（2）气候是怎样形成的？哪些因子决定了地球气候？

  说到当前气候变化的科学原因，人们首先要问的是：什么叫做“气候”？它与“天气”有什么不同？为什么有时人们说，某某地方的气候真好？有时又说，今天的天气真好？这两种说法一样吗？其实，“气候”与“天气”是两个不同的概念，但它们彼此之间又有密切的联系。所谓“气候”是指在某地某一段时期内的大气状况而言的；而“天气”则是指某地某一天的大气状况而言的。显然，从时间长短的意义上可以看到：天气是时间尺度很短的大气状况，例如，某一天的温度、气压、湿度、风的状况及其天气现象（如晴、阴、雨、风、云等状况），这就是通常各地气象台的天气预报节目中人们最为关心的当地当天或明后天的天气（状况）；然而，气候却是指时间尺度相对很长的大气状况，其时间长度，可以是几十天、一个月、几个月或几年甚至几十年、上百年、千年或万年以上的各种时间尺度。所以，长期以来，人们都把气候看做天气状况的平均。例如，通常一直沿用至今的气候统计量：月平均温度、月总降水量及月平均气压就构成了气候的三大要素。直到20世纪初还有人认为，假如有了足够长的气象观测记录(例如30年的)，就可以得到一个稳定的气候平均值，各地就可用这种稳定的气候平均值来衡量当地的气候条件。但是后来人们发现，某种气候要素的30年平均值也并非一成不变，而是不断有所变化的。然而，近40年来大气科学和地球科学的发展早已使人们认识到，那种认为气候是天气的平均值而一成不变的经典气候概念仅仅是一种“静态气候”观，地球的自然气候是自从地球大气层形成以来就一直存在变化的“气候”，所以，人们必须要从“动态气候”（即变化着的气候）观点来认识地球的气候现象。由此可见，要解释气候的形成，探讨气候变化的原因，并尝试进行气候预测，仅仅限于研究某地地面的气候要素状况是非常不够的，甚至也不能仅仅考虑大气本身，而是要研究包括大气在内的整个气候系统（即包含大气、海洋和水体、陆面、冰雪层、生物圈）。回顾近几十年来人类对于地球气候的一系列新认识，基本上都是与气候系统概念有关的，所以，从经典的静态气候概念发展到现代的动态气候概念，“气候系统”概念的提出是一个里程碑。

为什么会提出气候系统的概念？所谓“气候系统”则是上世纪70年代提出的新概念。大致有下列几方面原因促进了从经典气候概念向“气候系统”概念的转变。

第一，           如前所述，天气与气候是时效长短不同的两种概念，其主要原因是：天气的时间尺度短，大气运动的能量来源主要是依靠大气本身的动力过程。而气候的形成过程则比天气复杂得多，因为气候具有足够长的时间尺度，仅仅依靠大气内部的动力过程是不能维持其能量的。研究表明，仅仅依靠大气内部的动力过程而无外部的其它能量补充，地球大气运动的能量大约最多只能维持一个月时间就要消耗殆尽。由于大气不断地从地球表面的各个部分（包括陆地表面、海洋表面、河湖水体表面、冰雪表面，以致生物圈等等）获得能量才使得气候处于不断的变化之中。所以，我们必须看到气候系统的全部特征，才能认识气候的形成。

第二，           20世纪50年代末到70年代，短期数值天气预报取得了巨大的发展，人们开始研究逐日短期天气预报如何向中期天气预报（2-3天至4天）延伸，并向5天、10天乃至月的长期天气预报发展。但研究表明，为了提高预报水平，必须要考虑地面边界条件（如海洋、陆面及地形、冰雪等）。仅仅利用原来建立的大气数值预报模式不能适应中长期预报的需要，这就要求建立一种新的海洋-大气或陆面-大气耦合模式来作中长期天气预报。

第三，           在20世纪60-70年代，世界上曾陆续出现了许多气候异常现象，例如西非的持续几十年的干旱；1982-1983年的El Nino事件，等等，这些气候异常事件对当时的世界经济发展所产生的巨大影响，促使科学界认识到，世界性气候异常仅从大气运动本身来解释是行不通的，进一步研究表明，必须考虑地球表面的各种因素，包括海洋、陆面、冰雪圈等系统，才能更准确地认识气候异常形成的原因。这就又一次促进人们必须建立气候系统的概念。

