近百年气候变化及可能的自然影响因素研究进展

陈幸荣，张志华，蔡怡

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

1 引言

近年来，关于全球变暖，人们首先想到的是人类活动对它的影响。IPCC在2007年第四次评估报告中[1]，对最近50年气候变化主要是由人类活动影响结论的可信度，已由原来66%的最低限提高到目前的90%,指出人类活动“很可能”是导致气候变暖的主要原因。虽然人们确信人类活动是造成目前气候变暖的主要原因，但是从20世纪气温变化分析来看，大致可以分为3个阶段，20世纪初到50年代气温上升，50—70年代气温下降和70年代—21世纪初的气温再次上升。而事实上自二次大战结束以后，全球工业化迅速发展，大气中二氧化碳的含量也在迅速增加，但是全球气温在这一时期（50—70年代）却是下降的，而这一时期正是全球火山活动较频繁时期。另外，如果我们把近百年气候变化放到近千年的气候变化中去看，对于过去千年的温度变化，目前的研究结果虽然还不是那么确定，但是在大家比较认可的Mann et al[2],Jones et al[3],Crowley et al[4],Briffa et al[5]和王绍武等人[6]所作的千年温度曲线中有一致之处在于，从15世纪后半叶到17世纪均存在小冰期，而从11世纪到12世纪气温也是比较高称为中世纪暖期，因为这两个气候事件均发生在人类活动可能产生明显影响之前，所以人们都把它们归之于自然气候变化。目前的研究表明，直到20世纪80年代，全球气温的变化并没有超过中世纪暖期气温的自然变率，因此人类活动并不能解释20世纪全球气温变化的全部，可以肯定其它的自然因素，在20世纪的气候变化中仍然产生了影响。因此，近年来关于自然气候变率在目前气候变化中的影响也成为研究全球变暖的一个重要方面。

2 百年时间尺度气候变化

2.1 近百年时间尺度全球气候变化

IPCC在第四次评估报告中[1]指出，最近100年（1906—2005年）全球平均地表温度上升了0.56℃—0.92℃。统计表明,自1850年以来最暖的12个年份中有11个出现在1995—2006年（除1996年外）,20世纪可能是近千年中地表增温速率最大的一个世纪,90年代可能是近百年中最暖的一个10年,1998年是同期最暖的一年。过去50年升温率几乎是过去100年的2倍。表1[7]为IPCC历次评估报告提供的观测近百年全球气温变化趋势，从表中可以看到，随着观测资料的推后，全球平均温度的增温幅度在加大，表示随着时间，全球温度变暖在加剧。图1[8]为全球平均温度、海平面和北半球积雪变化。Jones P D等[9]通过对1861—2000年全球地表平均气温距平（相对于1961—1990年平均值）变化分析发现,自20世纪50年代以后，全球地表温度海和海平面都比20世纪的前50年增加要快，在时空变化上，1976—2000年,全球地表冬季平均气温升高最为显著。特别是北半球中高纬度地区更为明显,春季的增温幅度次之,秋季最弱。

表1 全球温度变化（℃/100 a）

关于全球陆地降水的变化，不同的资料给出的结果相差比较大。赵宗慈等[10]分析了全球6套不同来源的降水资料后认为，20世纪全球年平均降水没有明显的变化趋势，但是对于降水空间分布的变化还是比较明确的。北半球中高纬度地区降水增加明显,30°—85°N地区平均增幅7—12%,且以秋、冬季节增加最为显著;南半球（0°—55°S）可能增加了2%左右;相反,副热带地区（10°—30°N）可能减少了3%,非洲北部、南美的沙漠地区减少更为明显。20世纪后期,北半球中高纬度地区的极端强降水事件的频率可能增加了2—4%,亚洲和非洲的部分地区干旱的频率和强度增加[11-12]。

对于海洋的变化，1961年以来的观测资料表明,全球海洋温度的增加已延伸到至少3000 m深度,1961—2003年世界海洋的总热容量增加了大约14.2±2.4×1022J[13-14]，20世纪全球海平面上升约0.17 m[15]。

图1 温度、海平面高度和北半球积雪变化；a:全球平均地表温度；b:由验潮站和卫星资料得到的全球平均海平面上升;c:3—4月北半球积雪，气候平均为1961—1990年平均

