当前世界环境

介绍

近几十年来，全球平均地表温度创历史新高。1850年以来的温度计读数足以提供可靠的全球平均值(Brohan et al. 2006)。在过去的一个世纪里，全球表面温度上升了约1.5摄氏度^°F(图1)。根据卫星测量，在过去的25年里，低层大气变暖了0.22-0.34^°每十年F次，相当于2-3次^°每世纪。(克里斯蒂和斯宾塞2005;Mears and Wentz 2005)。过去20年包括有记录以来最热的18年。(哈德利中心，2005)。这种有充分证据的变暖趋势可能是影响地球气候的几个因素造成的，其中一些是自然因素，如太阳辐射和火山活动的变化。其他的，特别是某些气体释放到大气和土地覆盖的变化，是人为的。

全球气候随时间而变化，以响应气候强迫——气候系统外部的物理因子，在整个气候系统中迫使热量净增加(正强迫)或净减少(负强迫)。(Hansen, Sato et al. 2005)。这种类型的变化不同于内部气候变率，在内部气候变率中，热量通过风或洋流在气候系统的不同组成部分之间传递，而系统内的总热量没有净变化。厄尔尼诺-南方涛动是内部气候变化的一个众所周知的例子。由于20世纪观测到的气候变化是整个气候系统热量净增加的结果，因此只能用外部强迫来解释。(Hansen, Nazarenko et al. 2005)。因此，气候变化科学家的任务是找出一种或多种能够解释观测到的变暖的自然或人为的外部强迫。

图1:基于仪器测量的全球平均地表温度。20世纪的气温上升幅度远远大于不确定范围。 点击此处查看图

界定天气和气候

天气是指在特定时间、特定地点的大气状态。温度、云量、湿度、降水和风都是天气要素的例子。雷暴、龙卷风和季风也是某些地方某些季节天气的一部分。气候被定义为描述一个地区的长期天气模式。例如，纽约大都市区的气候是温和的，全年降雨均匀，冬季寒冷，夏季炎热。

气候变化的原因

图2:影响地球气候的因素 点击此处查看图

气候变率与气候变化

气候变率是指除个别天气事件外，在所有时空尺度上气候普遍状态的变化。变率可能是由于气候系统内部的自然过程，也可能是由于自然或人为(人类驱动的)外部强迫的变化。全球气候变化是指持续几十年或更长时间的气候平均状态或变率的变化。这包括地球上平均天气条件的变化，例如全球平均温度的变化，以及各地区经历热浪、干旱、洪水、风暴和其他极端天气的频率的变化。值得注意的是，个别天气事件的变化将潜在地对气候变率的变化作出重大贡献。气候变化可能由于太阳能量或地球轨道周期的变化(自然气候强迫)而自然发生，也可能由于持续的人为强迫(如温室气体、硫酸盐气溶胶或大气中的黑碳)或通过土地利用变化而发生。

图2说明了影响地球气候系统状态的基本组成部分。这个系统状态的变化可以发生在外部(来自地外系统)或内部(来自海洋、大气和陆地系统)，通过上述任何一个组成部分。例如，外部变化可能涉及太阳输出的变化，这将从外部改变地球大气和表面接收的太阳辐射量。地球气候系统的内部变化可能是由大气气体浓度的变化、造山活动、火山活动以及地表或大气反照率的变化引起的。

气候学家的工作已经找到证据表明，只有少数几个因素对地球上过去的大多数气候变化事件负有主要责任。这些因素包括:

• 火山喷发
• 大气二氧化碳变化
• 太阳输出的变化。

火山喷发

多年来，气候学家已经注意到大型火山爆发和短期气候变化之间的联系。例如，在过去两个世纪中最冷的年份之一发生在1815年坦博拉火山爆发后的一年。在这次火山爆发后的一年里，地球上许多地区都记录了非常寒冷的天气。其他几次大型火山事件也显示出在喷发后1到3年全球气温下降的模式。起初，科学家们认为，大型火山喷发释放到大气中的尘埃部分阻挡了太阳辐射到地球表面的传输，从而导致了地球的冷却。

图3:上图显示了1744年至2005年大气中二氧化碳含量的上升情况。请注意，在研究期间，大气中二氧化碳浓度呈指数增长。对不久的将来的推断将表明，这一数字将继续上升 点击此处查看图

然而，测量表明，大部分被扔进大气层的尘埃在六个月内回到了地球表面。最近的平流层数据表明，大型火山爆发也会喷出大量的二氧化硫气体，这些气体在大气中存留长达三年之久。大气化学家已经确定，喷出的二氧化硫气体与平流层中常见的水蒸气发生反应，形成一层浓密的明亮的雾霾层，这种雾霾层阻止了一些太阳入射辐射在大气中的传播。

