1、地球气候变化及其影响因素摘要迄今为止，地球上的气候自始至终都在不停地变化。气候变化具有周期性和波动性， 包括偶然性和突发性波动的基本特征。在漫长的气候史上，地球气候经历过冷暖交替的 冰河期和间冰期的巨大的变化。在最冷的冰河期里，地球表面的平均气温比现在约低 7-9 C;在最温暖的间冰期里，平均气温比现在约高 8-12 G影响地球气候变化的 自然因素主要包括：太阳辐射变化，地球轨道参数的改变，大气物质成分变化，大气气 溶胶的变化，云的变化，大气下垫面的特性，海水温度的变化，地表冰雪覆盖面积的变 化，等等;人为因素主要包括：砍伐森林，开垦荒地，开发工业区，扩大城市范围，燃 烧大量化石燃料等活动。关
2、键词： 气候变化 地球ABSTRACTSo far, the global climate has been changing from time to time, which is basically characterized by the cycling and fluctuating, among which it is including accident, or erupted fluctuation. On the history of the global climate, the global climate has been undergoing the very larg
3、e change, which included glacial period and interval-glacial period that both were alternately changing by the cold and warming. In the cold glacial period, the average temperature of global surface was about 79 C lower tha n that in the moder n time, and in the warming interval-glacial period, the
4、average temperature of global surface was about 2 C higher than that in the modern time. The natural factors that impact the global climatemainly include the sun radiation, the parameters of the earth moving orbit, the atmospheric substance, the atmospheric aerosol, the cloud, the features of the bo
5、ttom surface of the atmosphere, the temperature of the sea water, the covering arias of the ice and snow of the global surface, and so on. And the anthropogenic factors include the deforestation, bringing the barren land under cultivation, developing the industry zones, extending the range of the ci
6、ties, and burning of the large amount of the fossil fuels, and so on.Keywords: climate change, globe1概 论 11.1概述 11.2定义 11.3地史历史上的气候变化 11.4近代气候变化 41.5现代气候变化背景 42气候变化的原因 52.1客观世界的影响 52.1.1太阳辐射的变化 52.1.2大气环流形势和大气化学组成成分的变化 82.1.3下垫面地理条件的变化 92.2人为因素 102.2.1人类活动改变下垫面 102.2.2温室气体排放过度 122.3气候变化原因新说 133气候变化的