图2 中国20世纪年平均气温距平变化曲线

2.2 近百年时间尺度中国气候变化

我国近百年的气候也发生了明显变化。总体来说,这种变化的趋势与全球气候变化的趋势一致[16-20]。近100年中国的平均气温上升了(0.6±0.1)℃。其中,20世纪20—40年代我国平均气温持续偏高,50—80年代初气温有所下降,80年代中期开始又持续增温，90年代是近百年来最暖时期之一,仅次于20—40年代。表2[7]是不同来源观测的近百年来中国气温的变化，图2[16]是20世纪中国平均气温距平随时间的变化。从图2和表2中可以看到，与全球气温变化一样，20世纪后50年中国的气温上升要比20世纪前50年快，升温主要发生在1910—1950年和1970—2000年这两个时间段。与全球平均温度变化一样,近100年来中国的增温也主要发生在冬季和春季,而夏季却有微弱变凉趋势[20-22]。研究发现:1951—2000年中,我国大陆35°N以北地区年平均气温变暖显著于35°N以南,即呈现“北暖南寒”的形式,35°N以北地区冬季的变暖速率显著大于夏季和年平均气温的升温速率[17]。

关于20世纪中国降水变化赵宗慈等[10]分析了四套降水资料，近百年三个时段降水变化趋势分析见表3[10]，在百年时间段内中国降水无明显的变化趋势，而在近25年时间段，降水略有增加，在降水空间分布的变化上，降水大范围明显的增加主要发生在西部地区,其中以西北地区尤为显著[23]，长江中下游到华南地区雨量呈增加趋势,高值中心在长江中游地区[24-25]，而华北降水则出现干旱化趋势，呈现“北旱南涝”的模式。

表2 观测的中国近百年温度变化[7]

表3 综合4套资料计算中国和东亚年总降水量在3段时期变化线性趋势[10]

对于中国近海海洋的气候变化，由于资料等因素的限制，我国学者的研究工作相对比较少。潘蔚娟[26]等发现华南近海的月和年平均SST皆以上升趋势为主，年平均SST最近44年的线性增长率为0.12—0.19℃/10年，冬半年的上升幅度普遍高于夏半年。冯琳等[27]对东海近60年的海温分析发现，在东中国海SST具有明显的长期升高的线性变化趋势,平均每年升高0.015℃,1945—2006年共升高了0.9℃。另外，蔡怡等[28-29]通过近40年的数值模拟发现，在太平洋热带环流是减弱的，而中高纬度的环流是加强的。

3 影响气候变化的可能自然因素

影响地球气候系统变化的因子很多,但一般可分为自然因子和人类活动两大类。就自然因子而言,主要指太阳活动、火山活动及气候系统内部的多尺度振动。

3.1 太阳活动

关于太阳活动（so1ar activity）对于地球气候和大气环流的影响,人们从不同角度进行了探索[31-35]。就百年时间尺度的变化来看，太阳活动主要表现为76年世纪周期、22年磁周期和准11年太阳黑子周期[36],目前有可靠记录的太阳辐射时间比较短，图3[37-38]给出了1979—2005年太阳辐射随时间变化。从图中可以看到最明显的周期是11年周期，而且这两组不同的数据来源在九十年代以后还是有很大的区别。太阳活动对气候的影响既有增温方面又有冷却作用，宇宙射线是一种高能带电粒子流，不断轰击地球，在大气中产生带电离子，这些离子像一个个磁体，吸引水蒸气凝聚，最终形成云。而云层可将太阳光反射到太空，可以起到冷却地球的作用，它对气候的影响是负的，目前欧洲粒子物理研究中心（CERN）正在进行的CLOUD项目就是研究宇宙射线和大气中水滴形成的关系。其次是太阳磁场活动，如果处于太阳活跃期，太阳磁场活动增强，将偏转宇宙射线撞击地球的方向，形成较少云层，从而导致地球的温度上升，它对气候的影响是正的。另外，近期研究结果表明[39-43]太阳磁场方向变化也是太阳活动影响地球气候十分关键因素,研究认为太阳磁场南向时期与北向时期,将对应着地球磁层获得太阳辐射能量异常偏多时期和异常偏少时期。但目前尚不清楚上述这些机制能对地球气候变暖产生多大影响。目前只有太阳辐射强度对气候的影响是比较明确的，但是有学者认为总太阳辐射的连续直接观测至今只有28年，其辐射量从最小到最大的周期循环变化率只有0.08%，并且无显著长期趋势。计算得到的太阳输出（从1750年）造成的直接太阳辐射强迫（RF）0.12 w/m2。比温室气体的RF要小得多（2.3 w/m2）[8]，所以太阳辐射的变化不是引起近代气候变暖的主要原因。我国学者曲维政等[44]研究了太阳磁场活动对北半球夏季平流层中部气温异常变化的关系，发现太阳磁场磁性指数曲线与滤除CO2影响的北半球10 hPa大气温度距平曲线变化趋势基本一致，太阳磁场强度和磁场方向变化对它的方差贡献率达21%。

