本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
经过两个月的停顿，我终于有时间继续讨论关于全球变暖以及人类在其中作用的话题。在之前的文章中，人们写信表达了他们持怀疑态度的原因，我试图综合这些回应。在一个粗略的民意调查中，为了衡量哪种推理路线最能引起共鸣，最受欢迎的似乎是第 2 条：目前的变暖可能是自然上升。
关于这个话题有很多要说的，所以我先从一小部分开始。我想尝试做的是超越那种很容易陷入的你说/她说的辩论，看看是否以全新的视角审视数据可以打破僵局。
平均论点
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关于人为变暖的标准论点大致如下
地表温度读数上下波动，但在过去一个世纪中，它们的总体趋势是上升的。
大气中二氧化碳和某些其他气体的水平也在上升。海水中二氧化碳的浓度也增加了。观察到的总增加量与人类自工业革命开始以来燃烧的燃料量和清理的土地量相符。
基本理论将这两个趋势联系起来。由于这些气体，地表发射的热辐射中较小的一部分逃逸到太空。地球变成能量的净吸收者。地表升温并发出更多热辐射，直到逃逸的热辐射总量再次平衡太阳光沉积的能量。
自然因素，例如太阳输出的变化，太小而无法解释观察到的温度升高。
为了将这个论点纳入定量框架，气候学家估算了每单位地球表面积增加这些气体所造成的额外热量。气候的其他影响因素——气溶胶（颗粒物）排放、轨道振荡、太阳变率——可以用相同的方式测量。所有这些影响，或“强迫”，都可以互换处理并加在一起。在受到这种净总强迫的情况下，气候会做出调整——风、云、降水和其他天气模式发生变化，这些变化可以放大或抵消强迫——全球平均温度达到某个新值。
粗略估计一些数字，目前的强迫为每平方米 2 瓦，主要来自二氧化碳、甲烷和低空臭氧，减去颗粒物造成的冷却。在这些强迫中，海洋似乎吸收了一半，剩下的一半由大气吸收。根据地质记录，每平方米 1 瓦应导致约半摄氏度的升温——这与观察到的增加相符。这种温度升高高于您对强迫提供的能量输入的预期，因此气候系统似乎反应过度；反馈回路正在放大直接效应。
在这个框架中，怀疑论者的论点 #2 和 #3 有两个方面：首先，强迫没有被正确列举；其次，气候机器的反应方式与预测的不同。我的原始帖子的回应者提出了各种他们认为可能超过人为强迫的自然强迫。其他人则认为，对强迫的反应淹没在内在变异性的噪声中。
在其他地方，我将研究这些假设，但我在这里的目标是完全摆脱通用货币方法。如果所有强迫都被互换对待，就很难验证每平方米 2 瓦是由于这种或那种影响，是否有一个关键的强迫被完全忽略，或者半度的升温是由于对无反应气候的巨大强迫，对高度敏感气候的小强迫，还是气候本身固有的巧合波动。
CSI：气候
上述论点本质上使用了两个数据点：本世纪初和今天的平均年温度。这些数据仅仅触及了可用数据的表面。气候学家拥有地图和时间序列，显示了大量气候变量——平均温度、温度范围、气压、降水等等——如何在时间和空间上变化，水平方向跨越地表，垂直方向穿过大气层。这些数据集是解决歧义的金矿，因为不同的强迫会留下独特的指纹。
例如，二氧化碳均匀扩散，而气溶胶倾向于集中在污染区域上方。二氧化碳排放量一直在稳步攀升，而二氧化硫排放量（气溶胶负荷的最大贡献者）最近达到峰值。这些模式使得理清它们的相对贡献成为可能。事实上，当科学家将x% 的变暖归因于温室气体，y% 归因于太阳波动等等时，他们是通过混合和匹配各种指纹来重现观察到的趋势来得出这些数字的。
指纹最方便的事情之一是它们有助于理解气候模型。许多人，包括怀疑论者和其他人，对模型感到困扰的原因之一是它们是黑匣子，其内部运作不透明，其输出必须被信任。尽管量化指纹仍然需要运行气候模型，但响应可以用基本原理来理解。《华尔街日报》科学撰稿人莎伦·贝格利在五月份就此主题发表了一篇精彩文章，下面我将回顾一些具体的指纹。
不利的一面是，不同的强迫有时具有相似的指纹。即使它们没有，气候系统的反馈、惯性和其他内部动力学也会削弱差异。因此，使用指纹涉及不确定性，这需要付出一些努力来量化。
