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气候反馈机制

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浅谈气候反馈机制
摘要：一个完整的气候气候系统是由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五大部分组成。每个部分的及其组成部分都会对气候的形成和变化产生一定的影响，气候是各个部分相互作用相互影响形成的一个复杂系统。正因为气候是一个复杂系统，其中某一部分的变化就有可能引发其它因素产生一系列的变化，从而导致气候变化，而气候的变化也会加强（抑制）这种变化，即气候系统诸因素之间起着耦合或者相互组合的补偿作用，这种作用和关系即反馈机制。这种反馈可能是正反馈也可能是负反馈，反馈的周期有长有短。面对全球气候日益变暖的呼声，研究气候的反馈机制对于预测未来的气候变化趋势有重要的作用，为人类活动提供一个方向，实现人地关系的和谐。
关键词：气候系统、气候反馈、气候变化

1.引言
近些年来极地冰川融化，海平面上升，全球气候变暖日益成为全球变化研究的焦点，引起了各国政府和科学界的重视。为此国际上成立了一系列组织开展了一些列活动，来应对全球气候变暖问题，减少气候变暖的负面效应[1]。对于气候的变化原因和变化趋势都做了许多研究，在气候变暖和气候变冷的问题上一直是科学界争论的话题。准确的预测气候变化趋势，有助于找出合理的接决策略，减少人类活动的不确定性和盲目性，以减少损失，达到人与自然的和谐[ 2]。要准确气候变化趋势，就要对气候系统之间的相互作用相互影响的程度和机理进行准确地把握，正因为气候与气候系统的因子之间存在一种反馈机制，研究气候的反馈机制对于预测全球气候变化趋势有重要的作用。
气候系统是由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五大部分组成。系统中各个要素与气候间存在反馈机制，这种反馈可能是正反馈也可能是负反馈[ 3 ]。正反馈对气候变化起加强作用，负反馈对气候变化起抑制作用。正是因为气候的反馈机制使得气候呈周期性的变化，中国五千年来的每一个暖期和冰期的交替可能与气候间的反馈机制有关，由于初始因子不同，再加上人类活动的影响这种变化周期也会不同，气候的变暖与变冷可能是某一个时间尺度上的，从长时间尺度上在天文环境不变的前提下，气候应在某一平衡位置上不规律的周期性波动。事实上,人们至今对于这种调节机制并不十分清楚,如何用动力模式对它们进行定量研究是气象学、气候学、海洋学等领域内的科学家目前面临的一个重要任务。本文将列举一些可能的气候反馈机制,以作为最终必须包含到实际气候中去的耦合过程的例子。复杂程度不同的模式包含着反映不同现实程度的各种机制。本文就以气候的五大系统为主主线分析其与气候间的反馈机制。
1.大气圈与气候之间的反馈
1.1温室气体与气候间的反馈机制
二氧化碳等温室气体的增加将会增强大气逆辐射对地面起保温作用，使气温升高，气候变暖。气候变暖后动物的呼吸作用增强，将大量排放二氧化碳，海水的温度升高，单位海水中所吸收的二氧化碳量将减少，空气中的二氧化碳浓度升高，进一步增强温室效应使气候继续变暖。这就是温室气体对气候的正反馈作用。由于二氧化碳等温室气体使全球气候变暖，由于全球气候变暖一些的地区的降水量会增加温度会升高植被生长时间增长，生长状况变好将会使光合作用增强，吸收二氧化碳的能力增强，同时由于气候变暖岩溶作用和岩石风化作用会加强也会提高二氧化碳的吸收作用,导致空气中的二氧化碳浓度降低，温室作用减弱可能会只是气候变冷。这就是温室气体对气候的负反馈作用。
CO2主要是通过15微米附近的吸收对大气的热量平衡发生影响。因此,CO2浓度的变化
会改变大气对于红外辐射的不透明度。不管是在对流层内还是平流层内,这种影响都是非常重要的。据对全球CO2的测量表明 ,近70年来增加了10%。这自然会导致大气对地面长波辐射热量吸收的增多,估计这会使整个大气低层增温0.3度。虽然人们不断地进行一些敏感性研究,但还是需要搞清楚迄今被忽略的各种反馈机制的重要性。
1.2粉尘、气溶胶等的气候反馈作用
