进入21世纪的气候变化科学--气候变化的事实、影响与对策

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，我国的气候变化趋势与全球气候变化的总趋势基本一致。近50年的气候变暖主要是人类使用化石燃料排放的大量二氧化碳等温室气体的增温效应造成的。现有的预测表明，未来50-100年全球和我国的气候将继续向变暖的方向发展。国际上，目前《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》正在就如何减缓这种气候变暖的趋势和控制温室气体排放进行谈判。本文依据IPCC第三次评估报告与国内外最新的研究成果，说明气候变化的事实与未来的可能变化，阐述冰冻圈对气候变化的响应，进而说明气候变化对生态系统和社会经济的影响，分析气候变化给我国带来的挑战和机遇并提出对策建议。     

全球气候变化的原因及其对策

全球气候变化问题正在全世界被广泛地讨论。尽管许多人半信半疑地接受了温室气体是全球气候变化的主要因素这一观点,但许多科学家仍然持怀疑态度,他们用大量的证据驳斥了这一观点,并认为自然驱动是全球气候变化的主要因素,但他们并没有找出具有说服力的自然驱动力。近来作者的研究也表明尽管温室气体能使局部地区短期出现变暖现象,但火山活动能改变地球的轨道,因而是引起气候明显变化的关键因素,这是一直被人们忽略的。如果一次大的火山喷发主要发生在夜晚,它可能导致全球变暖;如果它主要发生在白天,它可能导致全球变冷;特别地它还能使地球进入冰河时期或间冰期。如果我们要使地球变暖,就应该使火山喷发主要发生在夜晚;如果我们要使地球变冷,就应该使火山喷发主要发生在白天。我们再也不怕因气候变化引起的世界末日的到来。     

平流层极地臭氧损耗影响对流层气候的研究进展

大气平流层臭氧的严重损耗将导致到达地面的太阳紫外辐射增加已经是公共社会普遍关切的问题。最近几年,平流层臭氧损耗能否对对流层大气环流和气候产生重要影响也引起了广泛的重视,并且已成为大气科学的一个热点问题。观测研究表明近二三十年来在两极臭氧严重损耗的季节,地表气温有明显的变暖趋势,也就是欧亚大陆1—3月份和南极半岛12—5月份的地面温度呈现显著增温。这些增温趋势很可能是平流层两极的严重臭氧损耗造成的。当然,这些增温并非是由臭氧损耗的辐射效应直接造成的,而是通过波－流相互作用以及平流层－对流层相互作用等动力学过程实现的。大量的数值模拟工作也对此问题进行了研究,一些模拟结果与观测结果基本一致,另一些则发现平流层臭氧损耗的强迫作用较弱,也有模拟工作认为其他外界强迫如温室气体增加和热带海面温度升高也非常重要。作者综述了这一研究领域在近几年的最新研究进展,总结有关的观测分析和数值模拟结果,阐述平流层极地臭氧损耗可能影响地面温度的物理机制,以及澄清各种争论要点。     

最近150年气温升高的新认识

气象观测数据和地质记录数据显示最近150年气温呈升高趋势.研究了不同时间尺度气候变化与太阳辐射量变化之间的关系.结果表明:太阳辐射量变化是控制地球上气候变化的重要因素.根据地球轨道参数估算出来太阳辐射量变化,现今及未来约1万年太阳辐射量具有逐渐减少趋势,意味着气候逐渐变冷.最近150年气温升高包括人为因素和自然因素,IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)夸大了人类活动导致全球变暖的结果.在万年时间尺度上,最近150年气温升高可以看作是逐渐变冷大背景下的次级波动,气候变暖是短暂的过程.     

气候变化:一个不可阻挡的自然趋势

从五次IPCC的报告中,人们逐渐了解了"气候变化"这个概念,且多数人相信"气候变化"就是"全球变暖",是由人类活动(最主要的就是温室气体CO_2等的排放)造成的。然而在科学界,一直以来,IPCC的气候模型并没有被完全证实;自然因素还是人为因素导致了气候变暖并无确定结论,CO_2的增加是否导致全球变暖仍有异议。既然气候变化是不确定的,那么举证责任应该落在坚持人类导致了气候变暖的这些危言耸听者身上。NIPCC的几个报告对IPCC报告中的不合理之处进行了阐述,并通过大量数据,说明了自然因素对气候变化的作用。根据IPCC和NIPCC的报告,我们重点讨论了气候变化中的几个问题,包括气候是否在变化,是否人类活动造成了气候变化,为什么人们相信是人类活动造成了气候变化及我们应该以什么态度应对。我们更支持NIPCC的观点:气候变化更是一个政治问题,一个自然的趋势;气候是一个复杂的系统,其走势受多种因素影响,很难预测;人类活动可以影响气候,但并未证实其从根本上改变了气候的自然趋势。     

