第20章 气候变化与气候极值(3)

虽然现在我们还无法预知气候将如何变化，但是，全球变暖已经是一个不争的事实了。1992年6月，世界各国元首、政府首脑云集巴西里约热内卢，在联合国《气候变化框架公约》上签字。为什么气候变化这样一个普普通通的科学问题，会变得如此受人关注？这就涉及全球气候变暖的主题了。

工业革命以来，由于人类大量燃烧化石燃料和毁灭森林，使全球大气中二氧化碳含量在240年内增加了25％。科学家们现在预测，如果到2100年二氧化碳增加一倍，全球平均气温将会上升10～35℃，引起极冰融化，海平面上升15～95厘米，淹没大片经济发达的沿海地区。另外还会引起中纬度广大地区变干、高纬度冻土带沼泽化等一系列问题，事关重大。因此世界各国领导人才坐到一起，共同商讨削减二氧化碳的排放问题。

温室效应

引起全球变暖的原因是温室效应。那么，什么是温室效应呢？现今全球的地面平均温度约为15℃。可是，如果没有大气，地球的地面平均温度应为零下18℃。为什么会有33℃的差距呢？这是因为地球有大气，像条被子一样，造成温室效应之故。

温室效应示意图世界上，宇宙中任何物体都辐射电磁波，物体温度越高，辐射的电磁波波长越短。太阳表面温度约6000℃，它发射的电磁波长很短，从02~4微米，其中大约有一半能量集中在035~07微米，是从紫到红的可见光。短于035微米的称为紫外线，长于07微米的为红外线，人眼都看不见。地面一方面接受太阳短波辐射而增温，同时也时时刻刻向外辐射电磁波而冷却。地球发射的电磁波波长因为温度较低而较长，在4～100微米，称为地面长波辐射或红外辐射。短波辐射和长波辐射在经过地球大气时遭遇是不同的：大气对太阳短波辐射几乎是透明的，但却强烈吸收地面长波辐射。大气在吸收地面长波辐射的同时，它自己也向外辐射波长更长的红外辐射。其中向下到达地面的部分称为逆辐射。地面接受到逆辐射后就会升温，或者说大气对地面起到了保温作用。这就是大气温室效应的原理。

地球大气的这种保温作用很类似于种植花卉的暖房顶上的玻璃（因此温室效应也称暖房效应或花房效应）。因为玻璃也有透过太阳短波辐射和吸收地面红外辐射的保温功能。

温室气体

为什么地球上会产生温室效应呢？其实，温室效应源自温室气体。地球大气中起温室作用的气体称为温室气体，主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化二氮、氟里昂以及水汽等。它们几乎吸收地面发出的所有波长的红外辐射，其中只有75～13微米的红外辐射区段吸收很少，因此称为“红外窗区”。地球主要正是通过这个窗区把从太阳获得热量中的70％又以长波辐射形式返回宇宙空间。其余30％太阳辐射是地面、云和大气分别通过反射和散射返回宇宙空间的。这样就维持了地面温度不变。温室效应主要正是因为人类活动增加了温室气体的数量和品种，而使这70％的比值下降，留下的余热使全球变暖的。

不过，二氧化碳等温室气体虽然吸收地面红外辐射的能力很强，但它们在大气中的数量却极少。如果把压力为1个大气压，温度为0℃的大气状态称为标准状态，那么把地球整个大气层压缩到这个标准状态，其厚度是8000米。目前大气中的二氧化碳的含量为355毫升／升，即占总含量的355/10000。把它换算到标准状态，将是28米厚。在8000米大气中就占28米这一点点。甲烷是17毫升／升，相应为14厘米厚。臭氧浓度为04毫升／升，换算后只有3毫米厚。一氧化二氮是031毫升／升，仅为25毫米。氟里昂有许多种，但大气中含量最多的氟里昂12也只有00004毫升／升，换算到标准状态只有3微米。由此可见大气中温室气体含量之少。也正因为如此，所以人为释放如不加限制，便很容易引起全球迅速变暖。

早在1938年，英国气象学家卡林达在分析了19世纪末世界各地零星的二氧化碳观测资料后，就指出当时二氧化碳的浓度已比20世纪初上升了6％。由于他还发现从19世纪末到20世纪中叶也存在全球变暖的倾向，在世界上引起了很大的反响。为此，美国斯克里普斯海洋研究所的凯林于1958年在夏威夷岛的冒纳罗亚山海拔3400米的地方建立起了观测所，开始了二氧化碳含量的精密观测。由于夏威夷位于北太平洋中部，因此可以认为它不受陆地大气污染影响，观测结果有代表性。