第四，           特别是近几十年来，人们逐渐发现最近一百多年来全球平均温度呈上升趋势，竟然与自19世纪以来的全球大气中二氧化碳浓度的增加趋势十分一致。后来人们逐渐发现，自从欧洲工业革命以来，由于人类燃烧各种化石燃料（如煤、石油、天然气等物质）而向地球大气中排放的碳化物不断增加，与此同时，人类不断地砍伐森林恰恰更加剧了大气中的碳化物含量，此外，甲烷、一氧化二氮、氯氟烷烃等微量气体在大气中的含量也在与日俱增，而这些包括二氧化碳在内的微量气体都有吸收大气热量的物理化学性质。由此就引出了关于全球性增暖问题究竟是什么原因所造成的？是自然因素导致的，还是人类因素造成的气候变化？这些问题，自上世纪80-90年代以来已经成为大气科学和地球科学界的热门话题。显然，全球气候变化所带来的一系列连锁反应并不仅仅涉及大气本身的问题，必须从气候系统的各个成员（如海洋、陆面、冰雪圈和生物圈）相互作用的观点才能解释清楚。1979年由世界气象组织（WMO）发起召开的第一次世界气候大会，及其前期所拟定的世界气候计划（WCP）更加促进了从经典气候概念向气候系统概念的转变。

  有了气候系统的概念，就不难解释地球气候的成因了。众所周知，太阳乃是地球万物之能源。太阳辐射是地球及其大气圈的主要能量来源。地球常年累月地不断从太阳获取能量，维持着地球及其大气层与外部太空之间的能量平衡。太阳光首先入射到大气层顶部，然后向下传播，由于太阳辐射大部分是可见光（短波辐射）和红外辐射，少部分为紫外辐射，在大气层内部传播的过程中，有一部分被大气所吸收或反射，余下的部分则到达地面，并被地表所吸收或反射（其中又有一部分再次被大气所吸收或反射），而被地表（指陆地和水体）所吸收的这部分短波辐射即转化为热量，从而使地表加热。地表受热后就把其中的一部分热量以红外辐射的形式射入到大气中，地球的大气圈层如同地球包裹着一层棉被或毛毯一样，因其含有如二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氯氟烷烃等微量气体，这些气体尽管在整个大气中所占比例很小，但它们都具有强烈吸收红外辐射的能力，从而增暖了大气，这就使大气圈所包围的地球永远保持着一定的温度。此外，大气中所含的水汽也是易于吸收热量的，所以，地球大气层就象日常生活中人们种花的玻璃温室或种菜的塑料大棚一样，使得在地面上生活着的各种生物(包括人类)永远感受到一种温暖的地球环境。据科学计算表明，通常地球表面温度平均约保持在14 -15 左右，这种通过某些气体来保持大气热量的物理过程就是通常人们所说的“温室效应（Greenhouse Effect）”。不过，这是地球大气原来所固有的自然“温室效应”。假如地球上不存在这样的温室效应，那么地球表面的平均气温将只有-18 或-19 左右，显然，这一正一负的差值净增了地球温度达33度左右，正是由于存在着这种保持地球温暖的“温室效应”，地球上才有足以维持人类生存和一切生命所必须的适宜温度及其优越的自然气候环境。根据近年来对月球所作的科学探测，月球表面就没有如地球那样的大气层，因而其昼夜温差竟然高达100 。这是我们地球人难以想象的。可见，地球所拥有的自然温室效应并非是一件坏事。

然而，近一两百年来，由于人类活动而使得大气中的微量气体如二氧化碳、甲烷等不断增加，导致了原有的温室效应增强，可能已经成为当今全球平均温度升高的主要原因。值得一提的是，上述这些在大气中仅占微小份额的微量气体如二氧化碳（ ）、甲烷（ ）、一氧化二氮（ ）、氯氟烷烃（ ）等，由于其对于地球气候的温室效应（简记为 ）具有举足轻重的作用，通常又被人们称为温室气体（简记为 ）。实际上最重要的温室气体是水汽和 。由于后者仅是地球气候系统中代表反馈和循环物理过程的中间产物，通常与人类排放的温室气体不同，所以，并不特别显示它的作用。而在大气这样一种混合气体中占有最大份额的氮和氧气并无温室气体的效应，但是云在特定的情况下却存在着类似于温室效应的作用。不过，研究表明，云既有增温又有降温作用，比较而