全球气候变化及冰期与间冰期交替的原因及其计算

许多科学家都怀疑温室气体的排放是全球变暖的主要因素，他们认为自然驱动才是全球气候变化的主要因素，但他们并未找出具有说服力的自然驱动力。于是作者研究了各种可能引起气候变化的自然驱动力，发现火山活动能改变地球的轨道，因而是引起气候明显变化的关键因素。其中主要推导了火山喷发改变地球转速的公式以及地球变速引起地球变轨的公式。根据这些公式，通过计算机的高精度计算可以发现一定规模的火山喷发确实能使地球变轨，从而使全球变冷或变暖，甚至进入冰期或间冰期。因此，解决了气候变暖以及冰期与间冰期交替的成因问题，并找出了相应的对策。     

迎接气候变化的挑战,促进我国可持续发展

 当前,全球气候变暖问题已经引起各界广泛关注。过去的１００多年,地球平均温度上升了０．３～０．６℃。我国北方地表温度也已显著变暖。近９０年来,东北地区冬季温度上升了０．５～１．０℃;华北地区建国以来年平均温度上升１．２℃。在全球变暖的同时,世界一些地区气候出现异常,旱涝和风暴增多。全球变暖还引起海平面上升。过去的１０００里,全球海平面升高了１８厘米,我国沿海一些地方由于地面沉降,海平面相对上升幅度甚至达到１００厘米以上。 研究表明,全球气候变暖的主要原因很可能是人类活动增加了大气温室气体浓度,致使大气低层“温室效应”不断加强。     

气候变化对河北省水资源总量的影响

利用近50 a河北省气候、水资源和预估资料,对气候变化与河北省水资源总量的关系进行了分析,结果表明:近50 a,河北省夏季降水量呈明显减少趋势,平均每10 a减少22 mm,年气温呈明显升高趋势,平均每10 a升高0.37℃.河北省气候暖干化趋势造成水资源总量明显减少,平均每10 a减少11.7%.多模式预估,到2050年,河北省年降水量将比1961—1990年增加约10%,年气温将升高约2℃,河北省水资源总量将增加15.3%.     

中国及世界风资源变化研究进展

20世纪以来.随着能源需求成倍增长,风能资源因其安全、清洁、丰富的特性已成为世界上增长最快的能源方式.有关风能资源可持续利用的近地层风和风能资源变化研究也逐渐开展起来.20世纪观测事实研究表明,①全球高纬度地区风速呈增大趋势,而中低纬度地区风速呈减小趋势变化;②中国近50年来年平均风速呈明显的减小趋势变化;⑨中国区域城市化发展、测站迁址及测风仪器的变更都对中国年平均风速的长期变化产生了一定影响,但都不是近50年来中国年平均风速呈显著减小趋势的主因;大气环流的变化才是造成中国年平均风速呈显著减小趋势的最可能原因.与风和风能资源预估相关的研究表明,21世纪由于人为温室气体排放增加和全球变暖,中国年平均和冬季平均风速和风功率密度将可能减小,夏季平均风速和风功率密度的变化不确定性较大.目前,利用气候模式模拟和预估近地层风速方面的研究才刚刚开始.今后还需要做大量和长时间的研究试验,才能得到更可靠的结论.     

中美两国应对气候变化政策与公众气候素养之比较研究

极端天气给人类的生产生活和经济发展带来了极为严重的影响,气候变化成为国际社会共同关注的问题。科学研究认为温室气体排放是造成气候变暖的主要原因。中美两国作为温室气体排放大国,减排国策对本国及国际社会都具有重要影响。而公众作为应对气候变化政策的参与者,一方面他们的认知会受到政府出台政策的影响,另一方面他们对气候变化问题的认知程度也会直接影响着政策的执行效果。通过比较中美两国应对气候变化政策的异同,分析两国民众对气候变化问题的认知状况,可以为制定气候变化政策提供更为合理的建议。     