近年来气象学家的注意力已集中到大气气溶胶对地球气候的潜在影响这个问题上了，气溶胶通过对辐射的散射和吸收影响着太阳通量，地面上太阳通量密度只要有1%或2%的变化,就会对全球气候产生重大的后果。虽然气溶胶的散射和吸收总是减少太阳入射到地面的辐射,但是其吸收增加了气溶胶层本身的热能。气溶胶粉尘也会对太阳逆辐射产生影响，对地面具有保温作用。气溶胶或者粉尘是通过其他因素来对气候产生影响，气候的变化也会对粉尘和气溶胶的浓度产生影响。下面举例来说明，当气候变暖时，会使得干旱区蒸发更加强烈从而变得更加干旱会使地面植被发生退化，地面物质容易被风吹蚀是大气中悬浮物或者气溶胶粒子浓度增大，由于气溶胶和悬浮物质的浓度增大会散射太阳辐射是地面降温，减缓变暖趋势。这是负反馈作用。也会由于粉尘和气溶胶粒子的浓度升高是温室效应增大，使气候继续变暖，这是正反馈[20]。此外,气溶胶对于云的凝结过程也很重要,它不但会影响到云滴的吸收率,而且还会影响云滴的数量和大小,但是对这些机制目前了解甚少。
2.水圈对气候间的反馈
海平面升降对气候也有反馈作用。当冰期来临时，气候变冷，引起大陆冰盖的扩展，使得全球海平面降低，海洋面积缩小。据研究，末次冰期最盛期（大约18000年前）全球蒸发量减少15%，全球降水量减少14%，北半球降水量减少20%（CLIMAP,1976）。海平面的减低会使海洋面积缩小，使得蒸发区域减少，大陆地区的大陆度增大，气候变干。研究表明末次冰期最盛期（大约18000年前），中国东部大陆架广泛出露边缘海面积缩小850000平方公里，蒸发量减少89亿立方米（汪品先，1995）。当气候变暖，冰盖融化,海平面上升，海洋面积增大。海平面上升，是海洋面积增大，又导致全球的蒸发总量和全球气候变湿。气候的冷暖变化，将导致海水的温度降低或者升高，海水温度的升高或者降低将引起海水的收缩或者膨胀，从而导致海平面的升降。海平面的升降和温度的高低变化，将会导致洋流的变化，从而通过海气相互作用导致大气环流和气候的变化。气候变化引与海平面升降相互作用，相互影响，构成气候与海平面之间的一个反馈机制。
水汽含量与气候间也存在一种反馈机制。当气候变暖，地面温度升高，由于地面蒸发作用增强，在地面水源充足的地区，大气中水汽的含量会增加。大气中水汽增加将会使大气吸收更多的地面长波辐射，从而使大气温度升高，气候变暖。反之也成立，这是正反馈机制。实际上水汽含量和气候之间也存在一个负反馈机制。当气候变暖，地面温度升高，地面蒸发加剧，在水源充足的地区，大气的水汽含量将会增大，云量增加。云量的增加又会是到达地面的太阳辐射减少，气候变冷。反之当气候变冷，地面温度降低，地面蒸发减弱，大气的水汽含量将会减少，从而导致云量的减少。云量的减少，将会使到达地面的太阳辐射增加，气候变暖。
3.冰雪圈与气候反馈
冰雪与水面、陆地表面相比,具有较高的反射率,这是支配极地地区气候的一个主要因子。但是,‘地球表面冰雪覆盖的面积却大大取决于气温。因此,如果全球温度下降,就会导致地球表面冰雪覆盖持续增大,从而引起全球反射率增加,这样又使地球一一大气系统所吸收的太阳能量减少,从而又使温度进一步下降。但是,冰雪覆盖一一反射率一气温的这种藕合作用还必质与有可能改变上述结论的其他过程结合起来看[18]。仅当有以雪的形式出现的大量降水时,冰雪覆盖与局地气温之间的这种正反馈机制才能发挥。
下面举例来说明冰雪圈与气候间的反馈机制，当气候变冷，就会导致极地和高山冰雪覆盖面积增大，由于冰雪面的反射率比较大，使得到达地面太阳辐射被反射，实际吸收的量将减小，从而使气候继续变冷；或者当气候变暖，会导致极地和高山地区冰雪覆盖减少，地面反射率减少，使得地面吸收的太阳辐射增加，气候变暖。这是冰雪圈与气候间的正反馈作用。冰雪圈与气候间也存在负反馈作用，当气候变冷时，或导致高纬度地区的洋面或者湖面结冰，由于湖面于洋面的结冰会产生一系列环境效应。阻断了洋流，阻断了南北的洋流热量输送，从而导致中高纬度地区气候变冷，增大了洋面的反射率，使得地面接受的太阳辐射减少，引起气候的变冷，阻断了洋面的水分蒸发，使得气候变干燥，封冻洋面由于缺乏氧气与太阳辐射生物生产率将会大幅度降低[19]。哟与生物光合作用的减弱会导致吸收二氧化碳的量减少，使得大气中的二氧化碳的浓度升高，气候变暖洋面和湖面解冻。这就是冰雪圈与气候的负反馈机制。
4.岩石圈和生物圈对气候的反馈机制
