气候变化的影响因素及影响机制探析(17页).doc

-气候变化的影响因素及影响机制探析-第 16 页 气候变化的影响因素及影响机制探析摘要 近年来气候变化的问题越来越成为人们关注的焦点。关于气候的研究也层出不穷，但研究多只涉及某一方面的影响因素。而要准确的预测将来气候的变化，必须综合分析各方面的影响因素。因此对各种影响气候变化的因素及其影响机制进行综合概述就显得十分重要。本文基于上述目的通过对以前学者的研究内容进行总结分析，阐述了影响全球气候变化的主要因素:大气上界辐射变化、温室气体变化、气溶胶、地震潮汐和火山运动、北极海冰、构造抬升、下垫面物理景观变化、世界人口数量。并且总结概括了各种影响因素对气候变化的影响机制。主要有流体动力学模式，评价温室效应的LLNL一ZD化学模式以及UIUC一ZD化学模式及以前应用最多的是全球环流模式(GCM)和现在使用较多的NCAR/RegCMZ区域气候模式，构造抬升变化的“构造输入”模型。关键词 气候变化；影响因素；影响机制 1 引言 近些年来的气候变化已导致冰川湖泊范围扩大，数量增加；多年冻土区土地的不稳定状态增大，山区出现泥石流和雪崩；北极和南极部分生态系统发生变化，包括那些存在于海冰生物群落的生态系统，以及处于食物链高端的食肉动物；在许多由冰川和积雪供水的河流中，径流量和早春最大溢流量增加；许多地区的湖泊和河流变暖，对热力结构和水质产生影响；树木出新叶、鸟类迁徙和产蛋等春季特有现象出现时间提前；动植物物种的地理分布朝两极和高海拔地区推移；许多地区春季植被提前“返青”，变暖造成了生长季延长；高纬海洋中藻类、浮游生物和鱼类的地理分布发生变化；高纬和高山湖泊中藻类和浮游动物增加；河流中鱼类的地理分布发生变化并提早迁徙。人为碳排放的增多导致海洋更加酸化，pH值平均下降了0.1个单位。气候变化和气候变异，正在开始影响许多其他的自然和人类系统，山区的人居环境遭受冰川湖泊爆发洪水的风险加大；在非洲的萨赫勒地区，更暖、更干的环境已经导致了生长期的缩短，并对农作物产生了有害影响；海平面升高和人类发展，都在造成海岸带湿地和红树林的损失，增加了许多地区海岸带洪水造成的损害。气候变化越剧烈，净影响就越趋向于负面，最脆弱的是那些位于海岸带和江河平原的地区、经济与气候敏感性资源联系密切的地区、极端天气事件易发的地区、特别是城市化发展快速的地区。气候变化的影响还会通过社会和经济领域的复杂联系，间接地影响到其他的地区和部门。气候变化对健康也会产生较大影响【1】。鉴于气候变化带来的众多问题，全球气候变化越来越成为人们关注的重点。研究气候变化的影响因素及影响机制，有助于我们对将来气候的的预测，尽早提出应对的措施，减少由于气候变化造成的灾害。迄今为止有关气候变化的研究已经表明影响气候变化的因素主要有大气上界辐射变化、温室气体变化、气溶胶、地震潮汐和火山运动、北极海冰、构造抬升、下垫面物理景观变化、世界人口数量。其中大气上界辐射变化的影响主要受地球轨道形状变化和太阳活动的控制，下垫面物理景观的变化主要涉及植被变化、冰雪覆盖变化、湿地和沙漠化以及目前的研究热点城市化热岛效应。 早期的全球气候变化预测模式有热力学模式和流动力学模式。热力学模式不考虑或只以非常简化的方式考虑大气运动场对辐射收支的影响，它只能预报大气成分变化所引起的温度变化。能量平衡模式（EBM）和辐射对流模式（RCM）都属于此类。流体动力学模式考虑了辐射场以及大气位势能和动能之间的转化，考虑了温度场和运动场之间的相互作用，可以预报大气成分变化所引起的温度场和运动场变化，以及由此所引起的降水变化。最基本的流体动力学模式是全球大气环流模式（AGCM），而比较完善的气候模式还应包括全球海洋环流模式（OGCM）、路面过程模式（LPM）、全球海洋大气耦合模式（OACGCM）。近些年来，伴随着一系列气候问题的出现，气候变化问题越来越成为各国政府、公众和科技界关注的重大问题，世界各地广泛开展了长期气候变化趋势、影响及适应性对策研究。世界气象组织和联合国环境规划署共同成立了政府间气候变化专门委员会(IPCC)，组织权威专家共同研究这一重大课题，取得了许多成果，制定了一些对策性规划【2】。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）就地球气候变化问题先后完成了四次评估报告。