第二章近千年來的氣候變遷與全球暖化

同樣的，了解氣候的歷史演變也可厚實人類的知識。

... 地球自從脫離上一個冰期之後，大氣溫度明顯上升，但是仍舊像個翹翹板一樣，冷暖氣候交互出現，溫度變化達4℃～5℃ ... 近千年來的氣候變遷與全球暖化 2.1變幻莫測的氣候 我們常用「天有不測風雲」來形容天氣的詭譎多變及不可預測。

氣候也如天氣一般地變幻莫測，只是它的變化速率與天氣的瞬變相比緩慢許多。

以人類短短的有生之年，我們有時難免無法察覺氣候的變化。

本世紀前半期，許多科學家仍舊認為氣候是幾乎恆定不變的，它的運作也甚少「出軌」。

因為天氣雖然多變，季節變化卻十分地規律。

類似型態的天氣總是在相同季節不斷的重覆出現。

世界各地氣候狀態或許不同，或多或少都受到季節變化的規範。

此一現象在高緯度地區尤其明顯。

而季節變化則又明顯地與太陽輻射強度相關。

一切似乎都年復一年，正常地運轉。

一般人認為氣候變化多在掌握之中，氣象學家也這麼認為。

氣候學家KennethHare曾經舉例說，在1940年代的英國氣象單位中的氣候研究人員多是殘障、年老力衰或者是痼疾纏身的人士。

這個例子說明，氣候問題曾經被認為是極端無趣及瑣碎的課題。

氣候的善變是無庸置疑的。

1980～1990年代的全球平均溫度就比1950～1970年代高出不少。

1950～60年代受教育的人可能還依稀記得教科書上寫著地球正步入另一個冰期，而且工業污染可能加快氣候變冷的腳步。

1920年代以前，印度地區平均每8.5年發生一次旱災與饑荒;1920至1960年之間，則減緩了許多，印度人口也因此逐漸回昇。

中世紀曾經十分暖和，北大西洋海冰銳減，維京人得以發展航海技術，稱霸歐洲。

他們曾經殖民格陵蘭,但是13世紀以後維持數百年之久的小冰河期改變了一切。

溫度銳減,海冰再度冰封北大西洋，截斷了北歐與格陵蘭之間的通道，也結束了維京人的霸業。

居住在格陵蘭的維京人也因為氣候驟變，賴以生存的傳統農業崩潰，糧食不足，遭受饑荒之苦。

後代科學家檢查出土的維京人遺骸，發現大多數人因為營養不良而死。

由以上的例子，我們發現殷鑑不遠，氣候曾經是如此的善變，未來也必定如此，其對人類的影響不容忽視。

科技的進步及經驗的累積使得科學家開始警覺到氣候不但變幻莫測，而且還可能因人類過度的工業發展發生更劇烈的變化。

才不過幾十年,在九十年代的今天，氣候問題不但成為媒體爭相報導的話題，也是科學家極力投入研究的題材。

五、六十年代的科學家警告我們，人類造成的大氣污染使氣候逐漸變冷;八、九十年代的科學家則警告我們，如果不迅速控制溫室氣體的排放量，地球大氣的溫度將逐步升高。

三十年之間，科學家的看法截然不同。

氣候的變冷與變暖是自然的變化或是人為的影響？科學家仍是眾說紛紜，爭論不休。

經驗的傳承是人類發展的原動力之一。

同樣的，了解氣候的歷史演變也可厚實人類的知識。

在本章中，我們將檢視過去一千年的主要氣候變化以及近年來全球暖化的現象，窺探奇妙的氣候機器。

2.2氣候的定義 著名氣候學家A.S.Monin定義氣候為「在長達數十年期間，大氣-海洋-陸地系統狀態的統計系集」(Astatisticalensembleofstatesoftheatmosphere-ocean-landsystemduringatimeperiodseveraldecadeslong.)。

