氣候變遷的衝擊：明天過後氣候會如何
97/04/09
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陳正達｜
臺灣師範大學地球科學系
科技文明在過去一世紀發展迅速，其中最重要的第一個關鍵時期是工業革命後，人類的生活及工作型態逐漸與自然環境遠離，過去運用動物、水、風力等可再生能源以協助人力不足的簡單需求頓時改變，從機械與工廠運作，到交通運輸、照明等，都開始對能源有大量的需求。雖然我們聰明地知道利用燃燒煤炭、石油來滿足對能源的需求，但是最初沒有人預料到這件事對地球環境可能造成衝擊。
有著諾貝爾獎光環的瑞典化學家阿瑞尼士（Svante August Arrhenius, 1859－1927），可以說是針對大氣中二氧化碳含量增加對地球氣候的可能影響，進行量化估計的第一人。他是位興趣廣泛的科學家，也許是為了排遣與妻子離異的孤單生活，他花了1年以上的時間，用紙筆計算，估量工業革命後排放的二氧化碳可能造成地球的溫度變化有多大。
他當時的估計是，大氣中的二氧化碳含量加倍，可以使地球平均溫度上升約攝氏4至6度，這個數字與最新的聯合國跨政府氣候變遷專門委員會（IPCC）評估報告推估的相去不遠。以當時無法詳細考慮地球氣候系統的種種物理過程與部分比較複雜的反饋作用而言，難免有些巧合。而身在接近極區的北歐，阿瑞尼士也不免樂觀地想著，增暖將使得中高緯度地區更適合農作物生產，不全然是壞事。
百年來關於大氣中二氧化碳含量增加對地球氣候的可能影響，在科學上雖然不是個新的議題，但是近二、三十年逐漸變得越來越熱門，大眾對於所處環境的關注、科學界的投入、新聞的推波助瀾，可能都扮演著一定的角色。當美國前副總統高爾製作的紀錄片《不願面對的真相》，在代表大眾文化的好萊塢殿堂獲得奧斯卡獎項時，可以說把「氣候變遷」的觀眾推到極至。現在每當有異常天氣與災害發生時，許多人幾乎都會想到是不是與「全球暖化」有關。
什麼是全球暖化
每年地球上總是有些地區的氣溫持續一段時間地特別高或低，例如2003年夏季歐洲的熱浪，氣溫比平常高攝氏5度以上，這有時只是自然變動。科學家真正有興趣探討的「全球暖化」問題，是指至少整個季節平均，並且是相當大範圍（如果不是全球）的溫度逐年上升的現象，甚至是可以把溫度上升歸因於人類活動所造成的部分。
以全球全年平均溫度而言，1906 ~ 2005年的百年平均增溫大約是攝氏0.74度，雖然遠比不上某個夏天整個歐洲的偏暖程度，更比不上日夜、季節的溫度變化，但是以全球平均溫度變化的角度來說，就不能忽視。因為過去1千年的全球平均氣溫，並未見過如此幅度的百年變化。
對這存疑的人往往認為從上一次冰河時期以來，至少部分地區的自然溫度變化幅度，遠大於過去100年。不過，並沒有任何證據顯示在過去100年間，地球接收的太陽輻射分布與變化會被公轉特性變化所影響，更何況我們處在較為溫暖的間冰期已有一段時日。
就算承認全球平均溫度上升的幅度特殊，但是是否與大氣中的二氧化碳含量有關，又是另一個問題。直到50年前，科學家才逐漸從觀測資料中，確定地球大氣中的二氧化碳含量的確是隨時間逐年地增加，人類對於能源的需求與工業化之後的化石燃料使用自然是難辭其咎。
在早期，科學家便懷疑人類燃燒煤炭所排放的二氧化碳，並不足以改變大氣中的含量。阿瑞尼士與其研究地球化學的朋友霍格波姆（Hbom），在當時相信沉積的地質過程所能移除的二氧化碳量，應該遠勝過工業燃燒的排放或是因去森林化所移除的有機碳。也因此，早期阿瑞尼士的論文更強調，地質作用所造成的二氧化碳變化與「冰河周期」的關係。