1990年第一次评估报告公布的结论是：近几年的气候变化可能是自然波动或人类活动或二者共同影响造成的。【46】1996年的第二次评估报告显示：尽管定量表述人类活动对全球气侯的影响能力仍有限，且在一些关键因子方面还存在不确定性，但越来越多的事实表明，人类活动对气候的影响已被觉察出来。【47】2001年第三次评估报告则以更新更强的证据表明：过去50年观测到的地球气候的大部分增暖，66%以上可能是因为人类活动造成的。【48】2007年第四次评估报告的结论是：人类活动很可能是气候变暖的主要原因，这种可能性在90%以上。【49】专家们对气候系统未来情景的预估是：与19801999年相比，21世纪末全球平均地表温度可能会升高1.16.4；21世纪高温、热浪以及强降水频率可能增加，热带气旋（台风和飓风）强度可能加强；21世纪末全球平均海平面将上升0.180.59 m ；格陵兰冰盖退缩将导致2100年后海平面继续上升；鉴于清除大气中的CO2所需的时间尺度，过去和未来人为排放的CO2将使地球增暖和海平面上升延续达千年以上【37】。今年我国南方大部分地区和西北地区中部出现了建国以来罕见的持续大范围低温、雨雪和冰冻极端天气。气象专家分析说，欧亚地区的大气环流异常是造成这次灾害的根本原因，而“拉尼娜”现象则起了推波助澜的作用【48】。研究还发现大部分观测到的近50年来的全球平均温度的升高，很可能由于观测到的人为温室气体的增加所导致。目前，可辨别的人类活动影响扩展到了气候的其他方面，包括海洋变暖，大陆尺度的平均温度、极端温度和风场。由于火山气溶胶和人为气溶胶抵消了一部分本来会出现的增暖，因此如果单独考虑温室气体浓度，其导致的变暖可能比观测到的更大；气候系统的变暖，在地表和自由大气温度，海表以下几百米厚度上的海水温度，以及海平面上升方面，已被检测并归因于人为强迫。观测到的对流层增暖型和平流层降冷型，在很大程度上可归因于温室气体增加和平流层臭氧耗损的共同影响；近50年来，除南极外，各大洲平均可能出现了显著的人为增暖。观测到的增暖型，包括陆地比海洋更明显的增暖及其随时间的变化，都已被包含人为强迫的模式所模拟到；人类强迫可能造成了风场的改变，影响到热带以外的南北半球的风暴路径、风和温度分布型。然而，观测到的北半球环流变化在对20世纪强迫变的响应比模拟结果更大；多数最极端热夜、冷夜和冷昼的温度可能由于人为强迫的作用已升高。从古气候的视角进行了研究，最近的古气候研究表明古气候信息支持上半个世纪气候变暖至少在最近1300年中是异常的。12.5万年前，极地地区的温度比现在高出3至5，南北极冰盖的退缩导致了海平面上升4至6米。目前的全球模式研究预估结果表明，南极冰盖将会维持在非常寒冷的状态，不至于会出现大范围表层融化的现象，而且由于降雪增加，冰量还会增大。然而，如果动力冰耗主导了冰盖的质量平衡，有可能会发生冰量的净损失。由于清除二氧化碳气体所需的时间尺度，过去和未来的人为二氧化碳排放将使增暖和海平面上升现象延续到千年以上。【42】“绿色和平”环保组织27日发表的一份最新报告指出，到本世纪末，如果全球气候变暖趋势持续，所引发的海平面上升和水资源短缺将导致南亚1.25亿居民被迫迁移。另据新科学家杂志报道，美国科学家最新公布的一项研究表明，煤烟颗粒是造成近一百多年来地球表面温度升高的重要原因之一，其危害程度是温室气体二氧化碳的两倍。美国宇航局戈达德空间研究所的科学家利用气象模型，研究沉积在雪和冰上的煤烟颗粒对大气的影响。他们发现，纯净的雪和冰通常可反射90的太阳光，而因煤烟污染而变暗的雪和冰却能吸收更多的太阳光。地球上各个地域煤烟沉积的比例各不相同，根据模型判断，煤烟颗粒使北极地区的太阳短波反射率降低了1.5，使北半球陆地的太阳短波反射率降低了3。据报道，被吸收的阳光能导致冰雪融化，从而进一步提高冰雪对太阳能的吸收率。科学家在研究报告中称，这也许能够解释近些年来出现的“早春”和冰层融化的现象。模型显示，自1880年以来，全球气温上升幅度的25应归结于煤烟颗粒。气候变化及其影响具有很大的不确定性。目前我们对全球气候变化的观测和监测能力仍很不足，尤其对海洋、沙漠、高原等地区的气候变化事实不十分清楚。我们无法准确地给出过去的气候变化在多大程度上是由人类活动引起的，自然变化在其中起了多大作用。在对气候变化极为重要的地球生物化学循环过程及其反馈机制的认识方面，亟待加强研究。对温室气体，尤其是对云和气溶胶的气候效应也不十分清楚。