由于生物大多数是活动在地球表面的，与岩石圈相互联系相互作用，共通过构成了一切特殊的表层，陆地生态系统。因此考虑综合考虑它们对气候的反馈机制。由于自然和人为原因使得地球表面各地区的岩石圈表面覆盖植被类型和利用方式不同，会导致对气候的影响也不同[9]。植被对于气候具有重要的反馈作用，植被通过陆-气间水分、能量、动量的交换过程和CO2、CH4排放等各种生物物理和生物化学过程对气候产生直接或间接的影响。气候学家则主要是基于温室气体、气溶胶、太阳辐射的变化等因素引起的行星能量和大气环流的改变来认识气候变化的，同样认为植被不具有影响气候的能力[17]。植被主要通过改变地表能量、水分和物质交换等方式，对局地、区域乃至全球尺度的气候产生影响。大范围砍伐森林后，降水有减少趋势，而降雨强度有所增加[16]，雨日、雨型也发生了不同程度的变化。数值模拟显示，植被增加使得地表粗糙度增大，动量通量、感热通量有所增加，蒸散发加强，地表反照率减小，地表净辐射增加，地表温度升高；绿色地球和沙漠地球之间的温度、降水都存在明显的差异，植被的存在使得陆地表面蒸发散增大了三倍以上，降水增加两倍，温度下降8℃[10]。也有研究发现在热带地区植被恢复可以减缓气候变化，但是在高纬度地区却使气候变暖加。
岩石圈与气候之间也存在反馈作用，当全球气候变暖，会使温度升高，会导致岩溶作用加强和岩石风化作用加强，会增加地质碳汇作用，从而会使大气中二氧化碳浓度降低，气候变冷。气候变冷会使温度减低，岩溶作用和岩石风化作用减弱，将会使碳的吸收量减少浓度增加，会是温室效应增强，气候变暖。这是一个岩石圈对气候的一个简单反馈机制。
5.气候反馈机制的敏感性
所谓敏感性研究就是用气候的数学模式估计气候对外部强迫作用或气候系统内部反馈机制的灵敏度。例如,用热量平衡模式估算CO2增长速度对大气温度的影响等。要正确预测气候变化就要对气候系统及其组成要素对气候反馈的敏感度进行准确的评估。下面是一些关于一些要素对气候反馈的敏感度研究成果[8]。我国的黄土高原．在实施水土保持 措施前其反射率的数值约 0．2 5，而水土保持措施后的反射率约为0．2 0 ( 前者参考覆盖细土粒、粘土荒漠表面 、平坦表面 、 黄沙土 、 灰沙土等；后者参考有植被或农田的数值) [6] 。下垫面反射率改变了5％左右。数值模拟显示，植被增加使得地表粗糙度增大，动量通量、感热通量有所增加，蒸散发加强，地表反照率减小，地表净辐射增加，地表温度升高；绿色地球和沙漠地球之间的温度、降水都存在明显的差异[14]，植被的存在使得陆地表面蒸发散增大了三倍以上[11]，降水增加两倍，温度下降8℃。Betts考虑农田和牧场草地面积的变化，采用HadAM3大气环流模式模拟得出土地利用变化的辐射强迫为-0.18 Wm-2,相对潜在植被为-0.24 Wm-2，研究发现温带和北方地区的人工造林缓减气候变化的措施会加剧气候变化，因为反照率辐射强迫的增温作用强于碳封存辐射强迫的降温作用[5]。
6．气候反馈研究存在的问题及建议
气候反馈机制的灵敏度研究尚不成熟，某一要素的变化会对气候的影响程度研究缺乏准确性和有效地数据[13]。在研究气候反馈机制是仅考虑某一个或者几个因素对气候的影响，通常考虑的是直接影响，而实际上气候系统中各个要素是相互联系的相互影响的，一个要素的改变可能会引起它要素的改变共同影响气候的改变。气候反馈机制还缺乏足够的理论支撑和实验数据。气候系统及其要素对气候的反馈存在正负双重作用，综合起来是否会导致气候的大幅度波动尚待研究。在研究的气候反馈的机制时要从全球考虑，目前的研究仅限于某些小的地区。因此今后在研究气候反馈机制时要从大的尺度进行研究，从全球范围内进行数据的选取和观测[12]。在研究某一要素的反馈机制时要综合考虑气候系统的完整性，综合考虑它们的综合反馈和相互之间的影响，要加快气候反馈的敏感度研究才能准确的预测气候的变化趋势，以减少人类活动的盲目性，实现人与自然的可持续发展，气候反馈为气候变化研究提供一种思路，预测气候变化是要考虑在内，才能提高准度。由于在大的宇宙环境不变的情况下，气候变化相对处于稳定，由于存在气候反馈机制，气候总是沿着一个平衡点上下不规则的波动，在研究气候变化中不能仅依靠短时期的数据便进行预测，要考虑适当的时间尺度。
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