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全球气候变化的原因

什么原因引起了气候变化?在说明这个问题之前,必须先介绍什么是气候系统,以及气候系统的各部分之间是怎样相互作用并影响气候变化的.

气候系统的构成及其对气候变化的作用：全球气候系统指的是一个由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陆面）和生物圈组成的高度复 杂的系统,这些部分之间发生着明显的相互作用.在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化和土地利用的变化）,气候系统不断地随时间演变（渐变与突变）,而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际、百年尺度等气候变率与振荡）. 气候系统是地球系统的主要部分之一.地球系统还包括人类与生命系统,社会—经济方面等.它是一个完整的、相互关联的具有复杂的代谢和自身调节机制的系统.它的生物过程与物理和化学过程强烈的相互作用,以此构成复杂的地球生命支持系统.

气候系统变化的原因

引起气候系统变化的原因有多种,概括起来可分成自然的气候波动与人类活动的影响两大类.前者包括太阳辐射的变化,火山爆发等；后者包括人类燃烧化石燃料以及毁林引起的大气中温室气体浓度的增加,硫化物气溶胶浓度的变化,陆面覆盖和土地利用的变化等.自然因素与气候变率：气候系统所有的能量基本上来自太阳,所以太阳能量输出的变化被认为是导致气候变化的一种辐射强迫,也就是说太阳辐射的变化是引起气候系统变化的外因.引起太阳辐射变化的另一原因是地球轨道的变化.地球绕太阳轨道有三种规律性的变化,一是椭圆形地球轨道的偏心率（长轴与短轴之比）以10万年的周期变化；二是地球自转轴相对于地球轨道的倾角在 21.6°～24.5°间变化,其周期为41000年；三是地球最接近太阳的近日点时间的年变化,即近日点时间在一年的不同月份转变,其周期约为23000年.

另一个影响气候变化的自然因素是火山爆发.火山爆发之后,向高空喷放出大量硫化物气溶胶和尘埃,可以到达平流层高度.它们可以显著的反射太阳辐射,从而使其下层的大气冷却.人类活动加剧了气候系统变化的进程. 人类活动引起的全球气候变化,主要包括人类燃烧化石燃料,硫化物气溶胶浓度的变化,陆面覆盖和土地利用的变化（如毁林引起的大气中温室气体浓度的增加）等. 人类活动排放的温室气体主要有6种,即二氧化碳（CO2）,甲烷（CH4）,氧化亚氮（N2O）,氢氟碳化物（HFCS）,全氟化碳（PFCS）和六氟化硫（SF6）其中对气候变化影响最大的是二氧化碳.它产生的增温效应占所有温室气体总增温效应的63%.且在大气中的存留期很长,最长可达到200年,并充分混合,因而最受关注. 温室气体的增加主要是通过温室效应来影响全球气候或使气候变暖的.地球表面的平均温度完全决定于辐射平衡,温室气体则可以吸收地表辐射的一部分热辐射,从而引起地球大气的增温,也就是说,这些温室气体的作用犹如覆盖在地表上的一层棉被,棉被的外表比里表要冷,使地表辐射不至于无阻挡地射向太空；从而使地表比没有这些温室气体时更为温暖.

自1750年以来,由于人类活动的影响,全球大气二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等温室气体浓度显著增加,2005年全球大气CO2浓度为379ppm,目前已经远远超出了根据冰芯记录得到的工业化前六十五万年以来的自然变化浓度范围,是65万年以来最高的.根据多种研究结果证实了过去50年观测到的大部分全球平均温度的升高非常可能是由于人为温室气体浓度的增加引起的