关于大气臭氧问题的主要研究进展

大气臭氧是非常重要的温室气体,其在全球的分布具有不均匀性,受到人类活动的显著影响,近几十年来由于对流层臭氧增加造成正的辐射强迫会增加大气温室效应,而平流臭氧减少会使其吸收的紫外线辐射减少,为负的辐射强迫,使得平流层大气降温。因此关于大气臭氧浓度变化及其对气候的影响是非常复杂的,一直是科学界研究的热点和难点问题。自从20世纪50年代末到70年代就发现臭氧浓度有减少的趋势。1985年英国南极考察队在南纬60°地区观测发现存在大气臭氧层空洞;自此开始,大气臭氧问题引起了世界各国的极大关注,并给予很多研究。目前,平流层和对流层臭氧浓度的观测仍然是研究的重点。鉴于对流层臭氧浓度持续升高和平流层臭氧浓度的不断下降,以及他们在对流层和平流层大气温度中所起的不同作用,本文将主要针对近五年来大气臭氧相关的研究进展进行简要的综述,包括对流层和平流层臭氧浓度及其观测研究,和人类活动的影响等方面进行分述。最后给出目前研究工作的不足和未来工作展望。     

New proofs of the recent climate warming over the Tibetan Plateau as a result of the increasing greenhouse gases emissions

The Tibetan Plateau (TP, 75-105oE, 27.5-37.5oN) is the highest and largest highland in the world with a variety of climate and ecosystems. The TP exerts pro- found influences not only on the local climate and en- vironment but also on the global atmospher…     

亚印太交汇区低纬上空不同层次大气臭氧的时空变化分析

 利用ECMWF 195709~200208共45a的多层臭氧质量混合比月平均资料,详细分析了亚印太交汇区(AIPO)低纬地带上空平流层、对流层各层次上臭氧浓度的分布特征.结果表明:①区域上空对流层、平流层及臭氧总量大尺度特征均显著,纬度带分布特征明显;②对流层和平流层臭氧各个季节变化趋势相反,平流层臭氧和臭氧总量各个季节变化趋势一致;同一层次夏季臭氧浓度变化趋势与其他3个季节变化趋势相反;③区域上空20~3hPa是臭氧浓度的高值区,50~30hPa臭氧平均变化幅度最大;④对流层臭氧距平变化在整个高度上较为一致,正、负距平随季节绕赤道做南、北半球摆动,且存在季节性突变;⑤赤道上空有明显从平流层上层随季节逐渐往较低层传播的臭氧正负距平现象.     

平流层CH4的时空变化特征及其与O3的关系

 利用1991年10月到2005年11月的HALO₃E卫星观测资料,对全球70°S～70°N范围内平流层100hPa到1 hPa的大气CH₄混合比进行了时空特征分析.结果表明:①CH₄混合比在平流层是随高度上升而逐渐减小的.平流层中上层CH₄变化存在年循环,而平流层中下层CH₄变化存在半年振荡(SAO₃),且南半球平流层CH₄的季节变化振幅要大于北半球,特别是平流层中上层.平流层各个高度上的CH₄基本呈纬向分布,但是不同高度上分布特征有所差异;②平流层CH₄混合比变化存在3个月,10个月,准25个月和准45个月左右时间尺度的周期,但是3个月的短期变化和10个月的年循环只在1996年之前明显;③不同高度上,CH₄和O₃变化的相关关系是不同的,CH₄对O₃的破坏作用并不是存在于整个平流层,似乎是在有的高度上相关关系明显,有的高度上相关关系不明显.     

Direct and indirect effects of solar variations on stratospheric ozone and temperature

We have used a fully coupled chemistry-climate model (WACCM) to investigate the relative importance of the direct and indirect effects of 11a solar variations on stratospheric temperature and ozone. Although the model does not contain a quasi-biennial oscillation (QBO) and uses fixed sea surface temperature (SST), it is able to produce a second maximum solar response in tropical lower stratospheric (TLS) temperature and ozone of approximately 0.5 K and 3%, respectively. In the TLS, the solar spectral variations in the chemistry scheme play a more important role than solar spectral variations in the radiation scheme in generating temperature and ozone responses. The chemistry effect of solar variations causes significant changes in the Brewer-Dobson (BD) circulation resulting in ozone anomalies in the TLS. The model simulations also show a negative feedback in the upper stratosphere between the temperature and ozone responses. A wavelet analysis of the modeled ozone and temperature time series reveals that the maximum solar responses in ozone and temperature caused by both chemical and radiative effects occur at different altitudes in the upper stratosphere. The analysis also confirms that both the direct radiative and indirect ozone feedback effects are important in generating a solar response in the upper stratospheric temperatures, although the solar spectral variations in the chemistry scheme give the largest solar cycle power in the upper stratospheric temperature.     