作为对未来气候变化进行定量预估的有效工具之一，气候模式在近几十年里虽然取得了突飞猛进的发展，但是气候系统的复杂特性和资料的有限决定了气候模拟中必然存在缺陷。由于影响气候变化的自然因素很多，加之大气海洋陆地冰雪等系统内部的相互作用和反馈，构成情景设定的不确定性。故单纯考虑一种影响因素及使用一种影响机制输出的气候信息往往与实际情况有很大的出入，可靠性较差。因而综合分析各种影响因素及联合使用各种影响机制对气候变化进行分析具有重要的意义。2 影响因素及影响机制 影响气候形成和变化的因子包括内部因子和外部因子两大类。内部因子是指气候系统内的热力、动力和下垫面诸因子及其相互作用。外部因子是指宇宙及地球内部因子（来自气候系统下边界以下的地球内力作用）和人类活动因子【3】。具体来说全球气候变化的影响因素主要有大气上界辐射变化、温室气体变化、气溶胶、地震潮汐和火山活动、北极海冰、构造抬升、下垫面物理景观变化及世界人口等人为因素【4】。影响全球气候变化的机制有外部强迫和大气系统内部自然变化两类。从地气系统辐射平衡原理出发，外部强迫机制主要是由于地球轨道参数变化和太阳活动引起的大气上界辐射及其分布的变化、大气温室气体的变化、气溶胶变化与火山活动、下垫面物理景观变化等，这些变化通过影响地气系统辐射和热量、水分平衡而驱动全球长期气候变化【4】。2.1 太阳辐射变化 气候系统是一个包含大气、海洋、冰雪圈、陆地表面和生物圈的复杂系统。地球气候系统的变化，实际上是能量平衡改变的结果，而大气运动的最根本能量来自于太阳辐射，地气系统本身又向外发射红外辐射，长期平均而言，入射和出射辐射达到某种平衡。但是有一些因子的变化能改变这种平衡从而造成气候变化，这些因子统称为气候强迫因子。为了表征地气系统诸因子如人射太阳辐射、大气成分及行星表面特性等的改变对全球能量平衡所施加的影响，引人了“辐射强迫”的概念。其精确的定义为，在保持地面和对流层温度不变的前提下，使平流层温度调整到辐射平衡后，对流层顶的净辐射通量的变化【5】。 太阳对地球加热，在极地和赤道之间形成辐射差，通过气压梯度和克里奥利力的作用，成为大气系统的源动力。因而太阳辐射的变化会使气候发生某种长期变化。大气上界太阳辐射变化主要取决于地球轨道参数的变化和太阳活动的影响。 地球轨道参数的变化主要取决于地轴倾角、二分点进动和轨道偏心率的变化，与超长期气候变化有关。当倾角增大时，高纬夏季接收辐射增加，冬季则减少，因而高纬的季节温度变幅加大。太阳和月亮对地球赤道部分的万有引力，使地轴发生“晃动”，又因为地球公转轨道。为椭圆形，这种晃动影响着二分点和二分点相对日地极值的距离的时间。这种现象称为二分点的进动或岁差，影响到季节的强度。太阳活动是影响太阳发出辐射的主要因素，具有较明显的周期性变化。太阳黑子的多发期与太阳光斑、耀斑和日珥数目的增加相联系，结果使太阳总辐射增加。尽管因太阳活动引起的太阳常数变化不足1%，但许多学者从气候记录中鉴别出太阳活动的11年和22年周期，并与树木年轮再现的气候数据相对应。区域性的旱、涝有较明显的11年和22年周期，这与太阳周期有关。此外，太阳活动与温、压、湿等其它气候要素的变化也有一定联系。Christensen发现，对流层和平流层上部的温度与太阳活动1112年周期有同步关系，在更长尺度上，北半球陆面气温与太阳活动的长期变化有理想的关系，这一点不仅表现在黑子数上，更表现在太阳1012年左右周期的长度变化上。1980年以来，卫星用于太阳辐射测定，从数日至数年的尺度上看，太阳辐射是随太阳黑子数而变化的，这是太阳活动对辐射和气候影响的有力证据之一【6】。太阳辐射是气候形成的最主要因素，它的变化对气温、降水量、蒸发量都会产生重要影响。下面以银川市来举例说明【7】。采用来自于银川国家气候基准站19612004年历年各月的实测总辐射、总云量、日照时数、气温、蒸发量、降水量分析可得银川市总辐射和年平均气温、夏季降水量呈负相关，与年蒸发量呈正相关，呈线性趋势。通常认为，热量是光能转化的直接产物。太阳辐射多，热量多，环境温度高，太阳辐射少，热量少，温度就低。分析银川市总辐射和年平均气温的关系(图1)可以看出，气温和总辐射呈负相关，相关系数为-0.549，达极显著水平(p<0.01)。气温与总辐射的关系可表示为直线关系:y=-0.0015x+17.843，方程的复相关系数R2=0.3011，达极显著水平(p<0.01)。