二氧化碳循环示意图

根据观测结果，人们了解到1958年时地球大气中二氧化碳含量不过315毫升／升左右，而1991年已达到了355毫升／升。问题的严重性还在于，目前人类每年燃烧55亿吨化石燃料产生的二氧化碳，只有大约一半进入了大气，其余一半主要被海洋和陆地植被所吸收。一旦海洋中二氧化碳达到饱和，大气中二氧化碳的含量将成倍上升。

此外，人们还发现二氧化碳的含量有季节变化，冬夏相差6毫升／升。这是由于北半球广阔大陆上植被冬枯夏荣的结果，即各种植物在夏季大量吸收二氧化碳，因而使大气中二氧化碳的浓度相对降低。

甲烷是仅次于二氧化碳的重要温室气体。它在大气中的浓度虽比二氧化碳少得多，但增长率则大得多。据联合国政府间气候变化委员会1996年发表的第二次气候变化评估报告（《报告》），从1750～1990共240年间二氧化碳增加了30％，而甲烷增加了145％。那么甲烷是什么呢？甲烷也称沼气，是缺氧条件下有机物腐烂时产生的，例如水田、堆肥、畜粪等都会产生沼气。一氧化二氮又称笑气，因为吸入一定浓度的这种气体后会引起面部肌肉痉挛，看上去像在发笑一样。一氧化二氮主要是使用化肥和燃烧化石燃料和生物体所产生。氟里昂气体是氯、氟和碳的化合物。自然界中本不存在，完全是人类制造出来的。由于它的融点和沸点都比较低，不燃、不爆、无臭无害，稳定性极好，因此广泛用来制造致冷剂、发泡剂和清洁剂等。地球大气中浓度最高的氟里昂12和氟里昂11含量虽都极少，但增长率很高，都是年增5％。不过由于它同时破坏大气臭氧层，根据1987年国际《蒙特利尔议定书》，今后可望逐渐减少。

温室气体与气温的数量关系

那么，温室效应会带来什么后果呢？工业革命前地球大气中的二氧化碳的含量是280毫升／升，如按目前增长的速度，到2100年，二氧化碳的含量将增加到550毫升／升，即几乎增加一倍。全世界的许多气象学家都在努力研究二氧化碳含量增加一倍以后，到2100年的全球平均气温会升高多少。

具体的方法是设计数值模式进行计算。就是把大气运动变化遵循的规律，设计成数值模式进行计算。不过，由于人们对大气运动变化规律认识得还不完善，采取的简化计算办法不同，各个模式的计算结果常相差很大。为此，20世纪80年代美国科学院组织了评估委员会，对这些模式的结果进行研究和综合评估，最终得出二氧化碳倍增后全球气温将上升（3±15）℃，即15～45℃。这也就是对本问题最有权威的组织，联合国的IPCC第一次《报告》中就采用了这个数字。

近年来，气候模式的模拟能力有一个重大改善，这主要是考虑了大气中气溶胶的作用。因为在燃烧化石燃料放出二氧化碳的同时也释放出了大量的硫化物气溶胶（空气中悬浮的微小颗粒）。这种气溶胶会遮挡部分阳光到达地面，因此使地面气温降低。它的降温效应大约相当于二氧化碳增温效应的1/3。根据不同温室气体的增温效应，再综合气溶胶的降温作用，科学家就可以计算未来的气温了。根据这个改进的方法，联合国IPCC1996年公布的第二次气候变化评估报告中，把2100年二氧化碳倍增后全球平均气温升温值从15～45℃，修改为10～35℃。评估报告中还指出，由于海洋的巨大热惰性，到2100年这些增温值中大约只有50％～90％能得以实现。

全球变暖的结果

全球平均增温10～35℃并不均匀分布于世界各地，而是赤道和热带地区几乎不升温（否则也热得受不了），而主要集中在高纬度地区，数量可达6～8℃甚至更大。这一来，便引起了另一严重后果，即两极和格陵兰的冰盖会发生溶化，引起海平面上升。北半球高纬度的冻土带也会融化变薄，引起大范围地区沼泽化。还有，海洋变暖后海水体积膨胀也会引起海平面上升。IPCC的第一次评估报告中预计海平面上升20～140厘米（相应升温15～45℃）。第二次评估报告中修改为15～95厘米（相应升温10～35℃），最可能值为50厘米，即比第一次评估报告降低了约25％。IPCC第二次评估报告还指出，从19世纪末以来的百年间，由于全球平均气温也上升了03~06℃，因而全球海平面相应也上升了10～25厘米。

