数据的几项新研究现在已基本解决了这种差异——在地表和 атмосферные концентрации 大气中都发现了持续的变暖。
如果用真实世界进行一项实验，复制20世纪的气候，但温室气体保持恒定（而不是增加），这将是测试气候变化原因的理想方法，但是当然，这样的实验是不可能的。因此，科学家们做了次好的事情：他们用气候模型模拟过去。
自上次IPCC评估以来，两项重要的进展提高了对模型用于归因和预测气候变化的信心。第一个是来自全球18个建模小组的关于地球气候历史和未来演变的全面、密切协调的模拟集合的开发。使用多个模型有助于量化各种气候过程中的不确定性对模型模拟范围的影响。尽管某些过程已被充分理解并由物理方程很好地表示（例如，大气和海洋的流动或阳光和热量的传播），但气候系统的一些最关键的组成部分却鲜为人知，例如云、海洋涡流和植被的蒸腾作用。建模者使用称为参数化的简化表示来近似这些组件。为IPCC评估开发多模型集合的主要原因是了解这种不确定性如何影响气候变化的归因和预测。最新评估的集合在模型和执行的实验数量方面是前所未有的。
第二个进展是在模型中纳入更真实的气候过程表示。这些过程包括大气气溶胶的行为、海冰的动力学（运动）以及陆地与大气之间的水和能量交换。现在更多的模型包括主要类型的气溶胶以及气溶胶与云之间的相互作用。
当科学家使用气候模型进行归因研究时，他们首先使用过去100年中仅“自然”气候影响的估计值（例如太阳输出的变化和大型火山爆发）运行模拟。然后，他们运行包括人为温室气体和气溶胶增加的模型。此类实验的结果令人瞩目。仅使用自然强迫的模型无法解释自20世纪中期以来观测到的全球变暖，而当它们除了自然因素外还包括人为因素时，它们可以做到这一点。当包括所有强迫时，温度变化的大规模模式在模型和观测之间也最为一致。
两种模式提供了人为影响的指纹。第一种是陆地上的变暖幅度大于海洋，海面的变暖幅度大于深层。这种模式与上方大气引起的温室气体变暖相一致：由于海洋的热惯性较大，海洋变暖速度较慢。变暖也表明海洋正在吸收大量热量，这表明地球的能量预算已失去平衡。
变化的第二种模式是对流层（大气层的较低区域）变暖，而平流层（刚好在其上方）则冷却。如果太阳变化提供了主要的强迫，则预计两个大气层都将变暖。但是，观测到的对比恰好是温室气体增加和平流层臭氧减少的组合所预期的。当对这些集体证据进行仔细的统计分析时，为人们更加确信人为影响是观测到的全球变暖的幕后推手提供了大部分依据。关于宇宙射线可能影响云层，从而影响气候的说法是基于使用有限记录的相关性；当使用其他数据进行测试时，这些说法通常站不住脚，并且其物理机制仍然是推测性的。
较小规模的情况如何？随着空间和时间尺度的减小，气候变化的归因变得更加困难。出现此问题的原因是，自然的，小规模的温度变化较少被“平均化”，因此更容易掩盖变化信号。然而，持续的变暖意味着信号正在较小规模上显现。该报告发现，人为活动可能已对除南极洲以外的所有大陆的温度产生了显着影响，直至大陆规模。
人为影响在某些极端事件中也显而易见，例如异常炎热和寒冷的夜晚以及热浪的发生。当然，这并不意味着可以说个别极端事件（例如2003年欧洲热浪）仅仅是由人为引起的气候变化“引起”的——通常此类事件是复杂的，原因很多。但这确实意味着，人为活动极有可能影响了此类事件发生的可能性。
未来变化的预测
21世纪的气候将如何变化？这个关键问题是通过使用气候模型的模拟来解决的，这些模拟基于对未来温室气体和气溶胶排放的预测。模拟表明，对于目前或高于当前水平的温室气体排放，气候变化很可能大于20世纪已经观测到的变化。即使排放立即减少到足以将温室气体浓度稳定在当前水平，气候变化仍将持续数个世纪。气候中的这种惯性是由多种因素共同造成的。它们包括世界海洋的热容量以及循环将热量和二氧化碳混合到整个深海中并因此与新条件达到平衡所需的长达千年的时间尺度。
更具体地说，模型预测，在未来20年中，对于一系列合理的排放情景，全球温度将以每十年约0.2摄氏度的平均速率升高，接近过去30年的观测速率。大约一半的近期变暖代表了“承诺”未来的气候变化，这是由气候系统对当前大气温室气体浓度的响应惯性引起的。
然而，21世纪的长期变暖受到未来排放率的强烈影响，预测涵盖了各种各样的情景，从非常快速到较为温和的经济增长，以及从更多到更少地依赖化石燃料。全球气温升高的最佳估计范围为各种排放情景的1.8至4.0摄氏度，排放量越高，温度越高。至于区域影响，预测比以往任何时候都更有信心地表明，这些影响将反映过去50年中观测到的变化模式（例如，陆地上的变暖幅度大于海洋），但变化的规模将大于迄今为止的变化。
模拟还表明，随着地球变暖，陆地和海洋中自然过程去除大气中过量二氧化碳的效率将降低。这种变化导致更高比例的排放二氧化碳残留在 атмосферные концентрации 大气中，然后进一步加速全球变暖。这是碳循环（碳化合物在整个气候系统中的交换）的重要正反馈。尽管模型一致认为碳循环变化代表正反馈，但它们的响应范围仍然非常大，这取决于其他因素，包括对植被或土壤吸收碳的了解不足的变化，因为气候变暖。这些过程是正在进行的研究的重要主题。
模型还预测，气候变化将影响海洋的物理和化学特性。 21世纪海平面上升的估计范围约为30至40厘米，同样取决于排放量。这种上升的60％以上是由海洋的热膨胀引起的。然而，这些基于模型的估计并未包括最近观测到的格陵兰和南极冰盖冰损失增加的可能加速。尽管对这些影响的科学理解非常有限，但它们可能会使海平面上升再增加10到20厘米，并且不能排除海平面大幅上升的可能性。海洋的化学性质也受到影响，因为大气二氧化碳浓度的增加将导致海洋变得更酸性。
预计极地地区将发生一些最大的变化。这些变化包括高纬度陆地温度的显着升高和多年冻土地区解冻深度的增加，以及北冰洋盆地夏季海冰范围的急剧减少。较低纬度地区可能会经历更多的热浪、更强的降水以及更强（但可能频率较低）的飓风和台风。飓风和台风可能增强的程度尚不确定，并且是许多新研究的主题。
当然，一些重要的不确定性仍然存在。例如，云层随着温度升高而变化的精确方式是控制预测变暖总体规模的关键因素。然而，云的复杂性意味着它们的响应一直令人沮丧地难以确定，并且，同样，该领域仍有许多研究要做。
我们现在生活在一个人类和自然都影响地球及其居民未来演变的时代。不幸的是，我们的气候模型提供的水晶球对于一个世纪左右之后的预测变得模糊不清。我们对自然系统和人类社会对气候变化日益增长的影响的反应的有限了解加剧了我们的不确定性。然而，全球变暖的一个结果是确定的。植物、动物和人类将在至少未来的数千年内承受气候变化的后果。