对直线求一次导数可知，总辐射减少100MJ/(m2·。造成这种现象的原因可能有两方面，一是对80年代以来全球气候变暖的响应，二是由于银川市近10年来城市发展迅速，排放到空气中的人为热量和污染物质增多，削弱了太阳辐射，增强了城市热岛效应。 图1 银川气温与总辐射的关系【7】总辐射与降水量呈相反的趋势，相关系数为- 0. 2941，达显著水平(p<0.05)。总辐射与降水量的关系可表示为直线关系，方程的复相关系数R2=0.1139，达显著水平(p<0.05)。对直线求一次导数可知，总辐射减少100MJ/(m2.a)，59月降水量将会增加6 mm。从银川市总辐射与蒸发量(19681972年缺测)的变化曲线图（图2）来看，蒸发量与总辐射呈正相关，相关系数0.3056，达显著水平(p<0.05)。蒸发量与总辐射的直线关系为y=0.1796x+492.97，方程的复相关系数R2=0.0934.对直线求一次导数可知，总辐射减少100 MJ/(m2·a)，蒸发量将会减少18 mm。 图2 银川蒸发量和总辐射的关系【7】2.2 温室气体变化大气中的温室气体主要有CO2、水汽、臭氧、甲烷、一氧化二氮和氯氟烃化合物。它们有透过太阳辐射、吸收或阻挡地面长波辐射的属性，因而使对流层和地表温度保持到一定水平上。大气中产生温室效应的气体已发现了近30种，其中二氧化碳起重要作用。“温室气体”排放对气候的最重要影响是引起全球变暖、平流层臭氧耗损、酸雨及降水分布变化和沙尘暴等灾害性气候日益严重等问题。温室气体还能造成海温异常，而海温异常则会造成降水、高度场、风场以及赤道太平洋地区和东亚局地短期气候变化影响【8】。 当前对温室效应的评估主要有三种指标:地表温度变化、辐射强迫和全球增温潜能(orobalwarmingPotentiaGWp)。地表温度变化和辐射强迫这两种度量标准，都是建立在大气中温室气体浓度变化的基础上，而不直接涉及某种气体的排放量。但是，从制定方针、政策的观点来看，估价某种温室气休的进一步排放所产生的潜在影响显得更为重要。受到大气臭氧损耗潜能的启发，一些科学家提出了GWP的概念。其定义为：瞬态释放1kg的某种温室气体，其辐射强迫的时间积分量与瞬态释放1kg二氧化碳所产生的相应量之比值。用全球增温潜能度量温室气体对气候变暖的影响是目前最合理、最科学的评价方法。与地表平均温度的变化相比，更加准确可靠；与辐射强迫相比，它包含了温室气休对气候影响的时间积分效应，暗示了温室气休的寿命长短对气候变化的作用和气候变化的长期性。为了能够更好地反映温室气休的增温潜能，我们首先改进和发展了一个一维大气化学模式。模式共包括了3种温室气体、86个化学动力方程和93个光解反应。经过和LLNL一ZD化学模式以及UIUC一ZD化学模式的对比，表明该模式对常用的30多种温室气休具有很好的模拟能力。由此模式，计算了温室气休的廓线和大气寿命。根据这些廓线资料，结合最新的温室气体吸收截面资料，通过辐射对流模式精确计算了温室气体的辐射强迫。最后计算出这31种温室气体在未来20年、100年和500年时间跨度的Gw。研究温室效应的模式还有很多，其中应用较广泛的是数值模式。以前应用最多的是全球环流模式(GCM)，但由于计算条件的限制，GCM模式分辨率一般较粗，导致其对区域气候及其变化的模拟产生较大偏差。为解决上述计算能力和区域气候模拟要求的矛盾，国际上发展了区域气候模式，用于研究有限区域的气候变化。其工作原理是将大气环流模式模拟的结果或大尺度气象分析场作为初始和边界条件，提供给区域模式，再用它来进行选定区域的气候模拟，以揭示大尺度背景场下区域气候更准确、更详细的特征。它与全球模式的嵌套有单向和双向嵌套两种前者是指区域模式的模拟结果不反馈给全球模式，后者相反。现在使用较多的是NCAR/RegCMZ区域气候模式。当CO2浓度倍增时，由于辐射量的增加，气温会随之上升。辐射量和地面热量状况的变化会引起水蒸气活动规律的改变。空气相对湿度与气温、降水、雨日、风速等气象因子密切相关，这些因子条件的变化必然导致空气相对湿度改变【9】。另外IPCC提供了5个全球海气耦合模式(ECHAM4，HADCM2，GFDL，CGCM1，CSIRO)来分析CO2的影响（见表1）【10】。 表1 五个全球海气耦合模式及数值试验简介【10】 生态系统碳循环对气候变化有重要影响（图3、图4、图5）。