海平面上升后的上海（模拟图）全球海平面的上升将直接淹没人口密集、工农业发达的大陆沿海低地地区，因此后果十分严重。1995年11月在柏林召开的联合国气候变化框架公约缔约方第二次会议上四十四个小岛国组成了小岛国联盟，为它们的生存权而呼吁。

此外，研究结果还指出，二氧化碳增加不仅使全球变暖，还将使包括中国北方在内的中纬度地区降水将减少，加上升温使蒸发加大，因此气候将趋于干旱化。大气环流的调整，除了中纬度干旱化外，还可能造成世界其他地区气候异常和灾害。气温升高还会引起传染病流行等。

但是，温室效应也并非全是坏事，因为最寒冷的高纬度地区增温最大，因而农业区将向极地大幅度推进；二氧化碳增加也有利于光合作用而直接提高有机物质产量。还有人指出：在中国和世界上历史时期中温暖期多是降水较多、干旱区退缩的繁荣时期。此外，国外也有一批学者，认为目前气候模式在理论上相当不完善，有许多不确定性问题，IPCC的结论过于夸大；认为人造卫星并未观测到全球变暖趋势；地面观测的数据多受日益扩大的城市热岛效应的影响；认为百年升高03～06℃属于气候自然波动的幅度，不能证明是二氧化碳温室效应所致；等等。

不过，尽管如此，目前大气中二氧化碳的浓度和全球地表温度正迅速增加，以及温室气体增加会造成全球变暖的原理，都是不争的事实。我们如果等到问题发展到了人类可以明显感知的水平，而且不可逆转，那么就为时已晚。因此现在就必须引起高度重视，及时进行监测和诊断，以便采取对策，保护好人类赖以生存的大气环境。

如何应对全球变暖

至于全球变暖的对策，归纳起来主要有3个方面：

（1）减少目前大气中的二氧化碳。在技术上最切实可行的是广泛植树造林，加强绿化，停止滥伐森林，用光合作用大量吸收二氧化碳。其他还有利用化学反应来吸收二氧化碳，但在技术上都不成熟，目前经济上更难大规模实行。

（2）适应，这是无论如何必须考虑的问题。例如除了建设防护堤坝等工程技术措施外，有计划地逐步改变当地农作物的种类和品种，以适应逐步变化的气候。由于气候变化是一个相对缓慢的过程，只要能及早预测出气候变化趋势，适应对策是能够找到并顺利实施的。

（3）削减二氧化碳的排放量。这就是1992年巴西里约热内卢世界环境与发展大会上各国首脑共同签字的联合国《气候变化框架公约》的主要目的。公约要求发达国家到2000年把二氧化碳排放量降回到1990年的水平，并向发展中国家提供资金，转让技术，以帮助发展中国家减少二氧化碳的排放量。因为近百年来全球大气中二氧化碳浓度的迅速升高，绝大部分是发达国家排放的。发展中国家首先是要脱贫，要发展。发达国家有义务这样做。

但是，由于公约是框架性的，并没有约束力。而且削减二氧化碳排放量直接影响到发达国家的经济利益，有些发达国家不仅没有减排，甚至还在增排。因此，这些国家根本没有在2000年把二氧化碳的排放量降到1990年水平。

知识点气候变暖对中国的影响

全球的气候都在变暖，而且全球气候变暖既给地球带来了灾害，也带来了不少益处。那么，气候变暖给中国带来了什么呢？本节我们将着重讲一讲北京师范大学张兰生教授的研究结果。

气候变暖与经济繁荣

北京师范大学教授张兰生领导进行的题为“中国生存环境历史演变规律研究”的课题，是中国“八五”国家基础性研究中的重大项目。他们分析了1万年以来中国的气候变化，根据变化规律，他们将这1万年分为三个阶段，8500年前属于第一阶段；经过三次显著的阶段性增温后，在距今8500年左右，中国进入第二阶段——全新世暖期；3000年前，中国气候进入第三阶段，这个阶段的气温逐渐在波动中降低到现代的水平。

更有意思的是：3000年来，中国气候呈现出冷暖周期性的交替格局，和现代相比，有时更加温暖，有时更加寒冷。这种变化周期大约为300~500年。在总的降温过程中，冷期在明显增长。