全球变化在不同的地球表层子系统中和不同的时间、空间尺度上均存在复杂多样的表现形式，它们常常互相关联和互相影响，以下仅简要介绍某些具代表性的方面或现象。

（一）气候变化

1.第四纪冰期-间冰期的交替变化

尽管整个第四纪属于一个大冰期，但其中仍存在次一级的冰期-间冰期的交替变化。欧洲地质学家在20世纪早期主要根据阿尔卑斯山区第四纪的古冰川地貌及冰碛物建立了经典的4次冰期模式，以后推广到世界各地。但后来的研究证明，由于后期冰川作用往往刨蚀破坏前期冰川遗迹，上述模式并不能代表第四纪的气候变化的完整历史。特别是20世纪70年代以来，随着全球变化研究的兴起，人们借助深海沉积物岩芯氧同位素、极地冰芯化学成分、陆上黄土与古土壤等多方面的深入研究，发现第四纪的冰期-间冰期变化远不止4次，而是十分频繁且有规律的（图14-1）。以深海沉积物的氧同位素为例，由于同位素的分馏作用，在水的循环过程中，较轻的16 O 同位素更易进入淡水中，而较重的18 O同位素更易保留在海水中，在冰期由于大量的淡水被固定在陆地而不再回归大洋，便使得大洋中的18 O同位素相对增高，同时也会体现在同期的大洋生物沉积中；相反，在间冰期大量淡水回归大洋，会使大洋中的18 O同位素含量相对降低；因此，深海沉积物岩芯的氧同位素含量变化曲线能揭示冰期-间冰期的变化。我国地质学家刘东生等利用我国特有的黄土堆积为第四纪气候变化的研究作出了重要贡献。第四纪黄土堆积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征，它们是风尘堆积作用和成土作用两种对立的过程彼此消长的结果，当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之形成古土壤层；因此，黄土沉积与寒冷而偏干旱的冰期相对应，古土壤层则对应于相对温暖湿润的间冰期。黄土研究与深海沉积物氧同位素等研究结果具有很好的可对比性（图14-1）。

图14-1 海洋氧同位素纪录与中国黄土-古土壤序列的对比及反映的第四纪气候波动

（引自张兰生等，2000）

古地磁年代表：B—布容正向期；M—松山反向期；G—高期正向期；J—加拉米罗事件；O—欧尔威事件

研究结果表明，自190万年以来可以分辨出62个冷暖阶段，构成31个冰期-间冰期的冷暖旋回，冷暖波动的幅度达10 ℃以上（见图14-1）。其中，距今90万年以来大体以10万年为波动周期，90万年以前波动幅度较小，大体以4.1万年为波动周期。这种周期与地球轨道参数周期（米兰柯维奇周期）可以对比；而且深海沉积、黄土和冰芯等各指标曲线的形式与根据地球轨道参数变化所计算的北半球高纬度地区太阳辐射量的变化曲线相对应，仅时相上略有落后；因此，许多学者认为，地球轨道参数变化可能是第四纪气候周期性变化的驱动力。第四纪间冰期的气候环境与现代相近，而冰期则大相径庭，距今2.5万～1.8万年前后的末次冰期盛期的气候环境状态可作为典型代表。据研究推断，末次冰期时北半球中高纬度陆地温度一般较现代低10～15 ℃，全盛期时低达20 ℃以上，南北半球的山地雪线均比现代下降了约1000 m。冰川覆盖面积大规模扩展是冰期最盛期环境的重要特征之一。现代冰雪覆盖面积约占大陆面积的10%，海冰覆盖大洋的7.3%左右。但在最后冰期盛期时，接近1/3的陆地被冰覆盖。例如，当时冰川覆盖了加拿大的绝大部分、美国北部的大部分、斯堪的纳维亚半岛和欧洲北部的大部分地区。与此同时，南极和北极地区的海冰也发生大规模的扩展，北大西洋冬季的海冰可一直扩展到法国沿岸。

2.全新世以来的气候变化

第四纪的末次冰期之后，气候迅速变暖，进入1 万年以来的全新世间冰期（即现代间冰期）。但气候变化在不同的时间尺度上都是存在的，全新世虽然总体较温暖，但仍存在着不同时间尺度的气候显著变化。全新世以来的气候变化总体上可分为早期的增暖、中期的全新世暖期和晚期的变冷三个阶段（图14-2）。全新世早期的增温阶段大致为距今1万～8000年之间，气温在末次冰期之后快速地上升到接近现代水平，并在此水平上发生小幅度的冷暖波动。距今8000～4000年的全新世中期是一个较现代更为温暖的时期，其中最温暖的盛期可能出现在距今6000年前后，当时中-高纬度地区陆地上的温度可较现代高2～3 ℃以上。当然，在该暖期中也有气候的冷暖波动。距今4000年以来全球气候呈现变冷的趋势，温度又下降到与现代相当的水平，并在该期间出现分别持续数百年的寒冷或温暖阶段的交替变化。其中，在最近的1000多年里，出现了较现代略为温暖的“中世纪暖期”和比现代更为寒冷的“小冰期”，人们认为它们可能代表数百年时间尺度上未来气候变化的幅度，因而特别受到关注。“中世纪暖期”大致发生在10世纪至13世纪期间，据研究，当时英格兰和欧洲中部的夏季平均温度估计比现代高0.7～1.4 ℃，格陵兰沿岸附近海域很少见到有浮冰，世界上许多地区也有类似的表现。“小冰期”是指发生在最近几个世纪里的冰川重新扩展、温度降低的时期。一般认为小冰期从16世纪早期开始明显化，大致到19世纪中后期结束，其表现最为明显的是有较完整记录的欧洲山地冰川的前进现象，已有的文字、仪器记录的气温资料也显示该阶段一般较现代偏冷。