7、影响与危害 143.1冰川消融 143.2极端气候 153.3粮食减产 153.4海平面上升 163.5物种灭绝 163.6空气污染 174. 国际间的主张与对策 174.1人造工程 184.1.1沙漠造林 184.1.2生物碳 184.1.3海藻农场 194.2 新能源 194.2.1风能 204.2.1太阳能 205. 气候变化趋势预测 215.1减缓变暖 215.2新冰河期 22参考文献 221 概论1.1 概述迄今为止，地球上的气候始终都在不停地变化。气候变化具有周期性和波动性，包 括偶然性和突发性波动的基本特征。地球气候变化的原因是多种多样的。有外来的，也 有内部的，它们被分别称为外
8、部因子和内部因子。所谓内部因子，主要指气候系统内部 的相互作用和影响的各种因子，例如，地面反照率的变化可以影响气候的变化，而气候 变化，冰雪覆盖面积改变，又可以影响到地面反照率。所谓外部原因，主要是指天文因 子和地文因子的影响。 天文因子包括太阳辐射强度的变化及地球轨道参数（轨道偏心率， 地轴岁差，黄道交角）的变化等等。地文因子主要包括大陆地块漂移，造山运动以及极 轴移动等及火山爆发以及人类活动引起的大气物质成分的改变等等。全球气候系统，是由多种因素综合形成的一个十分复杂的巨大系统，上述各种因素 都可能对气候系统产生重大的影响。地球上的气候自始至终都在不停地变化。但是，对 气候变化的原因和变化
9、的幅度， 对于人类活动对于气候系统的影响问题的认知就肤浅了。因此，目前一些专家们担心，由于人类社会活动和经济的高速发展，资源和能源的 过渡消耗，污染物排放持续增加，将会导致地球气候发生异常变化，从而威胁到全人类 的生存和发展的安全。世界各国领导人对于气候变化问题也十分关注。1.2 定义全球气候变化（Climate change）全球气候变化是指在全球范围内,气候平均状态统 计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为 10 年或更长）的气候变动。气 候变化的原因可能是自然的内部进程，或是外部强迫，或者是人为地持续对大气组成成 分和土地利用的改变。1.3 地史历史上的气候变化地球形成为行星
10、的时间尺度约为 46亿年。据地质沉积层的推断， 约在 20 亿年前地球 上就有大气圈和水圈。地球气候史的上限，可追溯到 202 亿年。据地质考古资料、历史 文献记载和气候观测记录分析，世界上的气候都经历着长度为几十年到几亿年为周期的 气候变化。现在为科学界所公认的有：1.大冰期与大间冰期气候：时间尺度约为几百万年到几万万年。2.亚冰期气候与亚间冰期气候：时间尺度约为几十万年。3副冰期与副间冰期气候：时间尺度约为几万年。4.寒冷期（或小冰期）与温暖期（或小间冰期）气候：时间尺度约为几百年到几千年。5.世纪及世纪内的气候变动：时间尺度为几年到几十年。从时间尺度和研究方法来看，地球气候变化史可分为三
11、个阶段：地质时期的气候变化、历史时期的气候变化和近代气候变化。地质时期气候变化时间跨度最大，从距今 22亿一1万年，其最大特点是冰期与间冰期交替出现。 历史时期气候一般指1万年左右以来 的气候。近代气候是指最近一、二百年有气象观测记录时期的气候。地球古气候史的时间划分，采用地质年代表示（表 1?1）。表1-1地质年代表表8丄地球古气候史地质年代表地质年覺地玮运訪与地出槻呪MttfS 况代紀f醃号齡百万 年）新生篇四纪O喜马拉雅 运动（新阿 尔卑斯运地壳援恨的升障运动第四纪大冰期氧吒含疑达现代 水平气温开始下降H25喜马拉雅适山运前主要时期火山运动海侵議山运动主要时臨造山运动强建巾虱欧洲、北美出
12、玫虹色、紫色土屢海；魏续増力晤祝大火山作用帕新壻和乐平轨适山运动皓相或涼相涓职海西运动开贻海相沆积大规植的造山运动地层运动平静海侵海退交替地层运动平穂务緯相沉积大闾冰.期乐亚式陆趋于理润早第三麹E63世屎輒候均匀吏醺表现盅热带气酸千慄气候鮭续板展起熬气候大气氧随被动速率増加吒帳炭热更化作用强萸中 生白垩紀K1翁燕山运动旧阿宋卑 期运諭J1M.5:-223生 代石炭紀PC280345运动大冰 期汽 價卷界性的焜润珥除殴洲、北美外）干慄气候叫愼届鹫无季节D那加里动犬间 冰期 气候气候蒂呈明是的另区岂候更艇化气候増暖且干退气候带 分异明显，电磁欧亚址三 平明显的邑倏带志留纪3435奧陶纪Q500垂武
13、纪570元古古農旦纪1000120015C02000300033C045006000 ?吕梁五台主要岩层为i隔!岩 上贝克白云地层（加利福尼锻石糜地国f安大略）无花果树地层地壳岩石、闸羊瑋成地壳分优太冰貝临候氧占現代大汽水平的3 10%氧占現代大 6水平的 讯甄代大的出现元古代大冰期气候太古代大冰期气候主要根据 南非古老 地展划分 的逃匝年 代和地应地球初期发 展阶段地勰成在漫长的古气候变迁过程中，反复经历过几次大冰期气候。在表 1?1 中列出三次大 冰期，即震旦纪大冰期、石炭二迭纪大冰期和第四纪大冰期。这三个大冰期都具有全 球性的意义，发生的时间也比较确定。震旦纪以前，还有过大冰期的反复出现