即使是過去幾十年已經有了直接的空氣採樣與二氧化碳測量，科學家也還是不全然清楚海洋、陸地、生物等在巨觀全球碳循環中扮演的角色。不過，直接觀測的結果顯然說明，即使大氣中的二氧化碳含量其實遠低於海洋中的溶解量，大氣之外的地球可以吸收轉換的部分仍有限。而對於碳循環與生物地球化學的了解，也因為是氣候變遷研究的重要一環，在過去一、二十年才有長足的進展。
從二氧化碳對地球輻射的頻段吸收特性而言（或者更廣義涵蓋其他有相似吸收頻段的溫室氣體，包括甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物等），含量的增加勢必造成地表氣溫的上升，這部分的直接效應在科學上並沒有什麼爭議性。
但是地球大氣並不是靜態地只讓溫度調節改變，溫度上升後，大氣的環流場、空氣中的水氣含量、雲朵分布、近地表的冰雪狀態、地表植被生態、土壤含水量等，都會隨著變化。而這些變化也都會反過來影響地表氣溫，因此最後複雜的地球氣候系統會怎麼反應與變動，才是爭議的關鍵所在。
除了溫室氣體之外，大氣中懸浮微粒的變化（人為或火山噴發造成）、太陽輻射的變動、土地利用造成的地表特性變化等，也都會造成地球氣候系統的種種複雜反應。
天上飄過的雲朵
由於無法控制地球系統進行氣候實驗，目前科學家們只能在電腦中以基本物理方程式為基礎，建構虛擬的地球氣候系統模式，進行各種數值實驗，這也是唯一可以客觀地推估未來氣候變遷的工具。當然我們希望所建構的模式，可以正確地模擬出熟悉的季節更迭、晴雨交替，重現過去到現在的種種氣候變化風貌。這些模式也的確有基本的能力模擬出觀測到的全球氣溫與降雨分布，但還是免不了有誤差，特別是對於模式中的雲形分布是否與地球大氣中的雲形分布一致。
即使到今天，科學家還是不能完整地觀測與描述我們生存的整個地球大氣中，雲種與雲層分布的三度空間結構到底如何隨時間變化，也因此無從詳細地驗證模式的對錯。目前美國太空總署已經把能夠穿透雲層的觀雲雷達（CloudSat）送上太空對地球進行長期監看，希望未來可以在這方面對模式能力有更完整的評估，這對科學家降低對未來氣候推估的不確定性極為重要。
雲的存在以及其可以把太陽輻射反射回太空的冷卻地球能力，已經由觀測證明要遠比二氧化碳吸收地球輻射而使地表增暖的能力強得多。因此，多變的雲在未來世界中究竟如何轉換，並進一步影響地表溫度（或稱為雲反饋效應），在還沒有獲得清楚的答案以前，科學家還是無法去除內心深處那一絲絲的疑慮。英國科學家洛夫洛克曾經提出「蓋婭」假說(或譯作蓋亞假說)，認為地球也許就像生命體一樣，有足夠的自我調適能力，而雲的變化的確可以讓溫室氣體所造成的發燒降溫。
不過以現階段IPCC的評估與科學家的研究發現，所有主要參與氣候模式所推估的雲反饋效應都是正向的，也就是雲的變化（特別是雲頂變高、層雲區雲量減少）會使得已經受到二氧化碳輻射作用增暖的地表，進一步變得更暖。這個趨勢對未來全球平均溫度的影響，與暖化地球大氣中的水氣量增加，以及高緯度的冰雪融化的正反饋效應是一致的，也讓多數科學家對未來氣候變化幅度的推估難以樂觀。
複雜的環境問題
全球是否因為人類活動排放的溫室氣體而暖化？這個不斷爭辯的問題，以及其對全球未來環境、經濟、政治的可能影響，使聯合國從1990年開始，便有規模地組織世界各國的氣候研究人員提供對這問題的各種觀點與證據，並發布IPCC對氣候變遷的第1次評估報告。領導評估工作的科學家們整理現有的研究成果，綜合各方意見，經過嚴謹的討論、撰寫與審閱過程，提出現階段對上述問題最能被全世界多數科學家共同接受的說法。