对指纹的研究始于 1980 年代，并在 1990 年代中期进入鼎盛时期，当时劳伦斯·利弗莫尔的本杰明·桑特及其同事首次提出了关于地表温度人为贡献的严谨论证。政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 在其2001 年报告中专门用一章讨论了该主题，并正在为其明年即将发布的下一份主要报告准备更广泛的讨论。多年来，研究人员除了温度之外还考虑了越来越多的变量，除了温室气体之外还考虑了越来越多的强迫。他们合并了空间和时间模式，研究了区域和全球尺度，并开发了更复杂的数学工具。
去年，研究人员弄清楚了为什么地表温度测量值与对流层（大气层最底层）较高处的测量值不匹配，这是一个重大突破——这种差异是气候怀疑论者提出的最有力论点之一。事实证明，一个因素是测量大气层的卫星的缓慢轨道衰减，这产生了虚假的冷却，掩盖了变暖趋势。今年五月，识别出这种不匹配的两名科学家——阿拉巴马大学亨茨维尔分校的约翰·克里斯蒂和罗伊·斯宾塞——是一份报告的共同作者，该报告解决了这个问题。仍然存在一些差异，但该报告认为，其他观测偏差可能是造成差异的原因。
逐一分析
以下是一些指纹。对于像我一样渴望掌握摘要背后基本物理原理的人们，我在下面的附录中进行了详细阐述。
温室气体。 二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和氯氟烃使地表和对流层（大气层最底层）变暖，并使平流层（上一层）冷却。这些气体混合迅速，因此它们的影响在南北半球之间几乎是对称的。在地表，夜间变暖幅度大于白天，冬季大于夏季，高纬度地区大于低纬度地区。自工业时代以来，温室气体强迫一直在缓慢而稳定地增长。
气溶胶。 硫酸盐气溶胶使地表、对流层和平流层均冷却。在地表，时间模式与温室气体完全相反：白天冷却幅度大于夜间，夏季大于冬季，低纬度地区大于高纬度地区。黑碳（烟尘）会使其所在的大气层变暖。气溶胶在其排放区域（主要在北半球）产生最强的影响。从 1945 年到 1980 年，硫酸盐强迫的增长速度快于温室气体，此后一直在下降。
臭氧。 臭氧层中臭氧的损耗会使平流层冷却；冷却在高纬度地区最为明显，那里的臭氧层受损最严重。损耗还会导致地表和对流层下部少量冷却。随着逐步淘汰破坏臭氧的化学物质使臭氧层得以重建，平流层应该会重新变暖。近地臭氧（烟雾的组成部分）使地表和对流层下部变暖。
太阳变率。 太阳强度的增加使对流层和平流层几乎均匀地变暖。
火山爆发。 爆发性火山通过将尘埃抛射到高海拔地区，使对流层冷却，平流层变暖。平流层变暖持续一到两年，地表和对流层冷却持续三到五年。火山还会减少全球平均降水量。
通用效应。 有些指纹并非特定于一种或另一种强迫；它们发生在温度因任何原因发生变化时。这些指纹对于交叉检查数据很有用。例如，任何温度变化都应该在陆地上比在海洋上更大，并且由于北半球陆地比南半球多，因此任何趋势都应该在那里更明显。在热带地区，对流层中的温度变化应大于地表，因为潮湿空气在上升和凝结时会释放热量。此外，如果趋势是短期的（主要由火山爆发或 11 年太阳周期驱动），它们对海洋深处或钻孔中的温度影响很小。热量需要一段时间才能向下渗透，因此地下温度剖面提供了累积变化的度量，而地表和大气层则标记了当前时刻及其所有变化。
内部（非强迫）气候变异性。 顾名思义，强迫会向气候系统添加能量，而自然变异性只是重新分配能量。因此，如果最近的连年高温只是一个波动，那么气候系统的总热含量——所有海洋加上冰盖加上大气层——应该是不变的。另一个区别是，强迫会改变气候事件的范围，而变异性就是范围。如果历史数据表明热浪变得更加频繁，寒流变得不那么频繁，那么范围本身一定发生了变化，这表明是强迫而不是变异性。
犯罪现场视角
那么数据说明了什么呢？
垂直模式。 自 1979 年连续卫星观测开始以来，地表和对流层变暖，平流层冷却。因此，对流层和平流层之间的边界在那段时间内上升了约 170 米；它在高纬度地区比在低纬度地区上升得更多。所有这些都与您对温室气体的预期完全一致，并且受到硫酸盐气溶胶冷却的有限抵消。南极洲上空的平流层特别冷，显然是由于臭氧空洞。