3.现代气候变化

近100多年来，由于全球均有了大量的气温观测的系统记录，这为研究区域和全球性的气温变化细节提供了更为详实可靠的资料。由这些资料得到的总的气温变化趋势是：从19世纪晚期到20世纪40年代，世界气温曾出现明显的波动上升现象；20世纪40年代到60年代，世界气候有变冷的趋势，但幅度甚微；20世纪70年代，世界气候又趋变暖，到80年代以来气温增暖的趋势更为突出。据威尔森（H.Wilson）和汉森（J.Hansen）研究，全球年平均气温从1880～1940年的60年中增加了0.5 ℃，1940～1965年降低了0.2 ℃，然后从1965～1993年又增暖了0.5 ℃（图14-3）。

图14-2 全新世的气温变化

（据张丕远等，1996）

a—全球年平均气温变化；b—格陵兰冰芯δ18 O值；c—西北欧7月平均气温（依据孢粉资料）

图14-3 近100多年来全球年平均气温的变化（1880～1993年）

（引自周淑贞等，1997）

（二）海平面变化

1.末次冰期以来的海平面变化

第四纪以来，海平面随着冰期-间冰期的交替而发生显著的升降变化，在广大的海陆过渡地区则相应地发生大规模的海陆变迁，并由此引起水文环境、地质环境、地理环境、生态环境等均发生显著的变化。以末次冰期的最盛期（大约距今2.5万～1.8万年）为例，由于大量的水体以冰的形式储存在陆上，全球海平面发生大幅度下降，平均下降达120 m；在西太平洋地区，强烈的海退使我国渤海全部、黄海和东海大部都变成了陆地，朝鲜半岛、台湾岛、海南岛完全与大陆相连，海岸线因此向东迁移可达上千千米；我国南海南部至爪哇海的巽他陆架大面积成陆（即“亚洲大浅滩”），印度尼西亚到澳大利亚之间的帝汶海、阿拉富拉海、卡彭塔里亚湾等大都变成了陆地（即“澳大利亚大浅滩”），这使得东南亚的许多岛屿与亚洲大陆相连，澳大利亚与巴布亚新几内亚及亚洲大陆相连（图14-4）。类似的情况也广泛出现在其他海岸地区，如英国和爱尔兰与欧洲大陆相连、阿拉斯加与西伯利亚通过白令陆桥相连等。

图14-4 西太平洋边缘海域在末次冰期时的轮廓

（黑色代表成陆区；据汪品先等，1992）

末次冰期的后期，温度回升导致冰川逐渐消融，海平面开始明显上升；距今1.5 万年以后冰川消融和海平面上升速度加快，至距今1万年前后，海平面已从最低的约-120 m升高到-40 m左右（即上升了约80 m）。全新世进入间冰期，全新世早期海平面继续上升，从距今1万年前后的-40 m左右到距今6000～5000年上升到现代水平甚至更高，平均上升速率约每百年1 m（图14-5）。海平面上升导致海岸线向陆地方向大幅度迁移，末次冰期时出露的广大的大陆架地区被淹没成大面积的浅海，使古地理环境发生重大改变，如在冰期时连成一片的东南亚巽他次大陆被海水重新分隔成由若干岛屿组成的印度尼西亚群岛，冰期时形成的各个陆桥也重新中断，一些沿海低地相继沦为海湾或潟湖。距今6000～5000年以来，海平面基本上在现今水平上作小幅度波动，有些学者认为，在全新世中期的温暖期距今6000～4000年可能存在高于现今水平的高海平面时期。

2.现代海平面变化

根据有仪器记录的验潮站资料，许多人分析了近100多年来的全球海平面变化趋势，都得出了现代海平面存在轻微上升趋势的结论，平均海平面的上升率为每百年10～15 cm（或每百年1.0～1.5 mm）（图14-6）。其中，1900年以前的平均海平面高度变化较小，1900年以来平均海平面高度上升较明显。引起近百年来全球海平面上升的原因可能包括地壳升降运动、气候变化、冰川退缩和海洋环流变化等，但一般认为，气候变化（变暖）是最主要原因，全球平均温度变暖导致冰川部分融化，也引起海洋表层增暖膨胀等作用过程，从而造成全球海平面升高。

