近百年氣候變化及可能的自然影響因素研究進(jìn)展

陳幸榮，張志華，蔡怡

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

1 引言

近年來(lái)，關(guān)于全球變暖，人們首先想到的是人類活動(dòng)對(duì)它的影響。IPCC在2007年第四次評(píng)估報(bào)告中[1]，對(duì)最近50年氣候變化主要是由人類活動(dòng)影響結(jié)論的可信度，已由原來(lái)66%的最低限提高到目前的90%,指出人類活動(dòng)“很可能”是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。雖然人們確信人類活動(dòng)是造成目前氣候變暖的主要原因，但是從20世紀(jì)氣溫變化分析來(lái)看，大致可以分為3個(gè)階段，20世紀(jì)初到50年代氣溫上升，50—70年代氣溫下降和70年代—21世紀(jì)初的氣溫再次上升。而事實(shí)上自二次大戰(zhàn)結(jié)束以后，全球工業(yè)化迅速發(fā)展，大氣中二氧化碳的含量也在迅速增加，但是全球氣溫在這一時(shí)期（50—70年代）卻是下降的，而這一時(shí)期正是全球火山活動(dòng)較頻繁時(shí)期。另外，如果我們把近百年氣候變化放到近千年的氣候變化中去看，對(duì)于過(guò)去千年的溫度變化，目前的研究結(jié)果雖然還不是那么確定，但是在大家比較認(rèn)可的Mann et al[2],Jones et al[3],Crowley et al[4],Briffa et al[5]和王紹武等人[6]所作的千年溫度曲線中有一致之處在于，從15世紀(jì)后半葉到17世紀(jì)均存在小冰期，而從11世紀(jì)到12世紀(jì)氣溫也是比較高稱為中世紀(jì)暖期，因?yàn)檫@兩個(gè)氣候事件均發(fā)生在人類活動(dòng)可能產(chǎn)生明顯影響之前，所以人們都把它們歸之于自然氣候變化。目前的研究表明，直到20世紀(jì)80年代，全球氣溫的變化并沒(méi)有超過(guò)中世紀(jì)暖期氣溫的自然變率，因此人類活動(dòng)并不能解釋20世紀(jì)全球氣溫變化的全部，可以肯定其它的自然因素，在20世紀(jì)的氣候變化中仍然產(chǎn)生了影響。因此，近年來(lái)關(guān)于自然氣候變率在目前氣候變化中的影響也成為研究全球變暖的一個(gè)重要方面。

2 百年時(shí)間尺度氣候變化

2.1 近百年時(shí)間尺度全球氣候變化

IPCC在第四次評(píng)估報(bào)告中[1]指出，最近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.56℃—0.92℃。統(tǒng)計(jì)表明,自1850年以來(lái)最暖的12個(gè)年份中有11個(gè)出現(xiàn)在1995—2006年（除1996年外）,20世紀(jì)可能是近千年中地表增溫速率最大的一個(gè)世紀(jì),90年代可能是近百年中最暖的一個(gè)10年,1998年是同期最暖的一年。過(guò)去50年升溫率幾乎是過(guò)去100年的2倍。表1[7]為IPCC歷次評(píng)估報(bào)告提供的觀測(cè)近百年全球氣溫變化趨勢(shì)，從表中可以看到，隨著觀測(cè)資料的推后，全球平均溫度的增溫幅度在加大，表示隨著時(shí)間，全球溫度變暖在加劇。圖1[8]為全球平均溫度、海平面和北半球積雪變化。Jones P D等[9]通過(guò)對(duì)1861—2000年全球地表平均氣溫距平（相對(duì)于1961—1990年平均值）變化分析發(fā)現(xiàn),自20世紀(jì)50年代以后，全球地表溫度海和海平面都比20世紀(jì)的前50年增加要快，在時(shí)空變化上，1976—2000年,全球地表冬季平均氣溫升高最為顯著。特別是北半球中高緯度地區(qū)更為明顯,春季的增溫幅度次之,秋季最弱。