14、，其出现 时间目前尚有不同意见。1.震旦纪大冰期气候震旦纪大冰期发生在距今约 6 亿年前。根据古地质研究，在亚、欧、非、北美和澳 大利亚的大部分地区中，都发现了冰碛层，说明这些地方曾经发生过具有世界规模的大 冰川气候。在我国长江中下游广大地区都有震旦纪冰碛层，表示这里曾经历过寒冷的大 冰期气候。而在目前黄河以北地区震旦纪地层中分布有石膏层和龟裂纹现象，说明那里 当时曾是温暖而干燥的气候。2.寒武纪 石炭纪大间冰期气候寒武纪石炭纪大间冰期发生在距今约 36 亿年前。这里包括寒武纪、奥陶纪、志 留纪、泥盆纪和石炭纪五个地质时期， 共经历 3.3 亿年，都属于大间冰期气候。当时整个 世界气候都比较温
15、暖，特别是石炭纪是古气候中典型的温和湿润气候。当时森林面积极 广，最后形成大规模的煤层，树木缺少年轮，说明当时树木终年都能均匀生长，具有海 洋性气候特征，没有明显季节区别。在我国石炭纪时期，全国都处于热带气候条件下， 到了石炭纪后期出现三个气候带，自北而南分布着湿润气候带、干燥带和热带。3.石炭二迭纪大冰期石炭二迭纪大冰期发生在距今 23 亿年。从所发现的冰川迹象表明，受到这次冰 期气候影响的主要是南半球。在北半球除印度外，目前还未找到可靠的冰川遗迹。这时 我国仍具有温暖湿润气候带、干燥带和炎热潮湿气候带。4.三迭纪 第三纪大间冰期气候三迭纪第三纪大间冰期发生在距今约 2亿到 200万年前，包
16、括整个中生代的三迭 纪、侏罗纪、白垩纪，都是温暖的气候。到新生代的第三纪时，世界气候更趋暖化，共 计约为 2.2 亿年。在我国三迭纪的气候特征是西部和西北部普遍为干燥气候。到侏罗纪， 我国地层普遍分布着煤、粘土和耐火粘土等，由此可以认为我国当时普遍在湿热气候控 制下。侏罗纪后期到白垩纪是干燥气候发展的时期，当时我国曾出现一条明显的干燥气 候带。西起新疆经天山、甘肃，向南伸至大渡河下游到江西南部都有干燥气候下的石膏 层发育。到了新生代的早第三纪，世界气候更普遍变暖，格陵兰具有温带树种，我国当 时的沉积物大多带有红色，说明我国当时的气候比较炎热。晚第三纪时，东亚大陆东部 气候趋于湿润。晚第三纪末期
17、世界气温普遍下降。喜热植物逐渐南退。5.第四纪大冰期气候第四纪大冰期约从距今 200 万年前开始直到现在。当冰期最盛时在北半球有三个主 要大陆冰川中心，即斯堪的那维亚冰川中心： 冰川曾向低纬伸展到 51N 左右；北美冰川 中心：冰流曾向低纬伸展到 38N 左右；西伯利亚冰川中心：冰层分布于北极圈附近 6070N 之间，有时可能伸展到 50N 的贝加尔湖附近。 估计当时陆地有 24的面积为 冰所覆盖，还有 20的面积为永冻土，这是冰川最盛时的情况。在这次大冰期中，气候 变动很大，冰川有多次进退。根据对欧洲阿尔卑斯山区第四纪山岳冰川的研究，确定第 四纪大冰期中有 5 个亚冰期。在中国也发现不少第四
18、纪冰川遗迹，定出 4 次亚冰期（表 8?2）。在亚冰期内，平均气温约比现代低 8 12C。在两个亚冰期之间的亚间冰期内， 气温比现代高。北极约比现代高10C以上，低纬地区约比现代高5.5C左右。覆盖在中纬 度的冰盖消失，甚至极地冰盖整个消失。在每个亚冰期之中，气候也有波动，例如在大 理亚冰期中就至少有 5次冷期（或称副冰期） ，而其间为相对温暖时期 （或称副间冰期） 。 每个相对温暖时期一般维持 1 万年左右。目前正处于一个相对温暖的后期。据研究， 在距今 1 .8万年前为第四纪冰川最盛时期， 一直到 1. 65万年前， 冰川开始 融化，大约在 1 万年前大理亚冰期（相当于欧洲武木亚冰期）消退
19、，北半球各大陆的气 候带分布和气候条件基本上形成为现代气候的特点。1.4 近代气候变化近代气候变化主要指近百年来的气候情况，它是历史气候变化的最后一个阶段。近 100多年来，全球平均气温经历了：冷-暖一冷一暖四次波动，总的看气温为上升趋势。 进入八十年代后，全球气温明显上升。从 19 世纪中期开始的地面温度观测的结果表明， 在过去的一个世纪里，全球气温大约升高了 0.5 C。根据二氧化碳（CO）和其它温室气 体的气候模式（最佳气候敏感度时） 的预测，同一时期的温度变化大约为 1C。如果考虑 到气溶胶的冷却效应，那么两者的一致性是相当好的。这说明，大气气溶胶，可能会抵 消一部分温室气体产生的增温
