全球气候变化及其影响的研究

全球气候变化及其影响的研究摘要：全球气候变化及其对社会与自然系统产生的影响已日益受到全世界各国政府与广大民众的关注。与天气和气候有关的灾害给人类生命财产造成的损失日益增大,社会与生态系统似乎变得日趋脆弱。人们关心刚刚过去的20世纪的天气与气候发生了什么变化,更希望了解未来的21世纪的气候变化。本文概述了现今全球气候变化所带来的一系列问题，分析了气候变化的原因，提出了气候变化对世界的一些影响。同时搜索了相关资料，对21世界全球气候变化进行了预测。关键词：全球气候变化影响人类活动气候变化原因1.前言20世纪，包括温度与降水在内的主要气候特征值发生了变化，有的地区还呈现出趋势性变化，这种变化已在世界上，特别是在北半球广大地区观测到。美国、中国、俄罗斯、加拿大、英国、欧洲大陆、澳大利亚等主要国家或地区，几十年乃至近百年的观测资料显示出气候变化的总的变化趋势：即温度增加，降水增多，极端天气情况频繁发生；但地区上的差异很大，气候变化的强烈程度以北纬最甚。各国政府对20世纪的气候变化极为关注。由世界上许多国家中数以百计科学家组成的“政府间气候变化委员会”(IPCC)先后于1991年、1996年、2001年对全球气候变化状况进行了评估，得出若干重要结论：①全球表面平均温度在20世纪已升高约0.6℃；②在过去的40年里，近地球8km内大气层温度增高了；③雪盖与冰区范围逐渐减少，非极地冰川出现大范围退缩；④全球海平面在20世纪平均上升0.1～0.2m；⑤北半球中高纬度降水量每10年增加0.5%～1%；在20世纪下半叶，大雨频率增加2%～4%。IPCC2001年的报告还对21世纪的气候变化作出了预测，预计到2100年，地球平均温度可能增加1.4℃～5.8℃，地球平均海平面可能上升0.09～0.88m。不过这种预测存在许多不确定因素。在20世纪，全球气候变化对社会系统与自然生态系统都产生了巨大影响，对社会影响最突出地表现在人民生命财产损失的增加，社会变得十分脆弱；对自然生态系统的影响主要表现在生命过程的变化与生物物种的变化。气候变化是一个十分复杂而又重大的课题，尽管不少科学家对温室变暖效应导致气候变化有了共识；然而，也有一些科学家对此提出质疑。现今，全球气候变化研究已经渗透到了十分广泛的科学领域，同时气候变化的影响也涉及到了很多方面，其中可以从两个方面概括：即社会生态系统和自然生态系统。2.世界全球气候变化评估在来自许多国家、由数百位科学家组成的“政府间气候变化委员会”(IPCC)2001年提出的第3次评估与工作报告中，对全球气候变化的状况作出了权威性的小结，日益增多的观测资料表明：世界正在变暖，气候系统正在发生变化。2.1全球表面平均温度在20世纪已经升高了大约0.6℃自1861年起，全球表面平均温度(接近地表的平均气温与海面温度)开始上升。在20世纪已增加0.6±0.2℃，较第2次评估(1994年)约增加了0.15℃，如图3(a)所示，原因是1995-2000年增加了几个高温年，而且资料处理方法也有了改进，其中考虑了城市热岛效应的校正。在上述140年间，20世纪出现了两段最热的时期，即1910-1945年与1976-2000年。就全球而言，20世纪90年代是1861年以来的最热的10年，1998年是有仪器观测的最热的年份，如图3(a)所示。（a）柱状图—逐年全球平均温度值；黑实线—10年滑动平均温度值；T—逐年全球平均温度值；（b）黑波动线—逐年全球平均温度；黑实线—50年滑动平均温度值；淡黑色—逐年全球平均温度值95%置信区间图1地球表面温度变化根据北半球古气候资料的最新分析，20世纪温度的升高可能是过去1000年内温度升高最多的一个世纪。在北半球，20世纪90年代可能是最热的10年，1998年是最热的年份，如图3(b)所示。限于资料，对于1000年以前的年平均温度以及1861年前南半球的温度都知之甚少。就平均而言，在1950-1993年间，陆地夜间日最低气温每10年大约增加0.2℃，约为陆地白天最高气温每10年增加0.1℃的2倍。