2007年2月初公布的，是對政策制定者所綜理的第4次評估報告精要，以及後續相繼出爐的3大冊完整評估報告，是自2001年以來，成千上萬的氣候研究人員汲汲努力的最新成果，廣受媒體與社會大眾的關注。內容不只包括基本科學議題的釐清，還會有影響、調適、脆弱度，以及如何因應、減緩的評估報告。因此對「氣候變遷」問題有興趣的讀者，其實只要詳讀這些報告，就可以對整個問題有深入的了解。
不過，超過兩千頁以上的完整評估報告，恐怕也只有科學家們才有力氣去細細探究。若干懷疑論者則強調這些所謂「主流」觀點，儘管都是來自經過同儕審查的科學論文，也經過世界各國最傑出的氣候研究人員不斷地開會討論、交換意見後撰寫的成果，但是少數不同的看法還是可能在這類過程中被邊緣化。
不確定中的確定
氣候變遷科學的本質的確包含不確定性，特別是對於未來的推估。首先面臨的是未來的人類世界將如何發展？是更全球化，還是開始重視區域發展？人口、糧食、用水、能源、社會、經濟與生活的變化又將如何？
IPCC發展了許多不同的未來假設情境，來處理這部分的不確定性。但即使是跟隨著某一個特定的未來發展情境，對導致氣候變化的溫室氣體與懸浮微粒的排放已有定量描述，不過經過大氣化學以及地球氣候系統與碳循環的交互作用，已經開始因為對生地化過程的了解不足，無法確定實際留在大氣中的溫室氣體濃度。
而當進一步計算作用在每個氣候系統模式的輻射驅動力時，更因為每個模式涵蓋的影響輻射因子與計算方法不同，產生模式間的差異。即使輻射驅動力一模一樣，由於不同氣候模式對物理過程描述與模擬方式結構的差異，最終的反應也可能相距甚遠。
基於上述的種種局限，本來就應該預期伴隨氣候變遷推估的不確定性。但是要如何處理這些氣候模擬科學架構上的不足、誤差與不確定性呢？
目前對這個問題的處理方式，是藉由增加更多不同氣候模式成員與個數，或者調整各種單一氣候模式模擬時所用的重要參數，以及用觀測資料與統計方法分析簡化氣候模式與完整模式的關係，多重地檢驗與估算氣候敏感度（climate sensitivity）的不確定性範圍，並用詳細機率分布的方式呈現。這方面的研究在過去幾年相當受重視，也是IPCC第4次評估報告的特點之一。
現在全世界大約有二十幾個氣候研究中心各自發展自己的氣候模式，並參加IPCC組織的現在與未來氣候模擬實驗工作。這些模式處理氣候相關物理過程的方式不盡相同，不過所有參與的科學家都竭盡全力希望他們的模式可以正確地模擬出現今氣候，以進一步建立模擬未來氣候推估的可信度。但是這些不同模式即使都還能重現過去百年全球平均溫度的趨勢，對於本世紀末全球平均溫度的推估，卻可以有數倍的差異。
麥可．克萊頓在他所寫的《恐懼之邦》小說中，就針對這樣的差異，極力批評氣候變遷科學的可信度。但是比較合宜的解讀，應該是強調我們在推算氣候時的知識的確還有不足，也不可能全然了解未來世界發展的演變路徑。科學家的任務就是忠實地把這樣的不確定呈現出來，而且也清楚地認知氣候模式推估的差異，主要是源自於雲的反饋作用。
也有科學家認為上述的眾多氣候模式，有可能因為在模式結構上太相似了，特別是又都用了一樣的觀測資料來發展與驗證模式，使得對於了解氣候敏感度方面還是有所不足。就像買了好多份報紙，希望透過不同的報導面向了解事實的真相，但是卻可能所有報社記者都不是親自採訪，而是引用同一個通訊社的資料。