在上个世纪，发生了两次重大的改变气候的火山爆发。墨西哥的埃尔奇洪火山于1982年4月爆发，菲律宾的皮纳图博火山于1991年6月爆发。在这两次火山活动中，皮纳图博火山对地球气候的影响更大，它向平流层喷射了大约2000万吨二氧化硫。研究人员认为，皮纳图博火山爆发是1992年全球平均气温下降0.8摄氏度的主要原因。据信，皮纳图博火山喷发对全球气候的影响在1993年后期达到顶峰。卫星数据证实了皮纳图博火山爆发与1992年和1993年全球气温下降之间的联系。卫星数据表明，火山喷发产生的二氧化硫羽流导致地球大气反射回太空的太阳光增加了几个百分点，导致地球表面降温。

大气二氧化碳变化

对长期气候变化的研究发现了大气中二氧化碳浓度与全球平均温度之间的联系。二氧化碳是造成温室效应的重要气体之一。某些大气气体，如二氧化碳、水蒸气和甲烷，能够吸收从地球表面发射的长波辐射，从而改变地球的能量平衡。这一过程和长波再发射回地球表面的净结果增加了地球气候系统中的热能量。如果没有温室效应，地球的平均温度将是零下18度^°而不是现在的15摄氏度^°摄氏度。

20世纪70年代CLIMAP项目的研究人员在深海沉积物中发现了强有力的证据，证明了过去几十万年地球历史上全球温度的变化。随后的其他研究证实了这些发现，并发现这些温度变化与大气中二氧化碳的浓度以及受米兰科维奇周期控制的地球接收的太阳辐射的变化密切相关。测量结果表明，在较冷的冰期，大气中的二氧化碳含量要低30%左右。

还有一种理论认为，海洋是二氧化碳的主要储存地，它们控制着这种气体进出大气的运动。海洋中可以容纳的二氧化碳量是温度的函数。当全球气温变暖时，二氧化碳从海洋中释放出来，当气温变冷时，二氧化碳扩散到海洋中。最初全球温度的变化是由地球通过米兰科维奇周期接收到的太阳辐射的变化引起的。二氧化碳的增加通过增强温室效应而加剧了全球变暖。

在过去的三个世纪里，由于人类的影响，地球大气中二氧化碳的浓度一直在增加。人类活动，如燃烧化石燃料，将天然草原转化为农田，以及砍伐森林，都导致二氧化碳释放到大气中。从18世纪初开始，二氧化碳浓度从百万分之280增加到2005年的百万分之380。许多科学家认为，大气中二氧化碳浓度的升高将增强温室效应，使地球变暖。科学家认为，由于温室效应的增强，我们已经在经历全球变暖。大多数计算机气候模型显示，如果到2050年二氧化碳达到预测的百万分之600的水平，全球气温将上升1.5-4.5摄氏度。

太阳输出的变化

直到最近，许多科学家还认为，多年来太阳的辐射输出只变化了百分之零点几。然而，在20世纪80年代和90年代，由配备辐射计的卫星进行的测量表明，太阳的能量输出可能比以前认为的更加多变。在20世纪80年代早期进行的测量表明，在仅仅18个月的时间里，到达地球的太阳能总量减少了0.1%。如果这种趋势持续几十年，它可能会影响全球气候。数值气候模型预测，每世纪太阳输出的变化仅为1%，将使地球的平均温度改变0.5至1.0^°摄氏度。长期以来，科学家们一直试图将太阳黑子与气候变化联系起来。太阳黑子是一种巨大的磁暴，被认为是太阳表面较暗(较冷)的区域。太阳黑子的数量和大小呈现周期性模式，大约每11年、90年和180年达到最大值。在1980年代早期观测到的太阳能量的减少与基于11年周期的太阳黑子活动最大值相对应。此外，1976年至1980年间用太阳望远镜进行的测量表明，在此期间，随着太阳黑子数量和大小的增加，太阳表面的温度降低了约6摄氏度。显然，太阳黑子阻止了太阳的一些能量离开其表面。然而，这些发现往往与更长时间尺度上的观察结果相矛盾。在小冰期中期(1650年至1750年)对太阳的观测表明，太阳表面很少有太阳黑子活动。小冰期是全球气候变冷得多的时期，一些科学家认为这一现象与太阳活动在90年或180年期间的减少有关。 Measurements have shown that these 90 and 180 year cycles influence the amplitude of the 11 year sunspot cycle. It is hypothesized that during times of low amplitude, like the Maunder Minimum, the Sun’s output of radiation is reduced. Observations by astronomers during this period(1645 to1715) noticed very little sunpot activity occurring on the Sun. During periods of maximum sunspot activity, the Sun;s magnetic field is strong. When sunspot activity is low, the Sun’s magnetic field weakens. The magnetic field of the sun also reverses every 22 years, during a sunspot minimum. Some scientists believe that the periodic droughts on the Great Plains of the United States are in some way correlated with this 22 year cycle.