言，其降温作用是主要的。为了说明决定地球气候状况的形成因子，我们不仿先来看一幅示意图：在图1中，绘出了常年平均的全球辐射能量平衡的估计图，实际上这是一幅说明太阳辐射与地球及大气之间能量平衡的示意图。该图引自1997年Kiehl和Trenbert的著  作。它表示在一段较长时间内，地球及其大气所接收的太阳辐射能量

既然太阳辐射是地球及其大气圈的主要能量来源，不难想象，如果涉及太阳辐射的某个因素发生了变化就可能影响到地球气候的变化。通常可能有下列三种类型的变化直接或间接改变地球气候状况：

1）  入射的太阳辐射强度本身有某种改变（例如，地球轨道或太阳本身的变化）；

2）  地球表层对入射的太阳辐射份额的分配有了某些改变（例如，太阳辐射被反射回太空的份额有某种改变，即地球反射率的变化，如云的覆盖率、大气中的微粒或地面的植被覆盖的变化，都可引起地球反射率的变化，从而使太阳辐射被反射回太空的份额发生某种变化；

3）  由地面返回太空的长波辐射在大气中发生的变化（例如，大气中温室气体 的浓度有了某种改变）。

 上述三种类型的变化，归根到底都是由于地球及其大气圈与太阳辐射之间所存在的能量平衡发生了某种改变，因而导致地球气候状况的变化即产生了“全球气候变化”。在图1中，实际上从整个地球行星来计算，到达大气层顶的太阳辐射每日总量大约每秒为1370 （折合球表面约为1/4，即有342 ），其中反射回太空的约为30%，粗略计算大约有2/3是由大气中的云和微粒（又称气溶胶粒子），1/3是由地球表面的冰雪和沙漠反射出去的。而大部分气溶胶粒子是由于火山爆发所形成的火山灰粒子，它们被喷射到高空大气中，在一两周内除了降水会清除一部分灰尘外，大部分将会在空层大气中飘浮一两年，然后才逐渐落入对流层，因而火山灰气溶胶的反射作用对于气候的影响犹如遮挡太阳光的阳伞一般可使地球平均温度下降，俗称“阳伞效应”。此外，某些人为的气溶胶也有同样的降温效应。

 然而，就全球而言，近百年来，特别是近几十年来，人类活动增加了 的排放量而强化了温室效应。例如，自工业化以来，大气中 浓度增加了35%，据不完全统计，这主要是人类燃烧化石燃料和砍伐森林的原因造成的，可见，人类活动已经显著地改变了全球大气的化学成分，其复杂的物理化学过程已影响到全球气候。由于地球是正在旋转的椭球体，而使得输送到地表的太阳能量较多地落入热带和赤道地区，由于海洋面的水汽大量蒸发，而将地表的潜热量释放到大气中，成云致雨，与此同时，又驱动了大气环流，由此又通过海表风和温度的作用带动了海洋环流，加之降水和蒸发物理过程的作用又不断地调节了海水的含盐度。当然，地球自转使得大气环流型趋于东西向的带状分布，从而明显地形成了中纬度地区的西风带及其大尺度天气系统。这些天气系统往往是一些高压（对应冷气团）、低压（对应暖气团）天气系统，从而在冷暖空气之间形成各种性质的锋面，时有降水过程发生。

图2. 气候系统各分量及其相互作用示意图（引自AR4）    大气环流进一步与海洋环流协同作用，将多余的地表热量向两极输送。由于陆面与海面物理特性不同形成不同的温度对比，加之大地形如山脉和冰川等的作用，往往形成了一些固定地理位置大气波动（超长波），尽管其振幅随时间变化不大，但其对于对流层天气的形成至关重要。

 

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