這個看似簡單的定義指出了三個重點:統計系集(statisticalensemble)、數十年及大氣-海洋-陸地系統。

什麼是統計系集？氣候變化是由許多隨機過程所組成的，無法以數學函數準確地描述它在任何時刻的確切狀態(無論是過去或未來)。

但是，它也可能具有某些可以被偵測到的統計特性。

最明顯的例子是四季變化。

地球自轉軸相對於黃道面的傾斜角（約23.5度）以及地球繞太陽公轉，是造成四季的主要原因之一。

如果，上述的天文因素是影響四季的唯一因子，我們就可準確的預測世界各地的四季變化。

但是，各地的四季變化還受到緯度、高度、海陸分布、地形、大氣內部動力甚至人為因素等的影響。

許多已知及未知的隨機過程不斷地塑造地球氣候，讓我們無法預知每一天的確切溫度。

所幸經過許多觀測，我們仍可歸納出各地的四季變化的主要特徵，而且發現它仍是受到上述天文因素的影響。

比如，以整個北半球而言，12-2月是最冷的季節，6-8月是最暖的季節;在南半球，則剛好相反。

每一季節的長期平均溫度可以從許多年(亦即，許多次的觀測)的資料計算出來，我們因此知道冷暖氣候的空間分布。

分析多年資料之後，我們同時也發現冬季之後是春季、夏季、秋季，再回到到冬季，亦即季節之間有極高的相關性。

這個循環每年不停地運作，此一季節變化的長期平均特性，就是Monin所說的統計系集中的一種。

由以上討論，我們知道，氣候是大氣-海洋-陸地系統的統計特性，而非任何時刻的確切狀態。

氣候具有多重時間尺度的特性(見下一節的討論)，使得描述氣候變化的工作變得十分因難。

我們要了解的是它變化較緩慢的部份，因此必須作某種篩選以便過濾氣候系統中變化較快的部份。

科學家對於應取多長的時間來計算氣候特性的系集平均有許多不同的看法。

Monin並未提出確切的時間長度，只將之定義為數十年。

世界氣象組織(WorldMeteorologyOrganization，WMO)則將之定義為30年。

因此，世界各國氣象單位每隔30年就必須公佈當地氣候的統計量。

這也是為什麼許多氣候變遷研究皆以1951-1980的平均氣候狀態(如，全球平均溫度)為參考點，探討氣候的變化。

Monin定義的氣候系統，包含了大氣、海洋、陸地三大分量(component)，明確地指出雖然氣候變化的表徵皆呈現在大氣變數(如，溫度、降水、風...等)上，它實際上是上述三大氣候分量交互作用產生的結果。

如果再細分，而且考慮生物的影響，氣候系統則包括大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈及生物圈(圖2-1)。

這些分量彼此之間息息相關，不斷地交互作用。

五大氣候分量中，以大氣圈變化最快，反應也最快。

它們之間交互作用的結果當然也最快呈現於大氣之中。

各分量交互作用對氣候的影響，將在本書各章節中陸續提到。

2.3氣候變遷的多重時間尺度特性 地球的氣候機器不斷地運轉，冷暖期交互出現。

科學家估計，地球自從在46億年前誕生以來，歷經了35次冰期。

圖2-2顯示過去8億年間，冷暖氣候多次地交替出現，我們目前的氣候相對而言是處於較冷的狀態。

氣候的實際變化不像圖2-2中曲線那般的平滑。

如果將過去100萬年氣溫度變化的曲線放大(圖2-3a)，我們發現尚有許多起起伏伏，但是振幅較小的溫度變化。

過去百萬年發生過多次冰期，其中的前五十萬年氣溫偏低，後五十年的氣候則較為暖和。

十幾萬年前是間冰期，氣溫比二十世紀初的氣溫（虛線）還高；最近一次冰期的鼎盛時期約發生於1萬8千年前，而目前的氣候則是脫離冰期之後較暖的時期。

奇妙的是，看似平滑的曲線中，還埋藏更細微的變化。

地球自從脫離上一個冰期之後，大氣溫度明顯上升，但是仍舊像個翹翹板一樣，冷暖氣候交互出現，溫度變化達4℃～5℃之多(圖2-3b)。

目前的氣候並非是最暖的，比如6-4千年前的氣候就比目前還要暖和。

過去1萬年中，地球氣候經歷了4次冷暖變化。

最近的一次冷期為小冰河期(LittleIceAge)，大約發生於15世紀至19世紀初，歷時數百年之久(圖2-3c)，之前則為中世紀暖期(Medievalwarmperiod)。