氣候變遷預報網（climateprediction.net）於是透過大眾參與力量，進行另一類氣候敏感度的估計。運用一個特定的複雜氣候模式，全世界所有志願參與實驗者，以他們個人的電腦閒置時間協助大量的數值計算，每個人分派到的是該模式模擬時採用的眾多參數可能範圍內的一組數值。目前已經完成超過上萬個氣候變遷模擬推估，臺灣地區的參與民眾也有3百多人。
這個大型實驗並沒有特別去調整模擬參數，以使模擬過去氣候的結果與觀測吻合。但是透過對模式自由參數可能性範圍的大量採樣，科學家希望找尋的反而不是未來氣候演變最可能的答案，而是了解地球氣候反應的可能範圍與機率，包括最極端的例子。
單一的最佳估計，反而失去原本多重模擬資料的豐富性，而且典型的決策制定本來就該有不確定性的風險評估，這也就是為什麼IPCC完全用或然率的觀點與辭句說明所綜理的結果。運用這樣的不確定性去誇大或淡化全球暖化的後果，絕非其本意。
同樣地，透過氣候模式的實驗，我們才比較有信心地認為20世紀的溫度上升，的確是人為造成二氧化碳含量增加所導致的。因為當氣候模式中維持二氧化碳含量不變時，所有其他已知的自然變動驅動力都無法在同樣的時間尺度內，產生相同幅度的氣溫上升，而且不只是全球平均如此，區域平均值也一樣。
由於有這些 IPCC 評估報告的科學證據支持，儘管有上述的不確定性，可是基於對地球環境與後代子孫的責任，「全球暖化」不再只是科學的問題，而是政治或甚至是道德倫理的問題。也就是在這種氛圍下，促成1997年京都議定書的制定、締結簽署，乃至在2005年正式生效運作。人類開始思考可以用什麼方法減緩問題的嚴重性，因為對於賴以生存的環境空間，我們別無選擇。
對未來氣候的情境推估
在此，針對IPCC評估報告中各個模式對未來氣候推估相似性較高的部分加以說明，但還是必須了解其伴隨的不確定性。另外，目前所有運用模式進行直接氣候反應的推估，都沒有包含碳循環對氣候的反饋效應，也就是假設氣候暖化對碳循環與二氧化碳濃度變化的影響，並不會進一步再對氣候變遷有作用。
而目前進行過的所有碳循環與氣候耦合模式實驗中，產生的反饋效應幾乎都是正的反饋。也就是當全球暖化之後，原本碳循環中海洋與陸地對二氧化碳的吸納作用會降低，而使大氣中的二氧化碳濃度升高，並進一步使暖化加劇。也因此這些未來發展情境下的氣候反應，極可能是低估的。
此外，必須注意的是，情境推估的假設固然考慮了未來世界的發展，但是沒有考慮因應氣候變遷所可能採取的溫室氣體排放減緩政策與措施。如果加以併計，則現階段的評估又應該偏向高估。
如果是對距今較近的未來二、三十年氣候變化有興趣，評估顯示最可能的全球平均溫度變化，是持續以每10年約攝氏0.2度的速率上升，而且這溫度變化與選擇哪一個未來發展情境的關係不大，不同模式的差異也不大。此外，如果讓所有溫室氣體的濃度保持在西元2000年的水準，模式推估的全球平均溫度還是會以每10年約攝氏0.1度的速率上升，這是由於海洋的反應較緩慢的緣故。
如果溫室氣體的排放量維持在現在的水準或更高，在21世紀的全球增溫及其伴隨的氣候系統變化，很可能比過去20世紀中所觀測到的變動還大。
在全球平均近地表變暖方面，如果對於未來的發展情境是選擇溫室氣體排放量較低的B1情境（未來更注重環境保護、發展更乾淨與低耗能的產業，以全球更均衡發展的方式找尋社會、經濟與環境的永續發展），在本世紀末（2090～2099年）相對於上個世紀末（1980～1999年）的增溫最佳推估是攝氏1.8度。 如果選擇的是溫室氣體排放量最高的A1FI情境（未來更注重經濟的快速發展，產業依舊運用大量的化石燃料，同時在全球化影響下，區域的差異逐步縮小），則同時段的增溫最佳推估是攝氏4度。