对亚马逊河陆地生态系统的研究表明其总体上具有降低大气CO2浓度，调节温室效应的作用。其CO2 各通量都存在明显的时空变化。其最大和最小中心位置随季节的变化而有明显的南北摆动。陆地生态系统CO2净通量随降水增加而增加，说明陆地生态系统调节温室效应的能力随降水量增加而增强。但当降水量超过一定量时，CO2净通量便不再明显的随降水量增加而增加，表明热带雨林陆地生态系统调节温室效应的能力不会随降水增加而持续增强【11】。 图3 植被与气候相互作用的概念模型【11】图4 生态系统生理过程与气候变化的相互作用（注：图的横坐标为降水，单位是mm/d：纵坐标为CO2通量，单位为u mol s-1m-2，折线为CO2通量原始曲线，平滑曲线为3阶多项式拟合曲线）【11】 新生代全球大气CO2浓度变化影响，阿尼乌斯(Arrhenius)最先对大气CO2对全球气温在行星尺度上的“温室”效应进行了评估，并将全球新生代长期变冷归因于大气CO2浓度的缓慢下降。而新生代全球大气CO2浓度的逐渐减少，已得到南极和北极冰川在逐渐扩大和宜寒极地植物发育这些事实的支持。对全球最后一个冰期间冰期旋回Vostok冰芯记录的研究，亦揭示出了大气温度与CO2浓度变化存在着直接的内在联系。目前看来，大气CO2温室气体效应强烈地影响着全球气候变化，大气CO2浓度下降应是导致全球新生代气候变冷的主要因素。围绕着地质历史中的大气CO2浓度全球气候变化，据研究，全球大气CO2水平在地质构造时间尺度上(百万年或更长)是与全球碳环密切相关的，并主要受两个因素控制:一是大气CO2的输入速度，主要与俯冲带和洋中发生的火山作用和变质作用有关；一是大气CO2的输出速率，它主要由陆地表面硅酸盐岩石发生的化学风化速率控制。上述两个过程所涉及的化学反应，可简化为当有化学风化CO2输出时可发生反应：CaSiO3+CO2(大气)>CaCO3+SiO2 当有变质作用CO2输入时可发生反应：CaCO3+SiO2 >CaSiO3+CO2式中，CaSiO3是泛指地表硅酸盐岩石。若以地表铝硅酸盐钠长石的化学风化为例，其化学反应式为7NaAlSi3O8+6H2CO3+20H2O=6Na+6HCO3+10Si(OH)4+3NaAlSiO10(OH)26NaAlSiO10(OH)2+2H2CO3+23H2O =2Na+2HCO3-+6Al2Si2O5(OH)4(高岭石)Al2Si2O5(OH)4+10H2O= 2Al(OH)3(三水铝石)+2Si(OH)4事实上，这一系列的化学反应代表了在地下高温不平衡条件下由淬火作用形成的火成岩和变质岩暴露在地表条件下为达到热力平衡而发生的化学风化过程和由此造成的大气CO2消耗。从上述反映过程出发，围绕大气CO2浓度和气候变化，人们主要提出了两种模型，一是最早由Walker等提出，后又为BLAG发展完善“构造输入”模型(BLAG为Berner，Lasaga和Garrels三位作者姓名首写字母的缩写)；一是Raymo等提出的“抬升气候”模型。在BLAG“构造输入”模型(tectonic-inputmodel)中，强调大气CO2输入速度是决定大气CO2浓度的主要因素并由此决定了气候变化。他们认为沿着俯冲带和洋中脊发生的火山作用和变质作用释放的CO2是大气CO2水平的主要驱动机制，并受到全球平均海底扩张和俯冲速度的控制，释放的CO2通量与海底扩张与俯冲速率成线性相关。并同时认为大气CO2的输出通量(即消耗)与地表化学风化可获得的陆地面积和气候(主要是温度)有关。通过计算机模拟，BLAG成功地模拟出了白垩纪时全球较高的温度，但是却未能正确推算出全球新生代气候发生变冷的时间。换言之，与海底扩张速度和地幔柱火山作用有关的CO2输入模式尚不能正确地解释过去3040 Ma全球发生的气候变冷。与此相反，Raymo等人提出的抬升气候模型则是强调由地表硅酸盐岩石的化学风化所造成的大气CO2消耗才是引起全球大气CO2水平下降的主要因素。认为正在抬升的高原和造山带地区，由于发生了岩石的不断暴露和降雨的增加，促进了这些地区化学风化速率的提高，引起了大气CO2浓度的下降并最终导致全球新生代气候变冷。在90年代，人们利用GCMs模型进行了大量的计算机模拟，并同时进行了许多野外实验研究，从而使该模型得到了进一步的完善和发展，并开始得到了人们的普遍承认。实际上，在BLAG模型近年的发展中，也逐渐开始接受了这一观点。