脫離小冰河期之後，氣候又逐漸回暖。

同樣地，其間也充滿了變化(圖2-4)。

比如，19世紀末至1940年之間，溫度持續上升，地球氣候在1940年代相當暖和，但是1950～1970年代溫度卻又持續下降。

一些科學家因此懷疑較冷的氣候是否又來臨了。

大自然似乎又跟人類開了個玩笑:1980年代至今，全球平均溫度又節節上升。

1995年全球平均溫度比1961～1990的平均溫度高出0.4℃，是過去一百多年來最暖的一年(圖2-4)。

許多科學家預測，全球平均溫度未來仍將持續上升。

是否如此，則有待觀察。

由以上的討論，我們知道地球氣候變化是具有多重時間尺度的特性。

圖2-2a的曲線中氣候變化的時間尺度是以億年為單位，2-3a的單位則為萬年。

圖2-3b,c、圖2-4則為千年、百年、十年其至一年不等。

一般而言，時間尺度越長，溫度的變化幅度也越大。

歷史氣候資料顯示氣候變化可以是十分緩慢也可瞬變(abruptchange)，其複雜程度不言可喻。

也因為其複雜程度，雖然經過許多科學家窮一生之力研究氣候變遷，人類至今仍無法窺其全貌。

以下幾節將逐一介紹中世紀暖期、小冰河期、以及20世紀的回暖期間氣候的特性。

2.4中世紀暖期 本千禧年之初(圖2-3c)，歐洲的氣候比後來的小冰河期暖和許多。

在有些地區，溫暖的氣候甚至可回朔至西元4-5世紀。

許多古籍的記錄、古代耕地遺跡、建築物、樹輪等皆留下蛛絲馬跡，成為後代科學家重建古氣候的依據。

歷史紀錄顯示，此時期歐洲的氣候十分溫和，豐收不斷，甚少饑荒。

北極海浮冰覆蓋面積明顯縮小。

冰島人在西元982年首次抵達格陵蘭，之後更往西航行至加拿大。

在冰島及格陵蘭甚至有穀類收成，而且漁獲頗豐。

冰島的古籍記載了一件英勇事績:在西元985-1000年間，有人游泳橫渡格寧蘭的峽灣(fjord)帶回一隻成羊。

科學家依據人類體能估計，即使是長泳選手，當時的海水溫度最低也必須在10°C以上，才能完成該項壯舉。

該峽灣的現代海溫甚少高過6°C，顯示當時的氣候可能比現代溫暖許多。

當時，歐洲大陸的葡萄園的開墾範圍比目前還往北推進約500公里，英格蘭目前仍存在的許多中世紀葡萄園遺跡就是最好的證據。

科學家依此推斷當時的夏季平均溫度可能比20世紀高出0.7℃-1℃。

美國加州白山的松樹年輪資料也顯示11-13世紀之間的樹輪比之前及之後的年代都來得寬。

當地松樹的生長主要取決於夏季氣溫，與降水多寡較無相關。

由此判斷，當時的白山氣溫應該偏高。

但是，類似的溫暖氣候並未在當時的中國、日本一帶發生。

依據中國古氣候學家的估計，隋朝到北宋期間的中國氣候比20世紀來得暖和，但是到了北宋太宗中期(西元10世紀)，氣溫迅速下降，進入長達數百年之久的冷期(圖2-5)。

漢代以前，黃河流域溫暖多雨，仍有稻、竹等植物；南宋時，氣候較寒冷而且乾旱，稻、竹等已不多見。

直至今日，仍舊如此。

中國古籍更確切地記載了氣候的變化。

如，唐太宗本紀記載:貞觀二十三年(西元649年)高宗即位，冬無雪。

依據劉昭民先生的統計，唐代的300年中，冬無雪的年數達19次之多，是各朝代之冠；其中12次發生於西元710-822年的112年之間。

相反的，南宋的古籍則多是『錢塘大寒屢雪，冰厚數寸』之類的記載。

學者估計，南宋杭州年平均溫度比現在低1℃-1.5℃。

同樣的情形也發生於東瀛。

依據日本皇家御花園保存的櫻花盛開日期記錄:在9世紀，櫻花盛開多在早春；到了12世紀，卻多發生於晚春，平均而言，晚了約二週。

上述記錄之間的差異顯示，發生於歐洲的中世紀暖期可能不是全球性的現象。

2.5小冰河期 小冰河期顧名思義指的是相對而言較冷的時期，但是比主要的冰期還要暖和，維持的時間也比較短。

一般而言，小冰河期泛指15世紀至19世紀中葉氣溫偏低的時期(圖2-3c)。

在小冰河期之前，地球氣候較暖和的狀態亦達數百年之久。