這次IPCC評估報告比過去更完整的地方，是考慮了更多、更複雜且接近實際狀況的氣候模式，同時探索模擬參數的影響，納入簡化模式來測試增加可能的碳循環反饋作用，以及運用過去觀測的氣候反應特徵來限制推估範圍，最後決定的可能推估範圍是最佳推估的－40％與＋60 ％之間。
綜觀不同的未來發展情境，同時段的全球平均海平面最可能的變化範圍是上升30到40公分，最主要是來自於海水因溫度變暖產生的膨脹，而海冰與陸地冰河、冰帽的融化產生的影響有限，南極大陸上的冰雪累積甚至可能導致海平面下降。格陵蘭的陸冰大量融化固然會造成海平面的巨幅上升，不過以所推估的全球氣候變遷結果，在本世紀末發生如此大規模融化的可能性微乎其微，除非是現階段的極區冰雪動力模式還不成熟，忽略了重要的物理過程而使推估量不足。
由於海平面上升的主要原因是海水變暖而膨脹，而海洋深層對氣候的反應緩慢，估計即使溫室氣體含量在大氣中穩定後，海平面依舊會持續緩慢上升達數百年以上。
幾乎在所有不同未來發展情境下，全球平均降水量在21世紀都呈現隨時間增加的趨勢，意味著全球水循環的加強，變化的幅度大約是每1度的暖化伴隨1至2％的降水量增加。相對於大氣中水氣量6至7％的增加，降水的增加量較小，顯然大氣環流系統應該產生變化，特別是主宰熱帶地區降雨的哈得雷環流與沃克環流。不過熱帶地區的降雨變化，也是不同模式推估結果差異最大的地方，增加了上述推估結果的不確定性。
在近地表氣溫變暖的空間分布方面，氣候模式推估在本世紀末時，陸地與北半球的極區溫度上升較顯著，在南冰洋與部分北大西洋的表面溫度增暖程度則較小。同時極區的溫度上升又以冬季較大，而夏季較小，對於夏季極區溫度上升到冰點以上，促使覆蓋格陵蘭的冰帽迅速融化的可能性並不高。全球積雪面積預期會縮小，南北極的海冰量也將減少。另外也有若干模式推估，在本世紀末，北極海上的海冰在晚夏時有可能完全融化。
另一個全球氣溫因應溫室氣體增加的變化在空間分布的特徵是，對流層的增溫與平流層的冷卻，而且透過熱帶地區的對流傳送，熱帶對流層的增溫又略高於近地表的暖化。
在降水變化的空間分布方面，高緯度的降水量非常可能增加，且冬季的增加比夏季略高，多數副熱帶的陸地則有降水變少的可能。鄰近赤道的模式系集平均降雨也有增加的趨勢，但是模式間的差異比較大。
北大西洋的降雨增加與溫度上升所造成的海水密度減小，從氣候模式的計算推估，非常可能導致大西洋的南北向環轉洋流（Meridional Overturning Circulation, MOC）減弱，也就是溫鹽環流中深層水的形成受阻，連帶使表層向北的溫暖灣流減弱。不過這個降溫的效果小於上述的增暖效應，因此模式幾乎都推估北大西洋的溫度，即使暖化程度的確較小，在本世紀末仍是變暖的。上述的南北向環轉洋流減弱，在本世紀末平均大約是25％，短時間內幾乎完全停滯的機會非常小。
此外，平均而言，中緯度的主要風暴路徑有北移的情形。哈得雷環流下沉區的往北擴張，則是對應上述降雨區域變化的主要大氣環流變動，這些變動的後續效應不容小看，例如哈得雷環流下沉區的變動將造成有些區域的沙漠化。
在更顯著影響人類生活與社會經濟的極端天氣方面，模式則是推估未來全球暖化的影響下，非常可能有更多且更劇烈的熱浪與豪雨事件發生。而連續不降雨日的平均時間也會拉長，造成降雨時間分布的變異量更大，許多地方可能需要更積極的水資源管理。