Removal of chlorofluorocarbons by increased mass exchange between the stratosphere and troposphere in a changing climate

Chlorofluorocarbons (CFCs), along with bromine compounds, have been unequivocally identified as being responsible for most of the anthropogenic destruction of stratospheric ozone. With curbs on emissions of these substances, the recovery of the ozone layer will depend on their removal from the atmosphere. As CFCs have no significant tropospheric removal process, but are rapidly photolysed above the lower stratosphere, the timescale for their removal is set mainly by the rate at which air is transported from the troposphere into the stratosphere. Using a global climate model we predict that, in response to the projected changes in greenhouse-gas concentrations during the first half of the twenty-first century, this rate of mass exchange will increase by 3% per decade. This increase is due to more vigorous extra-tropical planetary waves emanating from the troposphere. We estimate that this increase in mass exchange will accelerate the removal of CFCs to an extent that recovery to levels currently predicted for 2050 and 2080 will occur 5 and 10 years earlier, respectively.     

Mechanism of stratospheric decadal abrupt cooling in the Early 1990s as influenced by the Pinatubo eruption

Studies have suggested that one volcanic eruption can influence seasonal to inter-annual climate variations.This study indicates that the Pinatubo eruption in 1991 may have actually induced the stratospheric decadal cooling recorded in the early 1990s.Using the NCEP/NCAR reanalysis and TOMS/SBUV satellite data,a decadal abrupt cooling of stratospheric tropical air temperature was found to have occurred in the early 1990s during a long-term descending trend.We generated the spatio-temporal structures of the decadal abrupt changes(DACs) for the stratosphere,and explored the relationship between the Pinatubo volcano eruption in 1991 and stratospheric DACs in the early 1990s.Our results suggest that the eruption of Pinatubo prompted a decadal decrease of ozone by the activation of nitrate and sulfate volcanic aerosols on ClO free radicals.The stratospheric heat absorbed by ozone decreased over a decadal time scale.As a result,decadal abrupt cooling of stratospheric tropical air temperatures occurred in the early 1990s,and may be attributed to the Pinatubo eruption.The results therefore indicate that one strong volcanic eruption can induce stratospheric decadal climate variation.     

Projected change in the relationship between East Asian summer rainfall and upper-tropospheric westerly jet

The authors analyzed the interannual variability in summer precipitation and the East Asian upper-tropospheric jet (EAJ) over East Asia under the Historical and Representative Concentration Pathways Scenarios (RCPs, including RCP4.5 and RCP8.5), using outputs of 17 Coupled Model Intercomparison Project phase 5 (CMIP5) coupled models. The analyzed results indicate that the models can reasonably reproduce relatively stronger interannual variability in both East Asian summer rainfall (EASR) and EAJ. These models can also capture the relationship between the rainfall anomaly along the East Asian rain belt and meridional displacement of the EAJ. Projected results suggest that the interannual variabilities in precipitation along the East Asian rain belt and in the EAJ are enhanced under the scenarios RCP4.5 and RCP8.5 in the 21st century, which is consistent with the previous studies. Furthermore, it is found that the relationship between the East Asian rainfall and the meridional displacement of the EAJ is projected to be stronger in the 21st century under the global warming scenarios, although there are appreciable discrepancies among the models.     

Ozone vertical variations during a typhoon derived from the OMI observations and reanalysis data

Typhoon is considered to play a key role in the dynamical exchange processes taking place between the troposphere and stratosphere. In this paper, the impact of typhoon on the ozone distribution in the upper troposphere and middle stratosphere is investigated using ozone profiles measured by Aura’s Ozone Monitoring Instrument and meteorological fields from reanalysis data. During the passage of Typhoon Hai-Tang in 2005 over the western North Pacific, low values of ozone column above 200 hPa and ozone mixing ratio between the upper troposphere and the middle stratosphere (from 200 to 50 hPa) are observed right above the typhoon’s track, a result due to the strong upward propagation of air associated with overshooting convection in typhoon. A comparative analysis of different stages of Hai-Tang suggests that in the region where typhoon has higher intensity the troposphere-to-stratosphere transport is enhanced. These results indicated that the typhoon has a significant impact on the ozone variation in the upper troposphere and the middle stratosphere.