此一情況在13世紀逐漸改觀，天氣逐漸變冷，海冰覆蓋面積增加，海上惡劣天氣頻繁不利於航行。

在歐洲大陸，惡劣天氣出現的頻率也逐漸昇高，農作收成及漁獲量皆明顯下降。

歐洲北大西洋沿岸頻頻遭受風暴侵襲，海岸受到侵蝕而且洪水不斷發生。

13世紀後葉及14世紀前葉，饑荒更是頻頻發生。

此後歐洲氣候一直處於偏冷的狀態，在16世紀雖有回升的跡象，但是到了17世紀，氣溫又明顯下降，低溫狀態維持到19世紀中葉。

小冰河期的另一特色是天氣變異相當大，亦即極端天氣發生的頻率較高。

中英格蘭的氣象資料顯示，在1659-1979年之間，最冷及最熱的冬天與夏天多發生在小冰河期。

倫敦的泰晤士河河面在1964-5到1813-4之間結凍20-22次，倫敦市民甚至在冰凍的河面上舉辦舞會等活動。

此段期間，荷蘭的運河也經常結冰。

冰雪覆蓋的地貌成為常態，也因之成為畫家筆下常見的景色。

小冰河期也在中國發生。

如上節所述，當歐洲仍處於中世紀暖期時，中國就已進入長達數百年的冷期(圖2-5)，在南宋期間，氣候曾經一度回暖，但是仍舊偏低，而且維持不久，之後的元、明、清三代大多屬於寒冷的年代。

明代中葉及後葉，氣候寒冷乾旱，在16世紀中，旱災發生次數高達84次，居歷史上各世紀之冠。

科學家無法斷定小冰河期開始的確切日期，因為歐洲各地氣候變冷的時間都不相同；但是，回暖的時間則大致相同。

我們可以確定的是，歐洲大部份地區皆經歷了數百年的寒冷惡劣的氣候。

有關小冰河期的相關資料以歐洲地區最齊全，在世界其他地區資料則殘缺不全。

但是冰河學家發現西元1600左右，世界各地許多冰河開始向低處延伸，而在過去一百年，世界各地的冰河則明顯往高處退縮。

雖然尚缺乏顛撲不破的證據，許多資料皆顯示小冰河期是一個全球性現象。

圖2-6中的各種古氣候資料證實這一觀點。

譬如，中英格蘭的溫度、加州白山的樹木年輪寬度，皆顯示氣溫在13世紀開始下降，一直到19世紀才明顯回昇。

這些資料取自不同地點，估算方法也各自不同，但是都指出小冰河期曾在世界上許多地區發生的事實。

2.6全球暖化 地球氣候在19世紀後葉脫離小冰河期，溫度逐漸上升。

但是，與脫離上次冰期的回暖現象一樣，溫度上升並非平穩而持續，其中也有較短暫的起伏。

圖2-4顯示全球平均地面溫度在20世紀初上升相當快速,大約在1940年達到了最高溫。

在35年之間(1905-1940)溫度大約上昇了0.6℃。

1950年代溫度明顯下降，在1960年左右稍為回升，但基本上低溫持續至1980年代初才又迅速上升。

1980年之後，其間仍有小幅度起伏，但大致上維持上升趨勢，在1995年達到最高溫。

全球平均溫度上升，未必表示地球上每一地區溫度皆上升。

有些地區溫度上升明顯，有些不明顯，甚至下降。

區域性氣候的變化顯然比全球性變化來得複雜許多。

比如，當1950-60年代北半球平均溫度明顯下降時，紐西蘭仍持續增溫至1970年代。

區域性溫度變化的複雜程度可由圖2-7看出。

圖2-7中的三幅圖分別代表1950-59，1967-76，1980-89三個十年平均地面溫度與1951-1980三十年平均溫度之間的差距。

如果氣候在每一個地區皆持續變暖，則每一幅圖應該都只有實線(代表正溫度差)。

我們並未觀察到這麼一個簡單的景像，反而是每一個十年都有較暖及較冷的地區。

1950-1970年代是全球溫度下降的時期，因此大多數地區皆呈現負溫度差；但是北大西洋的溫度在1950-1959之間卻顯著地偏高。

相反的，1980-1989全球溫度急速上昇之時，北大西洋及北太平洋的溫度卻明顯偏低。

雨量的變化則更加複雜，而且與溫度變化無絕對的關係。

依據政府間氣候變遷小組(IntergovermentalPanelonClimateChange；IPCC)的估計，在20世紀，全球平均雨量約增加了1%(圖2-8，55°S-85°N)；雨量增加的地區主要在北半球的中高緯度地區(圖2-8)。