根據模式的推估，在本世紀末，極端日降雨量除了在副熱帶的少雨區外，幾乎所有的地區都是增加的，中高緯度的增加平均是10至20％，赤道鄰近則可以超過30％。不過，不同氣候模式間的變化在中高緯度較為相似。如果以現今氣候的百年重現日豪雨量做為指標，同樣強度的日降雨事件在本世紀末的重現期，在許多區域都下降至少於50年，意味著豪雨成災的風險將大幅增加。
在颱風的發生個數與強度方面，目前多數的模式模擬實驗的共同特徵是，在全球暖化影響下，由於整個熱帶的靜穩定度因為暖化後的溫度剖面改變而增加，因此生成的颱風數目有減少的趨勢。不過在強度方面，不管是中心最低氣壓或最大風速，在暖化環境中都有加強的趨勢，6 小時的累積颱風降雨量也有顯著的增加。
由於參與IPCC主導的氣候模式數值實驗的模式數目眾多，因此在第4次評估報告中，多半的模式推估結果都是以所有模式系集平均的空間分布為主要的討論對象，也就是較為重視眾多模式所獲得的共同特徵。固然，不確定與機率分布的概念也在報告中有所強調，但是不同模式間的差異特性也值得進一步探索。
在此，以臺灣與鄰近東亞地區的冬季降雨為例，說明個別模式的模擬推估結果。以上述模式系集平均推估，未來臺灣冬季降水將減少5至10％，對於臺灣中南部原本就少雨缺水的冬天而言，更可能是雪上加霜。而如果檢視個別模式的推估在台灣附近區域的變化，未來冬季的降雨量未必一定減少，但也可能減少50％ 以上。這種不確定性是由於不同模式所推估的資料，是以機率分布的觀點來描述區域的變化，再加上目前的氣候模式的降雨模擬在小區域還是有很大的誤差。
政府與民眾可以做什麼
以現在對地球碳循環與大氣化學反應的了解，二氧化碳及多數的溫室氣體並不是揮之即來，呼之即去，排放後在大氣中的滯留時間可以長達百年以上，而且排放量又幾乎緊扣著能源消耗量與經濟發展。
許多已開發國家，特別是歐盟會員國，從10年前京都議定書成形，就開始有許多具體作為，期望透過嘗試、學習與科技的改善，在對經濟發展影響有限的情形下，仍能達成協議的溫室氣體減量目標（在2008～2012年把排放量降至比1990年水準低5％以上）。例如歐盟擴充前的15個國家，在2004年的平均溫室氣體排放量已經回復到1990年的水準。
反觀臺灣從1998年召開第1次全國能源會議至今，雖然政府也一再強調國家永續發展的重要性，進行溫室氣體減量的規劃，但是在缺乏明確目標的狀況下，根據經濟部能源局的估算資料，從1998年至2003年，臺灣的溫室氣體排放量又增加了26％，與能源消耗量的增加幅度相仿。而溫室氣體減量法到目前為止，仍舊還是只在提案立法階段。同期的國民生產毛額只增加10％，更說明現階段耗能的效率與所產生的經濟效益並不理想。
從實際的執行面而言，除非我們的能源政策有大幅度的修改，否則台灣完全無法符合國際對溫室氣體減量的要求。但是政府如果仍然沒有具體的作為，恐怕只會讓問題越來越無法控制。過度低廉油電價格的調整、高耗能產業結構轉型與節能技術提升、再生能源的開發、機動車輛總量管制、碳稅的制定等，都是政府無可旁貸的責任與應有的政策方向。我們不能期待未來國際社會對溫室氣體排放量占全球百分之一的臺灣不聞不問，畢竟溫室氣體排放已經開始被視為貨品來計算與交易了。
環保意識覺醒程度高的民眾，倒是已經有人開始想要貢獻一己之力，更有許多教人如何把減碳抗暖化的想法化為行動的小冊子。不過降低能源的使用，幾乎是所有個人與企業行動最重要的精神所在。多走路、騎腳踏車、乘坐大眾運輸系統，少用冷氣，改用省電燈泡，至少是每個人都有機會做到的。