20、效应；模式估算的温室气体增温效应比迄今为止所观测到 的气温上升幅度大。1.5 现代气候变化背景陆地表面有永久性冰川存在，是冰河期气候的基本特征；而在间冰期里，极地冰雪 全部融化，地球上没有永久性冰川或冰盖存在。目前的地球陆地上，仍然存在约 3-4 万 立方公里（ 1500万平方公里）的冰盖，约为第四纪冰川最大面积的一半左右。因此，从 理论上推断，目前的地球气候，还没有完全脱离冰河时期。因此，目前地球气候处于偏 冷的时段。而根据仪器记录，相对于I860年至1900年期间，全球陆地与海洋温度上升了 0.75C。 自1979年，陆地温度上升速度比海洋温度快一倍（陆地温度上升了 0.25C，而海洋温度
21、 上升了 0.13C）。根据卫星温度探测，对流层的温度每十年上升 0.12C至0.22C。在1850 年前的一两千年，虽然曾经出现中世纪温暖时期与小冰河时期，但是大众相信全球温度 是相对稳定的。根据美国国家航空航天局戈达德太空研究所的研究报告估计， 自 1 800年代有测量仪 器广泛地应用开始， 2005年是最温暖的年份， 比 1 998年的记录高了摄氏百分之几度。 世 界气象组织和英国气候研究单位也有类似的估计，曾经预计 2005年是仅次于 1998年第 二温暖的年份。2 气候变化的原因现代气候学原理指出，影响地球气候变化的自然因素主要包括：太阳辐射变化，地 球轨道参数的改变，大气物质成分变
22、化，大气气溶胶的变化，云的变化，大气下垫面的 特性的改变，海水温度的变化，地表冰雪覆盖面积的变化，等等。2.1 客观世界的影响气候的形成和变化受多种客观因子的影响和制约的。2.1.1 太阳辐射的变化太阳辐射和宇宙 -地球物理因子都是通过大气和下垫面来影响气候变化的。人类活动 既能影响大气和下垫面从而使气候发生变化，又能直接影响气候。在大气和下垫面间， 人类活动和大气及下垫面间，又相互影响、相互制约，这样形成重叠的内部和外部的反 馈关系，从而使同一来源的太阳辐射影响不断地来回传递、组合分化和发展。在这种长 期的影响传递过程中，太阳又出现许多新变动，它们对大气的影响与原有的变动所产生 的影响叠加起
23、来，交错结合，以多种形式表现出来，使地球有史以来，气候的变化非常 复杂。一、太阳辐射的变化 太阳辐射是气候形成的最主要因素。气候的变迁与到达地表的太阳辐射能的变化关 系至为密切，引起太阳辐射能变化的条件是多方面的。（一）地球轨道因素的改变地球在自己的公转轨道上，接受太阳辐射能。而地球公转轨道的三个因素：偏心率、地轴倾角和春分点的位置都以一定的周期变动着，这就导致地球上所受到的天文辐射发 生变动，引起气候变迁。1.地球轨道偏心率的变化由第六章所述，到达地球表面单位面积上的天文辐射强度是与日地距离（ b）的平方成反比的，地球绕太阳公转轨道是一个椭圆形，现在这个椭圆形的偏心率（e）约为0. 016。
24、 目前北半球冬季位于近日点附近，因此北半球冬半年比较短（从秋分至春分，比夏半年 短7.5日），但偏心率是在 0.000.06之间变动的，其周期约为 96 000年。以目前情况而 论，地球在近日点时所获得的天文辐射量（不考虑其它条件的影响）较现在远日点的辐 射量约大1/15，当偏心率e值为极大时，则此差异就成为1/3。如果冬季在远日点，夏季 在近日点，则冬季长而冷，夏季热而短，使一年之内冷热差异非常大。这种变化情况在 南北半球是相反的。2.地轴倾斜度的变化 地轴倾斜（即赤道面与黄道面的夹角，又称黄赤交角）是产生四季的原因。由于地球轨道平面在空间有变动，所以地轴对于这个平面的倾斜度（ 9也在变动。
25、现在地轴倾斜度是 23.44，最大时可达 24.24，最小时为 22.1 ，变动周期约 40000年。这个变动使 得夏季太阳直射达到的极限纬度（北回归线）和冬季极夜达到的极限纬度（北极圈）发 生变动。当倾斜度增加时，高纬度的年辐射量要增加，赤道地区的年辐射量会减少。例如当 地轴倾斜度增大 1时，在极地年辐射量增加 4.02，而在赤道却减少 0.35。可见地轴 倾斜度的变化对气候的影响在高纬度比低纬度大得多。此外，倾斜度愈大，地球冬夏接 受的太阳辐射量差值就愈大，特别是在高纬度地区必然是冬寒夏热，气温年较差增大； 相反，当倾斜度小时，则冬暖夏凉，气温年较差减小。夏凉最有利于冰川的发展。3.春分点