另外，该学说还得到了地质演化事实的支持，因为在地质历史中，曾于700600 Ma前出现的泛非事件形成的泛大陆和320240 Ma形成的Pangea联合古陆，均曾有过大规模的大陆碰撞和广泛的高原山脉抬升，而这期间又无一例外的同时伴有大规模的冰川发育【12】。 图5 当代全球长期稳定状态的碳循环（图中数字为通量）【12】臭氧含量在较大时空尺度范围内的变化是气团活动状况的反应。大气臭氧层的变化直接制约着平流层的温度结构和环流形势。在平流层中，大气臭氧层可发挥热源和冷源的双重作用：臭氧强烈吸收太阳紫外辐射能后，既可称为平流层增温的主要热源，又可因向太空发射红外辐射而使平流层冷却。由于臭氧的加热率通常远高于冷却率，因而其净效应是导致平流层增温，进而影响平流层的环流形势以及全球气候变化。 另外还有二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等温室气体的影响。它们都会引起温度的升高。干燥度是评价地区气候湿润程度的重要指标，比降水量、相对湿度等气候因子更为客观、准确。CO2浓度倍增后，随着温度和降水量的变化，干燥度也将发生变化（整体呈现下降的趋势）。增温对气候影响的分析：干燥度D的定义为蒸发量与同期降水量的比值：式中Epm是蒸发量，p为降水量，干燥度的变化依蒸发量和降水量的变化而变化。对干燥度求温度的导数就可以获得增温对气候的影响分析。在大气中CO2倍增的条件下，平均气温将增加，干燥度也会发生明显变化【13】。2.3 气溶胶大气气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它可以通过两种途径影响气候：直接散射和吸收太阳辐射，从而改变地气系统的能量平衡，直接影响气候；以云凝结核(CCN)的形式改变云的光学特性和生命期，从而间接影响气候【5】。气溶胶粒子浓度增大可减少太阳直接辐射强度，增加散射辐射和大气长波逆辐射，从而可能破坏地气系统的辐射平衡。气溶胶粒子增加的直接效应是影响大气中的水分循环和辐射平衡，这两种过程都会引起气候变化，具有“反温室效应”-3-3以上。对流层气溶胶是人类活动影响气候的主要因子之一，而平流层气溶胶则主要来自于火山爆发等自然原因。气溶胶在对流层中只存留几天或数周，在平流层中存留期很长。由于气溶胶在对流层中的短命性，其影响的区域性很强，而平流层中气溶胶影响区域较大。气溶胶所以与气候长期变化有关，是因为它在大气中的浓度有逐年增加趋势。气溶胶主要来源于人类活动和火山喷发【5】。地震潮汐和火山运动 2004年12 月26日印尼地震海啸后， 全球低温冻害和暴雪灾害频繁发生。“潮汐调温说”和“深海巨震降温说”是一种合理的解释。美国科学家查尔斯季林认为，当日、地、月位置成一条直线时，形成强潮汐。强潮汐把海洋深处的冷水带到海面，使全球气候变冷。地球、月亮和太阳相对位置的变化会引起潮汐强度的逐渐变化，波动周期大约为 15001800 年。当日、地、月排成一线且相互距离最小时，日月引潮力相互加强而变为最大，地球海洋潮汐规模也最大，这时就有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上的空气。当日、地连成的直线与月、地连成的直线相互垂直时， 太阳潮汐减弱月球潮汐， 使地球海洋潮汐变小，这时海洋深处的冷水很难被带到海面，世界就变得暖和。据计算，大约在 1425 年即小冰期的末期，潮汐达到了最大值，从那以后逐渐减弱， 直到3100 年潮汐又达到最大值（图6）。这个周期是过去一万年气候变迁的主要动力。这个效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到 24 世纪，而后随着潮汐的增强， 地球的气候将逐渐变冷。郭增建的“深海巨震降温说”是一种合理的解释: 海洋及其周边地区的强震产生海啸，可使海洋深处冷水迁到海面， 使水面降温，冷水吸收较多的二氧化碳，从而使地球降温【14】。图6 潮汐引起的海面升降 a 与太平洋地壳的翘翘板运动 b【14】现代气候观测证明了火山灰进入平流层滞留后随环流扩散成为太阳辐射的屏障层 从而导致地表降温。停留在地质火山爆发和全新世气候在逐个点遥相关研究上难以从宏观机制上加以认识。火山灰和火山气体由于改变大气成分参与大气环流而影响进入大气太阳能量从而对气候变化产生深远的影响。