图14-5 全新世海平面的变化

（据H.Williams et al.，1991；N.Roberts，1989）

图14-6 世界上3个长记录验潮站记录的海平面的变化

（据IPCC，1995）

（三）生态系统变化

在过去相当长的时间范围内，全球生态系统的变化主要受到大气环境、水环境、地质环境及地理环境的综合影响；但第四纪以来，随着人类的兴起与发展，生态环境越来越多地受到人类的干扰；特别是近代与现代，人类对生态系统的影响已远远超过了其他环境因素。近、现代生态系统的变化是多种多样和十分复杂的，其主要或突出的方面有森林的破坏与面积锐减、半干旱环境的荒漠化和草场退化、动植物物种的绝灭与多样性减少、人口过度膨胀等。

1.森林的破坏与森林面积锐减

为了进行农业和满足工业发展与生活的需要，人类一直在不断地砍伐、破坏森林，并且其速度具有越到现代越快的趋势。目前，全球森林面积约占陆地总面积的23%，加上矮灌林、疏林可达32%，我国的森林覆盖率为18.21%。在工业革命前夕，全球森林面积还能覆盖将近一半的陆地面积，而到1980年降至只占陆地面积的38%。近年来，在一些经济发达地区和国家，森林面积已不再缩小，一些地区还由于保护和造林使之有所增加。但在广大的欠发达或发展中国家和地区，森林面积仍在迅速减少，尤其以热带、森林资源丰富的地区最为显著。1995年时整个热带地区的森林较1980年时已减少了21%。森林减少造成的区域性影响包括保水、保土能力变弱，坡地侵蚀、水土流失作用增强，洪水灾害增多，地表气温上升、蒸发增强、降水量减少、局部气候干旱化等；区域性影响的累积可产生全球性变化的后果。

2.荒漠化和草场退化

与森林面积减少相对应，全球土地荒漠化（主要包括沙漠、砾漠、岩漠等）的速度呈现加快的趋势。目前，全球荒漠化面积已达陆地面积的35%，主要分布在干旱、半干旱地区，并已有向原先并不干旱的亚热带、热带地区蔓延的趋势，这类地区主要是由于森林破坏、水土流失等造成的岩漠或半岩漠化，如我国南方滇黔桂交汇的一些地区。荒漠化面积中占比例最高的还是原先的草场退化所造成的。如我国西北的黄土高原、毛乌素沙漠、河西走廊、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠等至少到汉-唐时期绝大多数地区还是水草丰美的草原，但现代已大面积荒漠化。引起土地荒漠化的人为原因主要包括过度农垦、过度放牧、过度砍柴、森林破坏、水资源利用不当、工交建设破坏植被等，自然因素主要包括气候干旱化、风蚀及风成砂、黄土的扩展等，其中以人为因素占主导，并助长了自然因素。

3.生物物种绝灭与多样性减少

近、现代以来，全球生态系统中的植物、动物种类的绝灭速度显著加快、生物多样性不断减少也是与人类活动密切相关的。人类社会发展到今天，人类这一单一物种已经彻底地控制了生物界。人类可以饲养动物、栽培植物，也可以在短时间内从地球上永远消灭某些物种。实际上，培植和发展一些物种是有目的、有计划的，但危害一些动植物乃至使之灭绝则大多是无意识的。据近、现代的统计，较高等动物平均每年有一个物种或亚种被消灭，已经有1000种鸟类和哺乳动物从地球上消失了（图14-7）；较低等动物及整个植物界无疑消失得更多。从地质历史的较长时间尺度看，全天气候变化、古地理环境变化等可能是造成一些动植物自然绝灭的重要原因；但在近、现代的短时间尺度上看，人为因素则是最主要原因。有人认为人类活动使生物绝灭速度加快了上千倍乃至上万倍。人类活动主要通过狩猎、引进或培植生物、污染环境和缩小生栖地等途径来影响生物的生存种类和数量。其中，环境污染和生物野生环境的消失（如森林破坏、湿地消失等）正在成为物种趋于绝灭的主要原因。动植物物种的绝灭与多样性减少将严重地破坏生态平衡，造成生态环境的恶化；此外，其给人类造成的不良后果还有许多方面（如生物资源减少等），有些我们近期可能还不能清楚地认识到。

