編者注：這篇文章最初發表於2007年7月刊，現重新發布，以突出諾貝爾獎獲得者在《大眾科學》上發表文章的悠久歷史。
對於研究氣候變化的科學家來說，“尤里卡”時刻異常罕見。相反，進步通常是透過一絲不苟地將來自每次新的溫度測量、衛星探測或氣候模型實驗的證據拼湊起來實現的。資料經過反覆檢查，想法經過一遍又一遍的測試。觀測結果是否符合預測的變化？是否可能有其他解釋？優秀的氣候科學家，像所有優秀的科學家一樣，希望確保最高的證據標準適用於他們發現的一切。
隨著氣候記錄變得更長，隨著我們對氣候系統的理解不斷提高，以及隨著氣候模型變得越來越可靠，變化的證據不斷積累。在過去的20年中，人類正在影響氣候的證據已不可阻擋地積累，隨之而來的是科學界對近期氣候變化的現實以及未來更大變化的可能性的日益確定。這種日益增長的確定性鮮明地反映在政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的最新報告中，該報告是關於該主題知識狀況的一系列評估中的第四份報告，由全球數百名科學家撰寫和審查。
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該小組在2月份釋出了報告第一部分（關於氣候變化的物理科學基礎）的濃縮版。這份名為“決策者摘要”的檔案向決策者和普通民眾傳遞了一個明確的資訊：科學家比以往任何時候都更有信心，人類已經干預了氣候，並且進一步的人為引起的氣候變化正在到來。儘管該報告發現其中一些進一步的變化現在是不可避免的，但其分析也證實，未來，特別是從長遠來看，仍然很大程度上掌握在我們手中——預期變化的幅度取決於人類選擇如何應對溫室氣體排放。
物理科學評估側重於四個主題：氣候變化的驅動因素、氣候系統中觀測到的變化、對因果關係的理解以及未來變化的預測。自2001年IPCC評估以來，所有這些領域的研究都取得了重要進展。在接下來的篇幅中，我們將闡述關鍵發現，這些發現記錄了變化的程度，並指出了人為活動正在驅動變化的不可避免的結論。
氣候變化的驅動因素 由於人類活動，許多氣體的 атмосферные концентрации 大氣濃度（主要是二氧化碳、甲烷、一氧化二氮和鹵代烴（曾經廣泛用作製冷劑和噴霧推進劑的氣體））有所增加。這些氣體透過眾所周知的溫室效應將熱能（熱量）截留在 атмосферные концентрации 大氣中，導致全球變暖。在過去的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 大氣濃度在近10000年中大致保持穩定。二氧化碳濃度增長率在過去10年中比自1950年代開始持續大氣監測以來的任何10年期間都快，現在的濃度大約比工業化前水平高35％（這可以從冰芯中捕獲的氣泡中確定）。甲烷水平大約是工業化前水平的2.5倍，一氧化二氮水平大約高20％。
我們如何確定這些增加是人為造成的？某些溫室氣體（例如，大多數鹵代烴）沒有天然來源。對於其他氣體，兩個重要的觀察結果證明了人類的影響。首先，濃度在地理上的差異表明，來源主要發生在人口稠密的北半球的陸地上。其次，對同位素的分析（可以區分排放源）表明，二氧化碳增加的大部分來自化石燃料（煤炭、石油和天然氣）的燃燒。甲烷和一氧化二氮的增加來自農業實踐和化石燃料的燃燒。
氣候科學家使用一個稱為輻射強迫的概念來量化這些濃度增加對氣候的影響。輻射強迫是相對於工業化前時期，地球全球能量平衡中引起的變化。（強迫通常以每平方米瓦特表示。）正強迫導致變暖；負強迫導致冷卻。我們可以相當精確地確定與長壽命溫室氣體相關的輻射強迫，因為我們知道它們的大氣濃度、空間分佈以及它們與輻射相互作用的物理特性。
氣候變化不僅僅是由溫室氣體濃度增加驅動的；其他機制（包括自然機制和人為機制）也發揮了作用。自然驅動因素包括太陽活動的變化和大型火山爆發。該報告確定了幾種其他重要的人為強迫機制——稱為氣溶膠的微小顆粒、平流層和對流層臭氧、地表反照率（反射率）和飛機尾跡——儘管這些機制的影響遠不如溫室氣體的影響確定。