图4 点击此处查看图

图5:气候变化对生态系统的影响 点击此处查看图

今天气候变化的影响

100多年前，全世界的人们开始燃烧更多的煤和石油用于家庭、工厂和交通运输。燃烧这些化石燃料会向大气中释放二氧化碳和其他温室气体。这些增加的温室气体导致地球比过去更快地变暖。

已经发生了多少变暖?来自世界各地的政府间气候变化专门委员会(IPCC)的科学家告诉我们，在过去的100年里，世界表面气温平均上升了0.6摄氏度(1.1华氏度)。这听起来可能不是很大的变化，但即使是一度也会影响地球。下面是我们现在看到的气候变化的一些影响。

1. 海平面正在上升:在20世纪，由于冰川融化和海水变暖，海平面上升了约15厘米(6英寸)。模型预测，在21世纪，海平面可能上升59厘米(23英寸)，威胁到沿海社区、湿地和珊瑚礁。
2. 北极海冰正在融化:夏季海冰的厚度大约是1950年的一半。冰的融化可能导致海洋环流的变化。此外，海冰融化加速了北极的变暖。
3. 冰川和永久冻土正在融化:在过去的100年里，世界各地的高山冰川都在缩小，北极的永久冻土数量也在减少。格陵兰岛的冰盖融化速度也在加快。
4. 海洋表面温度正在变暖:在过去的几十年里，浅海水温的升高导致了世界上大约四分之一的珊瑚礁死亡。许多珊瑚动物在因白化而衰弱后死亡，这一过程与温暖的海水有关。
5. 更强的降雨导致许多地区洪水泛滥;气温升高导致一些地区降雨强度增加。这会导致洪水泛滥。
6. 极端干旱正在增加:在世界上的一些地区，更高的温度导致更高的蒸发率和更多的干旱。
7. 生态系统正在发生变化:随着气温变暖，物种要么迁移到更冷的栖息地，要么死亡。特别脆弱的物种包括濒危物种、珊瑚树和极地动物。气候变暖还导致了春季活动时间和生长季节长度的变化。
8. 气候变化对生态系统的影响:
9. 气温升高也影响了生物。例如，日本人对东京樱花树的开花时间做了非常详细的记录，所以他们知道樱花树的开花时间比50年前平均早了5天。
10. 此外，蚊子、鸟类和昆虫正在北半球向北移动。
11. 全球变暖意味着其生态系统的持续变化。随着海洋吸收更多的二氧化碳，海洋的化学成分发生了变化，使许多海洋生物处于危险之中。
12. 本世纪头十年，农作物产量增加了5-20%。但是，如果气候变化增加，降水变得不那么可靠，这些作物将更容易歉收。具有讽刺意味的是，随着温度的升高，杀死冰冻的可能性也在增加。这是因为植物开始生长得更早，使它们更容易受到春季突然寒冷天气的影响。
13. 更频繁的热浪:热浪可能在世界上更多的地区变得更加普遍。
14. 气温升高会影响人类健康:随着花粉季节的延长，热浪造成的死亡人数和过敏病例也越来越多。携带疾病的动物(如蚊子)的范围也发生了一些变化。
15. 海水变得越来越酸:二氧化碳溶解到海洋中，使海水变得更酸。这可能会对珊瑚礁和其他海洋生物造成影响。

结论

自20世纪20年代中期以来，大部分观测到的全球平均气温上升^th由于观测到人为温室气体浓度的增加，世纪极有可能[即大于90%的确定性]。这是自[2001年IPCC报告]得出“过去50年观测到的大部分变暖可能是由于温室气体浓度的增加”的结论以来的一个进展。可辨别的人类影响现在延伸到气候的其他方面，包括海洋变暖、大陆平均温度、极端温度和风型。(2010年联合国政府间气候变化专门委员会)

参考文献

1. J Hansen, L Nazarenko, R Ruedy, MSato, J Willis, A Del Genio, D Koch, A Lacis, K Lo, S Menon, T Novakov, J Perlwitz, G Russell, G A Schmidt, N Tausnev。科学,2005;308:1431。
2. P·布罗汉，j·肯尼迪，I·哈里斯，S·F·B·提特，P·D·琼斯。地球物理研究杂志2006;111年,D12106。
3. J·R·克里斯蒂，R·W·斯宾塞。科学, 2005;310:972。