许多中、高纬度地区的无冰期增长了。在同一时期，海面温度的增加约为陆面平均温度增加的1/2。2.2过去的40年，近地球8km内的大气层温度增加20世纪50年代后期以来(气球观测精度较高时期)，近地球8km内大气层与地表一样气温增加了，每10年气温增加0.1℃。从1979年起，卫星与天气气球同步观测表明，近地球8km内大气层的全球平均温度每10年变化+0.05±0.10℃，而全球表面温度则每10年增加+0.15±0.05℃。变暖率的差异具有统计上的显著性。这种差异主要发生在热带与亚热带地区。近地表8km内大气层与地表受诸如平流层臭氧消耗、大气内烟雾以及厄尔尼诺(ElNino)现象等因素的影响有所不同。因此，在物理上似有理由相信在一个短时期内(例如20年)，气候趋势可能有所不同。此外，空间取样技术也可对趋势的差异作出某种解释。2.3雪盖与冰区范围减少卫星资料表明，雪盖范围自20世纪60年代后期以来可能减少了10%。地面观测站资料表明，在20世纪，北半球中、高纬度地区每年的河、湖冰盖期大约减少2周。在20世纪，非极地山区冰川出现大范围退缩现象。自20世纪50年代以来，北半球春夏海冰范围减少10%～15%，近10年来，北极夏末至秋初的海冰厚度可能已减少4%，而冬季的海冰厚度减少得十分缓慢。2.4全球平均海平面上升，海洋含热量增加潮位站资料显示，在20世纪全球平均海平面上升了0.1～0.2m。自20世纪50年代末以来，全球海洋含热量增加了。2.5降水量有增加的趋势北半球大陆大多数中、高纬度地区在20世纪降水量每10年增加0.5%～1%，热带(北纬10°到南纬10°)陆地雨量每10年增加0.2%～0.3%，北半球亚热带(北纬10°到北纬30°)大部分陆地，在20世纪降水量每10年约减少0.3%。北半球中、高纬度地区在20世纪下半叶，大雨的频率增加了2%～4%。2.6厄尔尼诺现象更加频繁同以往100年比较，自20世纪70年代以来，温暖的厄尔尼诺南方涛动(ENSO)现象更加频繁、持续时间更长，强度更大。2.7部分地区干旱有所增加在1900-1995年，全球陆地普遍出现严重干旱与严重洪涝的机会增加不多，在许多地区，类似ENSO趋于更暖的变化主要表现为10年内以及数十年内的气候变化。在近数十年里，像亚洲的部分地区，干旱的频率与强度有所增加。2.8人类活动继续影响着气候有充分的证据表明，在过去的50年里，观测到的变暖现象是人类活动造成的。目前的模型估计，过去100年来的变暖，不可能只是内部的变异引起的；图3(b)上1000年资料也说明变暖是不正常的，不可能完全是自然现象；仅仅模拟对自然因素作用(即对太阳辐照度和火山爆发变化的响应)不能解释20世纪下半叶变暖的事实。人类造成的硫酸烟雾作用，尽管不确定，但却是变冷效果，因而也不能解释变暖。图4表明，若仅仅模拟太阳辐射与火山爆发等自然因素(图4(a))，或仅仅模拟温室效应与硫酸烟雾排放等人类活动作用(图4(b))，都不足以与观测结果吻合，只有同时对两者进行模拟(图4(c))，才能使模拟温度与观测温度接近。（a）为模拟太阳辐射变化以及火山爆发等自然因素对全球平均温度的影响；（b）为模拟温室效应与硫酸烟雾等人类活动因素对全球平均温度的影响；（c）为同时对自然因素与人类活动对全球温度影响的模拟图2全球表面平均温度模拟3.气候变化的原因的分析目前，关于气候变化原因的学说及其分支估计有上百个，Hay等[30]将这些假说归类为11种。如果再结合其它研究的成果，我们大致可以归纳出全球气候变化的16种原因，它们包括：a.太阳辐射的变化；b.宇宙沙尘浓度的变化；c.地球轨道的变化；d.大陆漂移；e.山地隆升对大气环流和环境的影响；f.洋流的改变；g.海冰的变化；h.大气温室气体的变化；i.大气气溶胶浓度的变化；j.极地同温层云量的变化；k.极地植被的变化；l.同大陆沙尘气溶胶相联系的“铁假说”；m.大陆C3植物向C4植物的转化；n.