研究人員最不確定的是一種稱為氣溶膠雲反照率效應的氣候影響，其中人為來源的氣溶膠以複雜的方式與雲相互作用，使雲層更明亮，將陽光反射回太空。不確定性的另一個來源來自人為來源的氣溶膠的直接影響：它們作為顆粒直接反射和吸收多少陽光？總體而言，這些氣溶膠效應促進了冷卻，可以在一定程度上抵消長壽命溫室氣體的變暖效應。但是抵消多少？它會壓倒變暖嗎？自2001年IPCC報告以來取得的進展之一是，科學家透過許多建模和觀測研究的結合，量化了與每種單獨的強迫機制相關的不確定性。因此，我們現在可以自信地估計人為總成分。我們的最佳估計是，大約是太陽活動變化引起的自然輻射強迫的最佳估計的10倍。
這種淨正輻射強迫增加的確定性與接下來討論的觀測到的變暖證據非常吻合。這些強迫可以視覺化為一場拔河比賽，正強迫將地球拉向更溫暖的氣候，而負強迫則將其拉向更涼爽的狀態。結果是一場毫無懸念的比賽；我們比以往任何時候都更瞭解競爭對手的力量。地球正在被拉向更溫暖的氣候，並且隨著溫室變暖的“錨”越來越強，地球將被越來越大地朝這個方向拉動。
觀測到的氣候變化 為2007年IPCC報告及時提供的大量新的或改進的觀測資料集使得對變化的評估比早期報告中可能進行的評估更為全面。觀測記錄表明，自1850年左右可靠記錄開始以來，過去12年中，有11年是最溫暖的。
如此溫暖的年份純粹偶然地連續發生的機率極小。全球溫度、海平面和北半球積雪這三個重要量的變化都顯示出變暖的證據，儘管細節有所不同。之前的IPCC評估報告稱，1901年至2000年期間的變暖趨勢為0.6±0.2攝氏度。由於最近的強烈變暖，1906年至2005年的更新趨勢現在為0.74±0.18攝氏度。請注意，僅1956年至2005年的趨勢為0.65±0.15攝氏度，這強調了20世紀的大部分變暖發生在過去50年中。當然，氣候繼續圍繞增加的平均值而變化，極端情況也隨著這些平均值而發生了一致的變化——霜凍日和寒冷的白天和夜晚變得不那麼常見，而熱浪和溫暖的白天和夜晚變得更加常見。
氣候系統的屬性不僅包括溫度、降水等的熟悉概念，還包括海洋和冰凍圈（海冰、格陵蘭和南極洲的大冰蓋、冰川、積雪、凍土以及湖泊和河流上的冰）的狀態。氣候系統不同部分之間的複雜相互作用是氣候變化的基本組成部分——例如，海冰的減少增加了海洋對熱量的吸收以及海洋與大氣之間的熱流，這也會影響雲量和降水。
大量額外的觀測結果與觀測到的變暖廣泛一致，並反映了熱量從大氣流入氣候系統其他組成部分的情況。春季積雪隨著北半球中緯度地區春季氣溫的升高而減少，在1988年左右突然下降，此後一直保持在較低水平。這種下降令人擔憂，因為積雪對許多地區的土壤溼度和水資源至關重要。
在海洋中，我們清楚地看到了變暖趨勢，正如預期的那樣，變暖趨勢隨著深度的增加而減小。這些變化表明，海洋吸收了氣候系統中增加的熱量的80％以上：這種變暖是海平面上升的主要原因。海平面上升是因為水受熱膨脹，以及來自融化的冰川和冰蓋的水被新增到海洋中。自1993年以來，衛星觀測使得可以更精確地計算全球海平面上升，現在估計1993年至2003年期間每年上升3.1±0.7毫米。之前的一些十年顯示了類似快速的速度，需要更長的衛星記錄才能明確確定海平面上升是否正在加速。自1978年以來，北極海冰範圍大幅減少（年平均每十年減少2.7±0.6％，夏季每十年減少7.4±2.4％），多年凍土溫度升高，以及全球範圍內以及格陵蘭和南極冰蓋冰川範圍減少，這些都在近幾十年中被觀測到。不幸的是，直到最近幾十年，這些量中的許多量才得到很好的監測，因此它們的記錄起點各不相同。
水文變化也與變暖廣泛一致。水蒸氣是最強的溫室氣體；與其他溫室氣體不同，它主要受溫度控制。自至少1980年代以來，它總體上有所增加。降水在區域性地區變化很大，但在世界上的幾個大地區有所增加，包括北美和南美東部、北歐以及亞洲北部和中部。在薩赫勒地區、地中海地區、南部非洲和亞洲南部部分地區已觀察到乾旱。海洋鹽度可以充當巨大的雨量計。海洋近地表水域在中高緯度地區普遍淡化，而在低緯度地區則變得更鹹，這與大規模降水模式的變化相符。