表1 全球溫度變化（℃/100 a）

關(guān)于全球陸地降水的變化，不同的資料給出的結(jié)果相差比較大。趙宗慈等[10]分析了全球6套不同來(lái)源的降水資料后認(rèn)為，20世紀(jì)全球年平均降水沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但是對(duì)于降水空間分布的變化還是比較明確的。北半球中高緯度地區(qū)降水增加明顯,30°—85°N地區(qū)平均增幅7—12%,且以秋、冬季節(jié)增加最為顯著;南半球（0°—55°S）可能增加了2%左右;相反,副熱帶地區(qū)（10°—30°N）可能減少了3%,非洲北部、南美的沙漠地區(qū)減少更為明顯。20世紀(jì)后期,北半球中高緯度地區(qū)的極端強(qiáng)降水事件的頻率可能增加了2—4%,亞洲和非洲的部分地區(qū)干旱的頻率和強(qiáng)度增加[11-12]。

對(duì)于海洋的變化，1961年以來(lái)的觀測(cè)資料表明,全球海洋溫度的增加已延伸到至少3000 m深度,1961—2003年世界海洋的總熱容量增加了大約14.2±2.4×1022J[13-14]，20世紀(jì)全球海平面上升約0.17 m[15]。

圖1 溫度、海平面高度和北半球積雪變化；a:全球平均地表溫度；b:由驗(yàn)潮站和衛(wèi)星資料得到的全球平均海平面上升;c:3—4月北半球積雪，氣候平均為1961—1990年平均

圖2 中國(guó)20世紀(jì)年平均氣溫距平變化曲線

2.2 近百年時(shí)間尺度中國(guó)氣候變化

我國(guó)近百年的氣候也發(fā)生了明顯變化?？傮w來(lái)說(shuō),這種變化的趨勢(shì)與全球氣候變化的趨勢(shì)一致[16-20]。近100年中國(guó)的平均氣溫上升了(0.6±0.1)℃。其中,20世紀(jì)20—40年代我國(guó)平均氣溫持續(xù)偏高,50—80年代初氣溫有所下降,80年代中期開(kāi)始又持續(xù)增溫，90年代是近百年來(lái)最暖時(shí)期之一,僅次于20—40年代。表2[7]是不同來(lái)源觀測(cè)的近百年來(lái)中國(guó)氣溫的變化，圖2[16]是20世紀(jì)中國(guó)平均氣溫距平隨時(shí)間的變化。從圖2和表2中可以看到，與全球氣溫變化一樣，20世紀(jì)后50年中國(guó)的氣溫上升要比20世紀(jì)前50年快，升溫主要發(fā)生在1910—1950年和1970—2000年這兩個(gè)時(shí)間段。與全球平均溫度變化一樣,近100年來(lái)中國(guó)的增溫也主要發(fā)生在冬季和春季,而夏季卻有微弱變涼趨勢(shì)[20-22]。研究發(fā)現(xiàn):1951—2000年中,我國(guó)大陸35°N以北地區(qū)年平均氣溫變暖顯著于35°N以南,即呈現(xiàn)“北暖南寒”的形式,35°N以北地區(qū)冬季的變暖速率顯著大于夏季和年平均氣溫的升溫速率[17]。

關(guān)于20世紀(jì)中國(guó)降水變化趙宗慈等[10]分析了四套降水資料，近百年三個(gè)時(shí)段降水變化趨勢(shì)分析見(jiàn)表3[10]，在百年時(shí)間段內(nèi)中國(guó)降水無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，而在近25年時(shí)間段，降水略有增加，在降水空間分布的變化上，降水大范圍明顯的增加主要發(fā)生在西部地區(qū),其中以西北地區(qū)尤為顯著[23]，長(zhǎng)江中下游到華南地區(qū)雨量呈增加趨勢(shì),高值中心在長(zhǎng)江中游地區(qū)[24-25]，而華北降水則出現(xiàn)干旱化趨勢(shì)，呈現(xiàn)“北旱南澇”的模式。