火山柱高度是估计地质时期火山爆发对气候影响时空范围的一个重要参数，需要通过火山地质的重建和模拟例如冈底斯新生代火山研究证明山柱达到平流层顶部作为用于气候模拟的边界强迫来探讨长期气候变化。全新世火山活动变化特征 过程以及时空分布依赖于一个全球尺度的数据的系统集成。火山爆发影响气候变化的评估。三维大气环流模式AGCM+SSiB进行气候模拟试验。地面温度对火山爆发的响应存在某种滞后。现举皮纳图博火山为例。皮纳图博火山在喷发后的前3个月，地面降温幅度比较小，降温主要发生在响应比较快的中高纬度大陆上；至喷发后的一年半左右降温最大，最大的降温区位于欧亚大陆和北美地区；此后，降温幅度开始减小，降温的纬向差异和海陆差异较小【14】。2.5 北极海冰 海冰的存在反射了大部分太阳短波辐射，它阻隔了海气之间的热量、动量和水汽交换。由于海冰的融化和冻结所吸收和释放的热量强烈影响大气的能量收支。实际上，海冰不仅强烈影响北极地区的天气和气候，它的存在和变化对全球气候都有潜在的重要作用。北极海冰对极涡的位置和强度均有显著的影响。方之芳利用19531977年北极海冰面积资料研究了海冰与北半球副热带高压间的相互作用(方之芳，1986)，指出了北半球极地海冰与副热带环流的相互作用具有明显的滞后性和季节性，时间上滞后可达半年甚至一年，季节上表现为冬季是极冰作用期，而夏季则是副热带高压作用期。东西半球春冬季极冰对夏季西北太平洋副热带高压的作用各不相同，西半球极冰面积与7月太平洋副热带高压呈负相关，东半球极冰面积与6月太平洋副热带高压呈正相关。通过研究还发现，如果1月北极海冰面积偏大，则夏季6月亚洲大陆的海平面气压值偏高，大陆热低压偏弱，副热带高压位置偏南，东亚夏季风偏弱。这些研究主要依据是相关分析，研究整个北极海冰或把北极海冰分为四个区域，分别研究海冰面积变化与大气环流变化的相关关系。因此，这些研究结论需要进一步分析证实【15】。2.6 构造抬升 高原和山脉隆升对气候的影响主要表现在两个方面，一方面是直接的物理影响，即通过对大气和海洋循环的影响来对气候变化产生作用；另一方面是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO2变化和全球温度的改变，从而对气候变化产生间接的生物化学效应（图7）。据现代计算机气候模拟研究和现代气候观察，新生代山地高原隆升对气候变化所产生的物理效应，主要表现在以下几个方面：)的影响，构造隆升造成了抬升的高原比周围低地气温低得多。在冬季，由于受地表反射温度反馈的影响，冰雪覆盖又进一步加强了这种效应。在中纬度下部，促进了西风大气环流曲度(meandering)的强化。提高了山岳降雨湿度。在山岳迎风面降雨进一步增加，背风面进一步变干季风循环形成和加强了季节反向，特别是对强烈的南亚季风的影响更为明显。构造抬升还造成了中纬度地区内陆大规模的区域变干。此外，据研究，亚洲季风系统的稳定出现就是与青藏高原的形成密切相关，特别是东亚季风的形成和演化更是与青藏高原第四纪快速上升有着密切的内在联系。生物化学效应:新生代构造抬升对全球气候变化产生间接的生物化学效应的理论基础是大气中的痕量元素浓度变化可以引起全球气候的改变【16】。 图7 高原和山地抬升对气候的大尺度影响【16】构造抬升对地表化学风化的影响主要表现在于它提高了造山带地区的化学风化能力。山脉和高原隆升能够提高地表化学风化能力，是与山脉和高原地区存在的几种作用密切相关的。体现在在造山带山脉地区发育着丰富的由被动边缘沉积形成的易风化的陆源碎屑岩石。在抬升的高原和山脉地区边缘形成的强烈季风雨季和其它的山岳降雨。而水对于岩石溶解作用和水解反应来说都是最基本的要素。抬升的高原和山脉边缘斜坡坡度较陡，有利于将机械风化和化学风化产物及时带走，从而使新鲜岩石不断地暴露于地表接受风化。岩石新鲜面的不断暴露对于化学风化能力的提高已得到实验和野外研究的证实。因此，构造活动及其所造成的地形起伏将新鲜岩石不断暴露于地表，这对于提高地表化学风化速率就显得十分重要（图8）。 图8 构造抬升、地表化学风化和气候变化关系示意图【16】 现举青藏高原隆升的例子来说明。青藏高原对大气环流的动力作用主要是迫使气候绕行和爬坡。爬坡分量和绕流分量所占的比重与地形本身的尺度、形状、气流的强弱以及气流与地形的相对位置等因素密切相关。