從樹木年輪和其他代用資料中重建的過去氣候（古氣候）為理解有和沒有人為影響的氣候系統的執行提供了重要的額外見解。它們表明，過去半個世紀的溫暖在至少過去1300年中是不尋常的。公元700年至1950年之間最溫暖的時期可能是公元950年至1100年，這比1980年以來的平均溫度低零點幾攝氏度。
觀測到的變化的歸因
儘管人們高度確信人類活動已引起正輻射強迫並且氣候實際上已經發生變化，但我們能否自信地將兩者聯絡起來？這就是歸因問題：人為活動是否是觀測到的氣候變化的主要原因，或者它們是否可能由某些其他原因引起，例如某些自然強迫或僅僅是氣候系統內的自發變異？ 2001年IPCC報告的結論是，自20世紀中期以來，可能（超過66％的可能性）大部分變暖歸因於人類。 2007年的報告更進一步，將此機率提高到非常可能（超過90％的可能性）。
額外信心的來源來自許多獨立的進展。首先，觀測記錄現在大約延長了五年，並且在此期間全球氣溫升高在很大程度上與IPCC在1990年以來的先前報告中對溫室氣體驅動的變暖的預測相符。此外，還考慮了氣候更多方面的變化，例如大氣環流或海洋內部溫度的變化。這些變化描繪了一幅一致且現在更加廣闊的人為干預圖景。氣候模型是歸因研究的核心，也得到了改進，並且能夠以相當高的保真度代表當前氣候和近期過去的氣候。最後，自上次報告以來，觀測記錄中注意到的一些重要的明顯不一致之處已基本得到解決。
其中最重要的是儀器地表溫度記錄（顯示近幾十年來的顯著變暖，與人為影響一致）與氣球和衛星大氣記錄（顯示幾乎沒有預期的變暖）之間明顯的錯配。對衛星和氣球資料的幾項新研究現在已基本解決了這種差異——在地表和 атмосферные концентрации 大氣中都發現了持續的變暖。
如果用真實世界進行一項實驗，複製20世紀的氣候，但溫室氣體保持恆定（而不是增加），這將是測試氣候變化原因的理想方法，但是當然，這樣的實驗是不可能的。因此，科學家們做了次好的事情：他們用氣候模型模擬過去。
自上次IPCC評估以來，兩項重要的進展提高了對模型用於歸因和預測氣候變化的信心。第一個是來自全球18個建模小組的關於地球氣候歷史和未來演變的全面、密切協調的模擬集合的開發。使用多個模型有助於量化各種氣候過程中的不確定性對模型模擬範圍的影響。儘管某些過程已被充分理解並由物理方程很好地表示（例如，大氣和海洋的流動或陽光和熱量的傳播），但氣候系統的一些最關鍵的組成部分卻鮮為人知，例如雲、海洋渦流和植被的蒸騰作用。建模者使用稱為引數化的簡化表示來近似這些元件。為IPCC評估開發多模型集合的主要原因是瞭解這種不確定性如何影響氣候變化的歸因和預測。最新評估的集合在模型和執行的實驗數量方面是前所未有的。
第二個進展是在模型中納入更真實的氣候過程表示。這些過程包括大氣氣溶膠的行為、海冰的動力學（運動）以及陸地與大氣之間的水和能量交換。現在更多的模型包括主要型別的氣溶膠以及氣溶膠與雲之間的相互作用。
當科學家使用氣候模型進行歸因研究時，他們首先使用過去100年中僅“自然”氣候影響的估計值（例如太陽輸出的變化和大型火山爆發）執行模擬。然後，他們執行包括人為溫室氣體和氣溶膠增加的模型。此類實驗的結果令人矚目。僅使用自然強迫的模型無法解釋自20世紀中期以來觀測到的全球變暖，而當它們除了自然因素外還包括人為因素時，它們可以做到這一點。當包括所有強迫時，溫度變化的大規模模式在模型和觀測之間也最為一致。
兩種模式提供了人為影響的指紋。第一種是陸地上的變暖幅度大於海洋，海面的變暖幅度大於深層。這種模式與上方大氣引起的溫室氣體變暖相一致：由於海洋的熱慣性較大，海洋變暖速度較慢。變暖也表明海洋正在吸收大量熱量，這表明地球的能量預算已失去平衡。
變化的第二種模式是對流層（大氣層的較低區域）變暖，而平流層（剛好在其上方）則冷卻。如果太陽變化提供了主要的強迫，則預計兩個大氣層都將變暖。但是，觀測到的對比恰好是溫室氣體增加和平流層臭氧減少的組合所預期的。當對這些集體證據進行仔細的統計分析時，為人們更加確信人為影響是觀測到的全球變暖的幕後推手提供了大部分依據。關於宇宙射線可能影響雲層，從而影響氣候的說法是基於使用有限記錄的相關性；當使用其他資料進行測試時，這些說法通常站不住腳，並且其物理機制仍然是推測性的。