图14-7 17世纪以来全球某些高等动物物种绝灭的数量

（引自张兰生等，2000）

4.人口过度膨胀

人类的出现只不过几百万年的历史，然而，其发展的速度是非常惊人的，超过了任何一种生物。公元前8000年，世界人口只有5000万，但到1650年就达到了5亿。近代以来，人口增长更加迅速，1850年世界人口为10亿，1950年为25亿，1987年已超过了50亿，到1999年已达60亿，2008年世界人口日（7月11日）联合国宣布世界人口已超过67亿。人口这样的极速发展对整个地球环境及各种资源都产生了很大的压力。

世界各国的人口增长情况也很不一致，这主要受政治、经济、宗教、科学技术等各方面的影响。在1950～1985年的35年间，发达国家人口增长仅为4.1%，而第三世界国家人口增长竟高达117%，其中以非洲和拉丁美洲的增长率最高。据估计，1985～2025年间，一些发达国家的人口有下降的趋势，但一些非发达国家的人口可望进一步增长。人口过多会大大地制约经济的发展以及人类生活水平的提高，同时使自然资源大量地消耗和环境进一步恶化。世界上的资源是有限的，有些科学家对世界生物资源进行过计算，其结果是世界上的生物资源量只能养活100亿人。一些专家认为，我国人口最适合的数量为7亿～10亿，我国容纳人口的极限为16亿～17亿。目前，我国的人口已超过13亿。所以，必须控制人口的迅速增长，使人、资源、环境达到和谐的关系。

（四）“臭氧洞”和“温室效应”

1.“臭氧洞”

自20世纪70年代以来，平流层臭氧层的O3 含量有不断减少趋势，且这种减少趋势随纬度增高而变得明显。在南极上空，臭氧含量在每年10月份前后消减最多，再现所谓“臭氧洞”现象。据观测，从1979年到1985年，南极地区上空 O3 含量减少了40%～50%，全球在这6年里O3 含量平均减少约3%。到1987年，南极上空的“臭氧洞”又宽又深，已经扩大到南极大陆以外，一度引起科学界和公众的深切恐慌。观测表明，北半球大气臭氧浓度也出现减少趋势。研究发现，臭氧层的破坏可能主要与人工合成的含氯氟烃物质（如氟利昂：CF2 Cl2，CFCl3）作为制冷剂、喷雾剂等的大量排放有关。这种含氯氟烃在对流层内极为稳定，但它们进入平流层后在紫外线的照射下，分解出含氯自由离子，并与臭氧分子发生反应，消耗大量的臭氧。而臭氧的消耗又使紫外线辐射增强，加速含氯氟烃的分解，从而加速臭氧层的破坏。臭氧层是强烈吸收太阳紫外线辐射的大气区域，其遭受破坏将会导致一系列环境后果，包括对气候、生物和人类健康造成的不良影响或严重危害。

2.温室气体排放与“温室效应”

太阳辐射为短波辐射，而地面辐射是长波辐射，低层大气中的二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氮氧化物（N2 O等）、氯氟烃（CFCl3 等）等成分能使短波几乎无衰减地通过，但却吸收长波辐射，造成气温增高，这类气体便称为“温室气体”，由此产生的增温效应被称为“温室效应”。温室气体中（除水汽外）以二氧化碳的含量最高、影响最大。据观测与研究，自工业革命以来，大气中二氧化碳的浓度已增长了30%，甲烷增长了一倍，氮氧化物增长了15%。并且它们增长的速度有明显加快的趋势。在广泛使用化石燃料之前的19世纪初，科学家推算的二氧化碳含量为280×10 -6，到1958年时观测值为315×10 -6，在100多年的时间内含量增加了35×10 -6；至1998年时观测值已达360×10 -6，在过去40年里含量增加了45×10 -6（图14-8）。20世纪80～90年代二氧化碳含量平均每年增加1.5×10 -6，而2000～2005年平均每年增加2×10 -6（据美国大气海洋局2008年资料）。大气温室气体浓度上升可能已经对地球的环境产生了深刻影响，这主要包括全球气候变暖、降水格局变化，并进一步导致全球海平面升高、陆地和海洋生态系统受到干扰等。

图14-8 夏威夷冒纳罗亚山观测到的CO 2月平均大气浓度变化

（据IPCC，1995）

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