26、的移动春分点沿黄道向西缓慢移动，大约每 21000 年，春分点绕地球轨道一周。春分点位 置变动的结果，引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化。地球近日点所在季 节的变化，每 70年推迟 1 天。大约在 1 万年前，北半球在冬季是处于远日点的位置（现 在是近日点），那时北半球冬季比现在要更冷，南半球则相反。上面三个轨道要素的不同周期的变化，是同时对气候发生影响的。米兰柯维奇（ M.M.Lankovitch ）曾综合这三者的作用计算出 65N 纬度上夏季太阳辐射量在 60 万年 内的变化，并用相对纬度来表示。例如， 23万年前在65N上的太阳辐射量和现在77N上的一样，而在13万年前又和现在
27、59N上的一样。他认为当夏季温度降低约 45C, 冬季反而略有升高的年份，冬天降雪较多，而到夏天雪还未来得及融化时，冬天又接着到来，这样反复进行，就会形成冰期。近人按米兰柯维奇的思路，利用大型电子计算机 重新计算在距今一百万年以前至一百万年以后 65N 的相对纬度，图中相对纬度在 68N以上时涂黑，表示冰期，并标出过去定出的冰期。其计算结果大体上对过去第四纪中几 个著名的冰期均有明显的反映。(2)火山活动引起大气透明度的变化 到达地表的太阳辐射的强弱要受大气透明度的影响。火山活动对大气透明度的影响 最大，强火山爆发喷出的火山尘和硫酸气溶胶能喷入平流层， 由于不会受雨水冲刷跌落， 它们能强烈地反
28、射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射。据分析火山尘在高空停 留的时间一般只有几个月，而硫酸气溶胶则可形成火山云在平流层飘浮数年，能长时间 对地面产生净冷却效应。据历史记载 1815年4月初Tambora火山(8.25 , 118.0 E)爆 发时，500km内有三天不见天日，各方面估计喷出的固体物质可达 100 300km3。大量浓烟云长期环绕平流层漂浮,显著减弱太阳辐射,欧美各国在 1816年普遍出现了 无复 之年It据Bryson (1977)估计，当年整个北半球中纬度气温平均比常年偏低 1C左右。在英格兰夏季气温偏低 3C,在加拿大6月即开始下雪。再从我国华东沿海各省近 500年历史
29、气候资料中可见，在 1817年六月廿九日(阳历 8月 11日)赣北彭泽( 29.9N， 116.0 E)见雪，木棉多冻伤。皖南东至县(30.1 N , 117.0 E)在同年七月二日(阳历 8 月 14日)降雨雪，平地寸许。在我国中部夏季有两处以上出现霜雪记载的这类严重冷夏 在15001865年间竟有35年。这说明六月雪 是确有其事的，它们绝大多数出现在大 火山爆发后的两年间。火山爆发呈现着周期性的变化，历史上寒冷时期往往同火山爆发次数多、强度大的 活跃时期有关。 Baldwin 等(1976)指出，火山活动的加强可能是小冰期以至最近一次大 冰期出现的重要原因。 Bray (1977)则指出，
30、过去 200 万年间几乎每次冰期的建立和急 剧变冷都和大规模火山爆发有关。例如在 1912年以前的 150年，北半球火山爆发较频， 所以气候相对地比较寒冷。 1912年以后至 20世纪 40年代北半球火山活动很少，大气混 浊度减小，可以吸收更多的太阳辐射，因此气温增高，形成一温暖时期。总之，火山活动的这种 日伞效应I是影响地球上各种空间尺度范围为时数年以上气 候变化的重要因子。(3)太阳活动的变化太阳黑子活动具有大约 11年的周期。据 1978年11月16日到1981年7月13日雨 云 7 号卫星(装有空腔辐射仪)共 971 天的观测，证明太阳黑子峰值时太阳常数减少。 最近富卡尔、马利安( F
31、onkaland Lean， 1986)的研究指出，太阳黑子使太阳辐射下降只 是一个短期行为，但太阳光斑可使太阳辐射增强。太阳活动增强，不仅太阳黑子增加， 太阳光斑也增加。光斑增加所造成的太阳辐射增强，抵消掉因黑子增加而造成的削弱还 有余。因此，在 11 年周期太阳活动增强时，太阳辐射也增强，即从长期变化来看太阳辐 射与太阳活动为正相关。据最新研究，太阳常数可能变化在 1 2左右。模拟试验证明，太阳常数增加 2， 地面气温可能上升3C,但减少2%,地面气温可能下降4.3C。我国近500年来的寒冷 时期正好处于太阳活动的低水平阶段，其中三次冷期对应着太阳活动的不活跃期。如第 一次冷期（ 14701520 年）对应着 14601550 年的斯波勒极小期；第二次冷期 （16501700年）对应着 16451715年的蒙德尔极小期；第三次冷期（ 18401890年） 较弱,也对应着 19 世纪后半期的一次较弱的太阳活动期。而在中