較小規模的情況如何？隨著空間和時間尺度的減小，氣候變化的歸因變得更加困難。出現此問題的原因是，自然的，小規模的溫度變化較少被“平均化”，因此更容易掩蓋變化訊號。然而，持續的變暖意味著訊號正在較小規模上顯現。該報告發現，人為活動可能已對除南極洲以外的所有大陸的溫度產生了顯著影響，直至大陸規模。
人為影響在某些極端事件中也顯而易見，例如異常炎熱和寒冷的夜晚以及熱浪的發生。當然，這並不意味著可以說個別極端事件（例如2003年歐洲熱浪）僅僅是由人為引起的氣候變化“引起”的——通常此類事件是複雜的，原因很多。但這確實意味著，人為活動極有可能影響了此類事件發生的可能性。
未來變化的預測
21世紀的氣候將如何變化？這個關鍵問題是透過使用氣候模型的模擬來解決的，這些模擬基於對未來溫室氣體和氣溶膠排放的預測。模擬表明，對於目前或高於當前水平的溫室氣體排放，氣候變化很可能大於20世紀已經觀測到的變化。即使排放立即減少到足以將溫室氣體濃度穩定在當前水平，氣候變化仍將持續數個世紀。氣候中的這種慣性是由多種因素共同造成的。它們包括世界海洋的熱容量以及迴圈將熱量和二氧化碳混合到整個深海中並因此與新條件達到平衡所需的長達千年的時間尺度。
更具體地說，模型預測，在未來20年中，對於一系列合理的排放情景，全球溫度將以每十年約0.2攝氏度的平均速率升高，接近過去30年的觀測速率。大約一半的近期變暖代表了“承諾”未來的氣候變化，這是由氣候系統對當前大氣溫室氣體濃度的響應慣性引起的。
然而，21世紀的長期變暖受到未來排放率的強烈影響，預測涵蓋了各種各樣的情景，從非常快速到較為溫和的經濟增長，以及從更多到更少地依賴化石燃料。全球氣溫升高的最佳估計範圍為各種排放情景的1.8至4.0攝氏度，排放量越高，溫度越高。至於區域影響，預測比以往任何時候都更有信心地表明，這些影響將反映過去50年中觀測到的變化模式（例如，陸地上的變暖幅度大於海洋），但變化的規模將大於迄今為止的變化。
模擬還表明，隨著地球變暖，陸地和海洋中自然過程去除大氣中過量二氧化碳的效率將降低。這種變化導致更高比例的排放二氧化碳殘留在 атмосферные концентрации 大氣中，然後進一步加速全球變暖。這是碳迴圈（碳化合物在整個氣候系統中的交換）的重要正反饋。儘管模型一致認為碳迴圈變化代表正反饋，但它們的響應範圍仍然非常大，這取決於其他因素，包括對植被或土壤吸收碳的瞭解不足的變化，因為氣候變暖。這些過程是正在進行的研究的重要主題。
模型還預測，氣候變化將影響海洋的物理和化學特性。 21世紀海平面上升的估計範圍約為30至40釐米，同樣取決於排放量。這種上升的60％以上是由海洋的熱膨脹引起的。然而，這些基於模型的估計並未包括最近觀測到的格陵蘭和南極冰蓋冰損失增加的可能加速。儘管對這些影響的科學理解非常有限，但它們可能會使海平面上升再增加10到20釐米，並且不能排除海平面大幅上升的可能性。海洋的化學性質也受到影響，因為大氣二氧化碳濃度的增加將導致海洋變得更酸性。
預計極地地區將發生一些最大的變化。這些變化包括高緯度陸地溫度的顯著升高和多年凍土地區解凍深度的增加，以及北冰洋盆地夏季海冰範圍的急劇減少。較低緯度地區可能會經歷更多的熱浪、更強的降水以及更強（但可能頻率較低）的颶風和颱風。颶風和颱風可能增強的程度尚不確定，並且是許多新研究的主題。
當然，一些重要的不確定性仍然存在。例如，雲層隨著溫度升高而變化的精確方式是控制預測變暖總體規模的關鍵因素。然而，雲的複雜性意味著它們的響應一直令人沮喪地難以確定，並且，同樣，該領域仍有許多研究要做。
我們現在生活在一個人類和自然都影響地球及其居民未來演變的時代。不幸的是，我們的氣候模型提供的水晶球對於一個世紀左右之後的預測變得模糊不清。我們對自然系統和人類社會對氣候變化日益增長的影響的反應的有限瞭解加劇了我們的不確定性。然而，全球變暖的一個結果是確定的。植物、動物和人類將在至少未來的數千年內承受氣候變化的後果。