水平模式。 几乎整个地表都变暖了，高纬度地区比低纬度地区变暖得更多。在 20 世纪初期，陆地地区和海洋以相似的速度变暖，但自 20 世纪 70 年代中期以来，陆地变暖速度加快。总体而言，北半球变暖幅度大于南半球。同样，这正是温室气体所会造成的。 d03;
时间模式。 夜间和冬季温度的升高幅度大于白天和夏季温度，从而压缩了全球陆地上的昼夜和季节温度范围。即使在区域层面，包括北美，趋势也很明显，尽管统计显着性较低。霜冻天数减少，严寒极端天气减少，温暖夜晚增多。温室气体将产生这些影响。 d03;
能量平衡。 去年，一篇有趣的论文使用新的数据集研究了自 1960 年以来的垂直海洋温度剖面，发现普遍存在变暖现象。大西洋水域上层 700 米和太平洋和印度洋上层 100 米比更深层更温暖。不同的深度正是您所期望的，因为大西洋的对流比其他海洋更强。所有海洋都在变暖；不存在您期望从自然变异性中看到的变暖和冷却的零和博弈。所有这些都与温室气体一致。按单位面积计算，北部海域的变暖幅度小于南部海域，这与温室气体造成了总体变暖趋势相符，但在北部地区（气溶胶集中在那里）被硫酸盐气溶胶抵消。 d03;
当气候学家对不同的历史时期进行指纹分析时，他们发现工业革命之前的温度波动主要由太阳和火山强迫驱动。在 20 世纪初期，自然和人为强迫似乎贡献相当。从本世纪中叶开始，温室气体占据主导地位。
因此，除非我遗漏了什么，否则在我看来，人为变暖的理由非常充分。这是否是不容置疑的？嗯，生活中没有什么是不容置疑的。可能存在一些低频自然强迫。指纹分析中还有很多i需要补全。然而，根据我们目前掌握的知识，我不得不按照我看到的情况来判断。
附录
温室气体
这些气体吸收红外辐射并向各个方向重新发射。因此，它们阻碍了能量的辐射流动。在对流层中，流动是向上的：地表被阳光加热，温度随海拔升高而降低。添加更多这些气体进一步阻碍了这种向上流动，地表和对流层变暖。
在平流层中，净辐射流是向下的：平流层内的臭氧层被太阳紫外线辐射加热，温度随海拔升高而升高。从这个意义上说，平流层是一个倒置的对流层，因此温室效应以相反的方式起作用。添加更多这些气体阻碍了向下流动，更多辐射最终逃逸到太空，平流层冷却下来。
对流层变暖和平流层冷却的这种组合是温室气体的一个独特指纹，没有其他强迫共享。描述它的一种方法是根据对流层顶的高度，即对流层和平流层之间的边界。这个高度取决于受热空气是否倾向于在对流模式中上升（如在对流层中），还是保持静止并辐射散发其能量（如在平流层中）。对流层中的温度平均每公里海拔降低 6.5 摄氏度。平流层下部的温度由更高处的臭氧吸收决定，约为 -55 摄氏度。因此，将地面温度升高或将平流层温度降低 1 度会导致对流层高度增加 1/6.5 或 160 米。本杰明·桑特等人2004 年的论文中有一个很好的图表（图 6）说明了基本原理。这些效应在热带地区最强，热带地区更热，发出更多的红外辐射，因此更容易受到热量捕获的影响。
温室气体还对地表经历的温度范围产生独特的影响。在夜间，地面通过发射红外辐射而冷却，而在白天，红外冷却是次要于太阳加热的。由于温室气体阻碍冷却但不阻碍加热，因此它们在夜间发挥最大的影响。如果它们是全球变暖的原因，那么平均夜间温度应该比白天温度升高更多——从而减少每日总温度波动。（可以肯定的是，这种趋势可以被云层覆盖和土壤水分的变化所抵消。）
出于同样的原因，温室气体对冬季温度的影响大于夏季温度，从而减少了年度总温度波动，并且对高纬度地表温度的影响大于低纬度地表温度。雪和冰放大了这些效应：通过减少冰雪覆盖，变暖降低了地面的反射率，并允许吸收更多的太阳能，从而进一步加剧了变暖；反之亦然，对于冷却也是如此。
具有人为强迫的模型显示了各种其他指纹，我在这里省略了对它们的讨论，因为基本理论尚不为人所知。例如，不列颠哥伦比亚省维多利亚大学的内森·吉列特及其同事发现，在北半球冬季，中纬度地区的地表气压升高，高纬度地区的地表气压降低。
气溶胶