图3 太阳辐射随时间变化

3.2 火山爆发

火山爆发对气候最直接的影响是火山云灰达到大气层上层形成气溶胶，它的直接表现是气溶胶光学厚度增加，减弱了太阳辐射，从而降低了地面的温度。关于火山爆发所产生的气溶胶对于气候的影响，目前许多研究表明有以下四种影响：第一，它直接影响地球的辐射平衡，从而影响地球的温度；第二，影响水平和垂直方向热量变化，改变平流层和对流层环流；第三、，影响气候系统的内部变率，如ENSO、NAO等；第四，影响平流层的臭氧分布，图4[45-46]是关于火山爆发总可见光厚度随时间变化。从图中Sato和Ammann所做的资料来看，两者还是存在比较大的差别。在目前气候变化的归因研究中认为，本世纪50—70年代的全球温度下降，一个主要原因就是火山爆发引起大气中气溶胶含量增加造成的。我国学者曲维政[47]等研究了火山活动对热带高空温度变化的影响，发现火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa，火山活动将引起平流层大气升温、对流层大气降温。另外研究发现[48-55]火山爆发可能产生北方冬季的变冷和降水减少，火山除了在高纬爆发以外，随后会有北大西洋涛动（NAO）的正位相，导致欧亚冬季变暖，抵消气溶胶产生的全年平均变冷，另外，火山爆发的气溶胶和温室气体能够改变NAO。

图4 火山爆发总可见光深度随时间变化

3.3 海气相互作用

地球气候系统变化的另一个影响因素是气候系统内部的海气相互作用。随着观测数据的增长，人们从近百年的各种观测资料中，研究发现了不少关于气候的年代际变率。如从全球气温的变化中发现存在15—35年、50—150年和65—70年等振荡，特别是20世纪70年代的中后期（1976/1977年），全球许多地区，如太平洋、中国等区域，都发生了明显的年代际变化，这就是在年代际海气相互作用中一个非常重要的现象—太平洋海温年代际振荡（PDO）引起的。对于气候年代际变化产生的原因，人们从资料诊断、模式模拟和动力学探讨等方面都做了大量研究。特别是经过CLIVAR计划近10年的研究，目前对于百年以下时间尺度的气候年代际变率，比较一致的研究结果是在不考虑外力的情况下，年代际的气候变率主要与热带海洋的强迫、中纬度的海气相互作用、大洋的温盐环流、热带—中纬度的相互作用和海气之间的随机强迫作用这五个方面有关，也就是说对于百年以下时间尺度的年代际气候变率，主要与海洋及海气相互作用有关。这是因为在海气耦合系统的变化中，由于海洋有着巨大的热惯性和动力惯性,能够通过海气相互作用对大气运动进行调谐，高频大气变化被减频,耦合波的频率变低后再作用于大气,通过海气相互作用，使它们的频率降低。但是目前人们并不清楚高频大气运动如何通过海气相互作用减低为低频的气候变率。

3.4 其它的可能影响

对于影响气候变化的另外一些因子，虽然这些学说不是占主导地位，但是也有不少的研究，在国内研究比较多的是关于郭增建的“深海巨震调温说”[56-59]。2004年印尼地震海啸后,全球低温冻害和暴雪灾害频繁发生。郭增建认为海洋及其周边地区的强震产生海啸,可使海洋深处冷水迁到海面,使水面降温,冷水吸收较多的二氧化碳,从而使地球降温。另外还有潮汐调温说，即强潮汐把海洋深处的冷水带到海面,使全球气候变冷；还有人认为[60]海洋中中等尺度的涡旋能把海底的碳和营养物质“吸”上来，这些碳并没有重新沉落海底，而是作为有机物质进行了再循环，它们残留在海水的表面，并且最终以二氧化碳的方式进入地球大气。另外，地震学者卢振权（2001）等[60]人的研究发现,地震前会出现低空大气温度、地面温度和卫星热红外异常,累积增温达可达2°—10℃之多。另外，有人认为大气二氧化碳增加，导致全球气温和海温上升，而海温的上升又会影响海洋对二氧化碳的吸收，从而使大气二氧化碳存留增多，又加剧全球气温的上升。但是这些学说还缺少大量的观测资料支持和令人信服的机制研究结果。

4 小结

我们对于近百年的气候变化特征进行综述，并对太阳活动、火山爆发以及海气相互作用等自然因素对近百年气候变化的影响作了详细的总结。

（1）最近100年（1906—2005年）全球平均地表温度上升了0.56°—0.92℃，中国的平均气温上升了（0.6±0.1）℃，但是20世纪全球和中国年平均降水没有明显的变化趋势；

（2）目前关于气候变化的自然因素主要有太阳活动、火山爆发和气候系统内部海气相互作用对于气候变化的影响，但是关于它们是如何影响气候变化的问题，还存在很大的不确定性。

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