10°N-30°N之間的雨量在50、60年代有明顯的下降趨勢，而且偏低的雨量一直維持至1990。

南半球的雨量較無明顯的變化，但是中高緯度地區（30°S-55°S）的估計值的準確度仍不太確定。

即使位處於同一緯度，不同地區的雨量變化仍有相當的差異。

譬如，東南亞地區雨量有下降的趨勢，但是印度地區則上升(圖2-9)。

熱帶非洲雨量減少，但是南美洲上升。

這些例子告訴我們不能將全球氣候變化與區域氣候變化劃上等號。

探討區域氣候變遷的成因遠比一般人的印象複雜許多，也更具挑戰性。

19世紀末，20世紀初氣候回暖的現象為何在1950-1970年代止升回跌﹖這個問題仍是沒有令人滿意的答案。

1980年代以後，全球平均溫度又為何大幅度的上升﹖近年來，世界各地不斷發生異常氣候，最高溫、最低溫、雨量等氣象紀錄也不斷地重寫。

許多科學家將之歸咎於人造的溫室氣體(如，二氧化碳)的影響。

這樣的觀點似乎無法解釋近百年來氣候變化的許多特徵。

在下一章中，我們將進一步探討。

在討論溫室效應是否造成氣候變遷之前，或許我們應該先問過去一百多年的氣候是否有明顯的變遷。

『政府間氣候變遷小組』科學家分析了許多資料之後，在1995年的報告中，作出下列結論: ●氣候變暖了嗎﹖ 1.全球平均地面氣溫自19世紀末以來上升了0.3-0.60C；最近40年則上升了0.2-0.30C。

2.暖化最明顯的地區是400N-700N;有些地區則變冷。

3.最近50年的日溫差有變小的趨勢(因為雲量增加，夜晚氣溫升高)。

4.自1973年以來，海冰覆蓋面積無一致性的變化。

亦即，有些地區增加，有些地區減少。

●氣候變濕了嗎﹖ 1.全球平均雨量在20世紀增加了1%。

2.1988年以來，雪蓋面積(snowcover)小於1974-1994的平均值。

●氣候更多變，更惡劣了嗎？ 1.惡劣氣候的發生頻率無一致性的變化，亦即，有些地區增加，有些地區減少。

2.除了Sahel等少數地區，發生乾旱的頻率並無明顯的變化。

3.某些地區發生豪雨的頻率增加，但是並無明顯的大規模的變化。

4.北大西洋發生強烈溫帶氣旋的出現頻率增加;熱帶氣旋(如颱風)則強度減弱。

5.酷寒發生頻率降低，但是熱浪發生頻率並無明顯變化。

●20世紀變暖了嗎？ 1.北半球夏季溫度是西元1400年以來最高的。

2.全球平均溫度至少與西元1400年以來任何世紀一樣暖和(atleastaswarmasanycenturysinceatleastabout1400)。

2.7結語 在本章中，我們回顧了近千年的氣候變遷，也瞭解了氣候變遷具有多重時間尺度的特性。

氣候變遷複雜的程度，科學家至今只解開了謎團的一小部份。

最明顯的例子是，『政府間氣候變遷小組』科學家對近代氣候的研究結果仍有許多模稜兩可的地方。

尤其是，他們仍無法判斷20世紀是不是1400年以來最暖的世紀。

這其實很容易理解。

因為有系統而且準確的氣象觀測也不過是最近幾十年的事情，遑論幾世紀之前。

即使幾十年前的颱風資料也付之闕如。

正因為如此，我們仍無法有信心地回答上述的問題。

這個例子充份顯現了科學家研究氣候變遷所面臨的難題及窘況。

有人甚至會問，我們所發掘出的「事實」有多少是真實的？這也是許多科學家絞盡腦汁想要回答的問題。

能夠解釋氣候變遷，而且歷經千錘百煉、顛撲不破的證據及理論或許仍不存在。

但是，科學的發展是人類智慧的結晶，是從許多嘗試錯誤(trialanderror)中累積出來的知識，古氣候研究所累積的經驗與證據，使我們對氣候的運作有更深一層的理解。

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