与温室气体影响向外辐射的热辐射不同，硫酸盐气溶胶影响进入的阳光：它们将阳光反射回太空，因此它们倾向于使对流层和平流层都冷却。对流层冷却倾向于降低对流层顶，而平流层冷却倾向于升高对流层顶；根据更详细的模型，前者占主导地位。此外，白天温度的冷却幅度大于夜间温度。
黑碳（烟尘）吸收阳光。如果它靠近地面，它会使地表变暖；如果它位于较高处，它会使大气层较高层变暖，并减少到达地表的阳光量，从而使其冷却。可以肯定的是，黑碳的研究不如其他强迫充分，并且仍然是一个有点不确定的因素。
臭氧
臭氧吸收进入的紫外线辐射，因此臭氧层中臭氧的损耗使平流层冷却，尤其是在高纬度地区，从而升高了对流层顶。损耗还会导致地表和对流层下部少量冷却。如果臭氧位于近地面，它会使地表和相邻的对流层变暖。
太阳变率
太阳输出的增加使整个大气层几乎均匀地随海拔升高而变暖。由于对流层顶和平流层都变得更热，因此对流层顶几乎没有移动。白天温度的升高幅度大于夜间温度。
火山
爆发性火山将尘埃直接注入平流层，在那里它吸收阳光并使空气变暖，从而牺牲了对流层。这种强迫在爆发后几个月达到峰值，但温度需要几年才能恢复到爆发前的值。由于海洋的热惯性，地表和对流层的反应较慢。平流层温度在冷却时会过冲，因此顺序实际上是变暖、冷却，然后再变暖，然后再次稳定。
这种特征性的 S 形曲线被文卡塔查拉姆·拉马斯瓦米及其同事在今年早些时候发表的一篇《科学》论文中使用，以解释自 1979 年卫星测量开始以来平流层温度的趋势。具体而言，总体下降趋势（归因于温室气体）发生在火山爆发后的一系列步骤中，如果下降趋势被爆发后重新变暖暂时抵消，那么这是有道理的。
正如雨果·兰伯特及其同事讨论的那样，将尘埃注入平流层会使地表冷却，减少蒸发，从而减少降水。温室气体具有相反的效果，但由于温室变暖被辐射冷却的减少所抵消，因此温室气体的效果被削弱了，辐射冷却是雨滴形成的原因——这是指纹如何取决于受影响的是进入的阳光还是向外辐射的红外线的另一个例子。
如果火山爆发的频率发生变化，则可能会产生更长期的影响。
内部变异性
让我上面给出的图景复杂化的是，诸如厄尔尼诺现象之类的振荡可能会产生广泛的影响，可能导致改变气候系统能量含量的二阶效应（例如云层覆盖增加）。但是，这种振荡的周期为十年或更短，因此它们不应影响更长时间尺度上的能量含量。
在实践中，气候学家通过运行一个他们保持强迫不变的模型来估计内在自然变异性的量。他们通过查看不同时间尺度上的变化来验证推断出的变异性。如果模型重现了十年以上的气候波动，则假定它们也可以处理更长期的波动。
变暖的通用效应
变暖对陆地的影响大于对海洋的影响。当陆地被加热时，热量需要一段时间才能向下扩散，因此它仍然集中在薄薄的近地表层中。当海水被加热时，一些热量通过垂直流向下传递，因此热量分散在更大的质量上，从而产生较小的温度升高。此外，一些海水加热用于提高蒸发率，而不是提高温度。这种陆地-海洋差异本身不是指纹，因为它适用于所有强迫。
基本理论还预测，变暖会增加蒸发率和降水率。前者的增加幅度大于后者，因为降水受到对流层辐射冷却的限制，而辐射冷却是雨滴形成的原因。因此，为了维持水文循环，需要上升的空气更少，这可能会削弱某些对流。这种效应最近在沃克环流的背景下引起了一些关注。在赤道太平洋地区，高空风从西向东吹，地表风从东向西吹（根据经度，削弱或加强自东向西的信风）。环流是由西太平洋温暖潮湿空气的上升驱动的。由于风倾向于从高气压流向低气压，因此沃克环流在东部产生的海平面气压高于西部。
定量地看，摄氏 1 度的变暖会使水蒸气浓度增加 7%，但降雨量仅增加 2%，因此对流流量率降低了 5%。对于观察到的 0.6 度的变暖，您应该得到约 3% 的沃克环流减弱。反过来，这应该会减少太平洋两岸海平面气压的差异。事实上，自 1800 年代中期以来的气压计读数汇编显示了这种下降。
更多信息
美国气候变化科学计划报告的执行摘要中的表 1 和第 1 章中的图 1.3 简要总结了空间指纹。关于指纹最近工作最好的概述之一是去年由该领域名副其实的专家撰写的这篇论文。戈达德空间研究所的吉姆·汉森及其同事的这篇论文是另一个有用的资源：图 24 显示了不同强迫对地表温度的影响；图 20 显示了对大气结构的影响；其他图表显示了降水、水蒸气、风和海平面气压。