表2 觀測(cè)的中國(guó)近百年溫度變化[7]

表3 綜合4套資料計(jì)算中國(guó)和東亞年總降水量在3段時(shí)期變化線性趨勢(shì)[10]

對(duì)于中國(guó)近海海洋的氣候變化，由于資料等因素的限制，我國(guó)學(xué)者的研究工作相對(duì)比較少。潘蔚娟[26]等發(fā)現(xiàn)華南近海的月和年平均SST皆以上升趨勢(shì)為主，年平均SST最近44年的線性增長(zhǎng)率為0.12—0.19℃/10年，冬半年的上升幅度普遍高于夏半年。馮琳等[27]對(duì)東海近60年的海溫分析發(fā)現(xiàn)，在東中國(guó)海SST具有明顯的長(zhǎng)期升高的線性變化趨勢(shì),平均每年升高0.015℃,1945—2006年共升高了0.9℃。另外，蔡怡等[28-29]通過(guò)近40年的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在太平洋熱帶環(huán)流是減弱的，而中高緯度的環(huán)流是加強(qiáng)的。

3 影響氣候變化的可能自然因素

影響地球氣候系統(tǒng)變化的因子很多,但一般可分為自然因子和人類活動(dòng)兩大類。就自然因子而言,主要指太陽(yáng)活動(dòng)、火山活動(dòng)及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的多尺度振動(dòng)。

3.1 太陽(yáng)活動(dòng)

關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)（so1ar activity）對(duì)于地球氣候和大氣環(huán)流的影響,人們從不同角度進(jìn)行了探索[31-35]。就百年時(shí)間尺度的變化來(lái)看，太陽(yáng)活動(dòng)主要表現(xiàn)為76年世紀(jì)周期、22年磁周期和準(zhǔn)11年太陽(yáng)黑子周期[36],目前有可靠記錄的太陽(yáng)輻射時(shí)間比較短，圖3[37-38]給出了1979—2005年太陽(yáng)輻射隨時(shí)間變化。從圖中可以看到最明顯的周期是11年周期，而且這兩組不同的數(shù)據(jù)來(lái)源在九十年代以后還是有很大的區(qū)別。太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候的影響既有增溫方面又有冷卻作用，宇宙射線是一種高能帶電粒子流，不斷轟擊地球，在大氣中產(chǎn)生帶電離子，這些離子像一個(gè)個(gè)磁體，吸引水蒸氣凝聚，最終形成云。而云層可將太陽(yáng)光反射到太空，可以起到冷卻地球的作用，它對(duì)氣候的影響是負(fù)的，目前歐洲粒子物理研究中心（CERN）正在進(jìn)行的CLOUD項(xiàng)目就是研究宇宙射線和大氣中水滴形成的關(guān)系。其次是太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)，如果處于太陽(yáng)活躍期，太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)增強(qiáng)，將偏轉(zhuǎn)宇宙射線撞擊地球的方向，形成較少云層，從而導(dǎo)致地球的溫度上升，它對(duì)氣候的影響是正的。另外，近期研究結(jié)果表明[39-43]太陽(yáng)磁場(chǎng)方向變化也是太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候十分關(guān)鍵因素,研究認(rèn)為太陽(yáng)磁場(chǎng)南向時(shí)期與北向時(shí)期,將對(duì)應(yīng)著地球磁層獲得太陽(yáng)輻射能量異常偏多時(shí)期和異常偏少時(shí)期。但目前尚不清楚上述這些機(jī)制能對(duì)地球氣候變暖產(chǎn)生多大影響。目前只有太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)氣候的影響是比較明確的，但是有學(xué)者認(rèn)為總太陽(yáng)輻射的連續(xù)直接觀測(cè)至今只有28年，其輻射量從最小到最大的周期循環(huán)變化率只有0.08%，并且無(wú)顯著長(zhǎng)期趨勢(shì)。計(jì)算得到的太陽(yáng)輸出（從1750年）造成的直接太陽(yáng)輻射強(qiáng)迫（RF）0.12 w/m2。比溫室氣體的RF要小得多（2.3 w/m2）[8]，所以太陽(yáng)輻射的變化不是引起近代氣候變暖的主要原因。我國(guó)學(xué)者曲維政等[44]研究了太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)對(duì)北半球夏季平流層中部氣溫異常變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線與濾除CO2影響的北半球10 hPa大氣溫度距平曲線變化趨勢(shì)基本一致，太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向變化對(duì)它的方差貢獻(xiàn)率達(dá)21%。