天体撞击；o.火山爆发；p.地核环流作用等。这些假说一方面使我们眼花缭乱，但另一方面也可见这一科学命题的复杂性，它成为目前全球变化研究中最受关注的科学难题并不是偶然的。3.1构造尺度气候变化的原因目前，关于构造时间尺度气候变化的原因，大多数科学家倾向于海陆的构造运动，包括板块的漂移、海道的开启与闭合及山地的隆升，它对气候的影响具有不可逆性，决定着地球系统的气候格局。在整个新生代期间，气候一直趋向于变冷，并可识别出一系列快速的降温事件，而这些降温均与现代海陆演化的发展阶段相联系，图1给出了气候变化及事件与大的构造运动的关系图，表明地球的构造运动可能是造成这种超长时间尺度气候变化的原始驱动力。整个新生代以来，主要的地球构造运动事件有：①在约50MaBP之后的始新世，在南大洋中的杜累克海峡开启，澳大利亚从南极洲分离，绕南极的环流出现，阻碍了赤道与极地的热量交换，南极开始出现冰盖；②在38MaBP前后的始新世末期，杜累克海峡进一步张开，加强了绕南极的环流，南极冰盖已达到目前的70%，被称为早渐新世冰盖增大事件；③在2.5MaBP前后即第四纪的初期，它恰好对应北半球大陆冰盖开始发展的时期，有科学家认为是南北美洲之间的通道在此时关闭，导致墨西哥湾暖流增强，给北极地区带去了更多的降雪[1，28]；④在新生代，全球降温与天体撞击有相当密切的关系，在65、34、15、2.4、1.0和0.7MaBP分别发生的6次重大天体撞击产生的“核冬天”可能对全球气候变冷起到了诱发作用；⑤Ruddiman等力主青藏高原等新生代隆起地区对全球气候变冷可能做出了决定性的贡献，其依据不是山地隆升导致大气环流的改变，而是基于山地隆升—CO2减少—气候变冷的机制。France等认为山地隆升导致有机碳的埋藏，较硅酸盐、基岩风化更能除去大气中的CO2，有研Mi-1和Oi-1分别为中新世和渐新世的2次气候快速转换事件；Paleocene为古新世；Eocene为始新世；Oligocene为渐新世；Miocene为中新世；Pliocene为上新世；Pl.t为第四纪图3新生代以来的气候变化及事件与大的构造运动究表明青藏高原隆升的三大阶段与新生代3次突发性变冷有不同程度的联系，山地隆升导致晚新生代以来气候变冷的学说被科学界广泛接受。因此，从80年代末以来，山地隆升和温室气体被认为是晚新生代以来气候变化最主要的2个因素。不过，有时候地球构造运动不是孤立地对气候变化起作用，而是与其它过程迭加在一起来影响气候变化。如第四纪的初期北半球大陆冰盖的发展，不仅只是南北美洲之间的通道在此时关闭的原因。Barron等认为它可能还隐含了更多因素的作用。同时，绕极环流的增强同冰盖增加相联系的解释没有能够得到GCM数值模拟实验的充分支持。同时，有科学家认为，宇宙电磁场的扰动到达高层大气后，通过“变压器效应”激发地核环流，导致地球磁场的反转，进而控制造山运动的强弱，使大气的热机效率增强和减弱，从而决定全球气候的冷和暖。并认为它不但可解释22亿年以来地球的7次大冰期，而且同样适用于新生代的气候变冷。不过，此假说仍然缺乏关键的证据。3.2轨道尺度气候变化的原因轨道尺度气候变化是叠加在构造尺度上的一种幅度相对较小的气候波动，因而表现出明显的准周期；关于轨道尺度气候变化的原因有许多观点：首先，影响最大的当属于米兰科维奇假说，他认为太阳辐射的变化驱动了100、41和23ka的地球轨道周期，从而引起全球气候的变化，它比较成功地解释了北半球冰盖的进退机制，但被认为主要局限于上新世及第四纪的北半球。其次，最近有一种比较盛行的观点认为，行星间宇宙沙尘的100ka周期很可能控制了第四纪冰期—间冰期的更替。第三，温室气体特别是CO2目前被认为是气候变化的主要原因，此观点于19世纪末期被Chamber-lin所提出。20世纪80年代提取的南极Vostok冰芯中的CO2曲线同温度曲线高度的一致性，为这一假说提供了证据，降低的大气CO2浓度被认为是导致晚新生代以来气候变冷最成功