全球环流模拟显示，青藏高原隆升阻挡了中纬度地面和高空都是很典型的东西向气流。由于地球的自转，向东的气流偏向北，绕过高原，之后发生向南的回流，从而改变北半球大气环流系统，影响全球气候。青藏高原热力和动力的共同作用，造成夏季高原空气上升运动，同时引起周围地区空气下沉运动，包括位于亚热带的海洋高压区。青藏高原的加热也引起地中海和中亚地区空气下沉，这种下沉的空气是干燥的，因为它来自于高原上空，远离了海洋的湿源，下沉的空气也降低了当地的相对温度；同时，造成冬季海洋上空低压区，使高原空气下沉（图9）。高原岩石化学风化使大气CO2转化为HCO3-，通过河流将化学物质带入海洋，最后沉积在海底。这个过程中，化学风化从大气中将CO2转移到海底，海底板块俯冲和火山喷发最后将CO2带回大气层。高原岩石的物理风化又加剧了化学风化的强度，因此青藏高原岩石的风化对全球气候变化是举足轻重的。隆升过程中高原植物通过光合作用消耗大气CO2，这个反应过程实质上是硅酸盐岩的生物化学风化过程，反应加剧了大气CO2的摄取。青藏高原隆升对全球大气环流的影响以及通过岩石化学和生物化学风化作用消耗大量的大气CO2，到距今3Ma时大西洋海水平均温度大约为34，此时北半球已足够的冷。在距今36Ma、15Ma和2.5Ma，由于青藏高原隆升使全球变冷已在地球两极高纬度地区形成冰川，开始经历周期性的冰期。冰川的形成加速硅酸盐岩化学风化作用，从而进一步加速大气CO2的损耗。【16】 图9 青藏高原构造上升影响气候变化示意图【16】2.7 下垫面物理景观的变化下垫面物理景观直接影响到对太阳辐射的反射、吸收率及地表潜热和显热释放，从而影响到地气系统辐射平衡，对气候变化产生重要影响。表现最明显的是反射，雪被、植被、湿地、裸地、水地及城市马路的反射率相差达几倍，进而使吸收辐射量也发生大的变化【17】。其主要包括植被变化、冰雪覆盖变化、湿地和沙漠化以及城市化等。总的看是森林、湿地和冰雪面积减少，沙漠化和城市化加快，反射增加，蒸发减少，对气候变暖有正反馈作用，并使气候变得干湿、冷暖振幅加大。 植被变化：由于人为砍伐森林和森林火灾等原因，全球森林面积逐年减少，其中热带森林每年减少92，这会增加反射，减少蒸发量，影响辐射平衡和水分循环，使气候变暖、变干，加大温度变幅【17】。冰雪覆盖变化：冰川和雪地是下垫面的重要组成部分，占全球的14%。冰雪圈的面积和冰川、积雪蓄积量变化与气候变化是相互作用的，气候变化影响冰雪被面积，冰雪盖变化又对气候产生反馈作用。全球冰雪盖变化对季风、旱涝、冷暖、大气环流等都有影响。冰雪的反射率远大于陆地和海面，其热性也不一样，因而其变化会改变辐射状况，引起气候变化。随着近百年气候变暖，总的趋势是全球冰雪面积减少，但不排除南极、青藏高原等部分地区季节性雪被增加。永冻层是缩小的，且今后还将继续缩小。全球冰雪圈变小将使地气系统净辐射增加，冰雪圈变小对气候变暖有正的反馈。此外，永冻层的融化还可使以前的生物冻结物释放出甲烷等气体，从而增加大气温室气体浓度【17】。 湿地和沙漠化(荒漠化)是陆地生态系统的两个极端情况。总的发展趋势是湿地减少，沙漠或荒漠面积增大，这已成为全球关注的生态问题之一。这两项都使陆地反射率加大，蒸发量减少，影响辐射、热量、水分平衡和大气环流，最终可使区域气候变干，旱、涝强度和持续时间加大，温度日、季、年振幅加大，灾害、特别是农业灾害加重。 城市化也是下垫面变化的要素之一。近百年来，全球城市化发展迅猛，现在的城市原来可能是草地、农田或森林，这从根本上改变了下垫面辐射特征，反射加大，蒸发减少。城市气候的特征可归纳为城市五岛：浑浊岛、热岛、干岛、湿岛、雨岛效应，以及风速减小，风向多变。而城市最明显的气候特点是热岛效应，由于地物反射、折射加强和大量生产、生活用能的热量释放等原因，城市内气温往往比城市外高出几度。这不仅仅是局地小气候效应，许多城市的综合作用就可能影响大气热量和水分平衡，从而对全球气候变暖产生正反馈结论和讨论【2】。城市化区域的地面气温有明显的上升，对高温天气的作用更大。城市化也会影响地面风场，阻挡穿越城市化区域的风；苏南沿海城市化区域扩张，会使海陆风环流增强，加大了海面向陆面的风。城市化区域的潜热通量明显减少，而感热通量显著增加。城市化增暖产生的局地热源，使城市化区域及邻近地区局地环流发生变化，增强了低层城市化区域向周边辐散的强度。随着高度的增加，城市化的影响也越来越小【18】。 地表植