圖3 太陽(yáng)輻射隨時(shí)間變化

3.2 火山爆發(fā)

火山爆發(fā)對(duì)氣候最直接的影響是火山云灰達(dá)到大氣層上層形成氣溶膠，它的直接表現(xiàn)是氣溶膠光學(xué)厚度增加，減弱了太陽(yáng)輻射，從而降低了地面的溫度。關(guān)于火山爆發(fā)所產(chǎn)生的氣溶膠對(duì)于氣候的影響，目前許多研究表明有以下四種影響：第一，它直接影響地球的輻射平衡，從而影響地球的溫度；第二，影響水平和垂直方向熱量變化，改變平流層和對(duì)流層環(huán)流；第三、，影響氣候系統(tǒng)的內(nèi)部變率，如ENSO、NAO等；第四，影響平流層的臭氧分布，圖4[45-46]是關(guān)于火山爆發(fā)總可見(jiàn)光厚度隨時(shí)間變化。從圖中Sato和Ammann所做的資料來(lái)看，兩者還是存在比較大的差別。在目前氣候變化的歸因研究中認(rèn)為，本世紀(jì)50—70年代的全球溫度下降，一個(gè)主要原因就是火山爆發(fā)引起大氣中氣溶膠含量增加造成的。我國(guó)學(xué)者曲維政[47]等研究了火山活動(dòng)對(duì)熱帶高空溫度變化的影響，發(fā)現(xiàn)火山活動(dòng)影響最顯著的高度是平流層70 hPa，火山活動(dòng)將引起平流層大氣升溫、對(duì)流層大氣降溫。另外研究發(fā)現(xiàn)[48-55]火山爆發(fā)可能產(chǎn)生北方冬季的變冷和降水減少，火山除了在高緯爆發(fā)以外，隨后會(huì)有北大西洋濤動(dòng)（NAO）的正位相，導(dǎo)致歐亞冬季變暖，抵消氣溶膠產(chǎn)生的全年平均變冷，另外，火山爆發(fā)的氣溶膠和溫室氣體能夠改變NAO。

圖4 火山爆發(fā)總可見(jiàn)光深度隨時(shí)間變化

3.3 海氣相互作用

地球氣候系統(tǒng)變化的另一個(gè)影響因素是氣候系統(tǒng)內(nèi)部的海氣相互作用。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)，人們從近百年的各種觀測(cè)資料中，研究發(fā)現(xiàn)了不少關(guān)于氣候的年代際變率。如從全球氣溫的變化中發(fā)現(xiàn)存在15—35年、50—150年和65—70年等振蕩，特別是20世紀(jì)70年代的中后期（1976/1977年），全球許多地區(qū)，如太平洋、中國(guó)等區(qū)域，都發(fā)生了明顯的年代際變化，這就是在年代際海氣相互作用中一個(gè)非常重要的現(xiàn)象—太平洋海溫年代際振蕩（PDO）引起的。對(duì)于氣候年代際變化產(chǎn)生的原因，人們從資料診斷、模式模擬和動(dòng)力學(xué)探討等方面都做了大量研究。特別是經(jīng)過(guò)CLIVAR計(jì)劃近10年的研究，目前對(duì)于百年以下時(shí)間尺度的氣候年代際變率，比較一致的研究結(jié)果是在不考慮外力的情況下，年代際的氣候變率主要與熱帶海洋的強(qiáng)迫、中緯度的海氣相互作用、大洋的溫鹽環(huán)流、熱帶—中緯度的相互作用和海氣之間的隨機(jī)強(qiáng)迫作用這五個(gè)方面有關(guān)，也就是說(shuō)對(duì)于百年以下時(shí)間尺度的年代際氣候變率，主要與海洋及海氣相互作用有關(guān)。這是因?yàn)樵诤怦詈舷到y(tǒng)的變化中，由于海洋有著巨大的熱慣性和動(dòng)力慣性,能夠通過(guò)海氣相互作用對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)諧，高頻大氣變化被減頻,耦合波的頻率變低后再作用于大氣,通過(guò)海氣相互作用，使它們的頻率降低。但是目前人們并不清楚高頻大氣運(yùn)動(dòng)如何通過(guò)海氣相互作用減低為低頻的氣候變率。

3.4 其它的可能影響

對(duì)于影響氣候變化的另外一些因子，雖然這些學(xué)說(shuō)不是占主導(dǎo)地位，但是也有不少的研究，在國(guó)內(nèi)研究比較多的是關(guān)于郭增建的“深海巨震調(diào)溫說(shuō)”[56-59]。2004年印尼地震海嘯后,全球低溫凍害和暴雪災(zāi)害頻繁發(fā)生。郭增建認(rèn)為海洋及其周邊地區(qū)的強(qiáng)震產(chǎn)生海嘯,可使海洋深處冷水遷到海面,使水面降溫,冷水吸收較多的二氧化碳,從而使地球降溫。另外還有潮汐調(diào)溫說(shuō)，即強(qiáng)潮汐把海洋深處的冷水帶到海面,使全球氣候變冷；還有人認(rèn)為[60]海洋中中等尺度的渦旋能把海底的碳和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)“吸”上來(lái)，這些碳并沒(méi)有重新沉落海底，而是作為有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行了再循環(huán)，它們殘留在海水的表面，并且最終以二氧化碳的方式進(jìn)入地球大氣。另外，地震學(xué)者盧振權(quán)（2001）等[60]人的研究發(fā)現(xiàn),地震前會(huì)出現(xiàn)低空大氣溫度、地面溫度和衛(wèi)星熱紅外異常,累積增溫達(dá)可達(dá)2°—10℃之多。另外，有人認(rèn)為大氣二氧化碳增加，導(dǎo)致全球氣溫和海溫上升，而海溫的上升又會(huì)影響海洋對(duì)二氧化碳的吸收，從而使大氣二氧化碳存留增多，又加劇全球氣溫的上升。但是這些學(xué)說(shuō)還缺少大量的觀測(cè)資料支持和令人信服的機(jī)制研究結(jié)果。

4 小結(jié)

我們對(duì)于近百年的氣候變化特征進(jìn)行綜述，并對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)、火山爆發(fā)以及海氣相互作用等自然因素對(duì)近百年氣候變化的影響作了詳細(xì)的總結(jié)。

（1）最近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.56°—0.92℃，中國(guó)的平均氣溫上升了（0.6±0.1）℃，但是20世紀(jì)全球和中國(guó)年平均降水沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)；

（2）目前關(guān)于氣候變化的自然因素主要有太陽(yáng)活動(dòng)、火山爆發(fā)和氣候系統(tǒng)內(nèi)部海氣相互作用對(duì)于氣候變化的影響，但是關(guān)于它們是如何影響氣候變化的問(wèn)題，還存在很大的不確定性。

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