气候变化的因素

气候的形成和变化受多种因子的影响和制约，图4-11表示各因子之间的主要关系。图中C、D是气候系统的两个主要组成部分，A、B则是两个外界因子。由图4-11上可以看出：太阳辐射和宇宙-地球物理因子都是通过大气和下垫面来影响气候变化的。人类活动既能影响大气和下垫面从而使气候发生变化，又能直接影响气候。在大气和下垫面间，人类活动和大气及下垫面间，又相互影响、相互制约，这样形成重叠的内部和外部的反馈关系，从而使同一来源的太阳辐射影响不断地来回传递、组合分化和发展。在这种长期的影响传递过程中，太阳又出现许多新变动，它们对大气的影响与原有的变动所产生的影响叠加起来，交错结合，以多种形式表现出来，使地球有史以来气候的变化非常复杂。

图4-11　气候变化的因子

一、太阳辐射的变化

太阳辐射是气候形成的最主要因素。气候的变迁与到达地表的太阳辐射能的变化关系非常密切，引起太阳辐射能变化的条件是多方面的。

（一）地球轨道因素的改变

地球在自己的公转轨道上，接受太阳辐射能。而地球公转轨道的三个因素——偏心率、地轴倾角和春分点的位置都以一定的周期变动着，这就导致地球上所受到的天文辐射发生变动，引起气候变迁。

1.地球轨道偏心率的变化

上一章节中已有所述，到达地球表面单位面积上的天文辐射强度是与日地距离（b）的平方成反比的，地球绕太阳公转轨道是一个椭圆形，现在这个椭圆形的偏心率（e）约为0.016。目前北半球冬季位于近日点附近，因此北半球冬半年比较短（从秋分至春分，比夏半年短7.5日），但偏心率是在0.00～0.06之间变动的，其周期约为9.6万年。以目前情况而论，地球在近日点时所获得的天文辐射量（不考虑其他条件的影响）较现在远日点的辐射量约大1／15，当偏心率e值为极大时，则此差异就成为1／3。如果冬季在远日点，夏季在近日点，则冬季长而冷，夏季热而短，使一年之内冷热差异非常大。这种变化情况在南北半球是相反的。

2.地轴倾斜度的变化

地轴倾斜（即赤道面与黄道面的夹角，又称黄赤交角）是产生四季的原因。由于地球轨道平面在空间有变动，所以地轴对于这个平面的倾斜度（ε）也在变动。现在地轴倾斜度是23.44°，最大可达24.24°，最小为22.1°，变动周期约4万年。这个变动使得夏季太阳直射达到的极限纬度（北回归线）和冬季极夜达到的极限纬度（北极圈）发生变动（图4-12）。

图4-12　黄赤交角变动时回归线和极圈的变动

当倾斜度增加时，高纬度的年辐射量要增加，赤道地区的年辐射量会减少。例如当地轴倾斜度增大1°时，在极地年辐射量增加4.02%，而在赤道却减少0.35%。可见地轴倾斜度的变化对气候的影响在高纬度比低纬度大得多。此外，倾斜度愈大，地球冬夏接受的太阳辐射量差值就愈大，特别是在高纬度地区必然是冬寒夏热，气温年较差增大；相反，当倾斜度小时，则冬暖夏凉，气温年较差减小。夏凉最有利于冰川的发展。

3.春分点的移动

春分点沿黄道向西缓慢移动，大约每21 000年，春分点绕地球轨道一周。春分点位置变动的结果，引起四季开始时间的移动和近日点与远日点的变化。地球近日点所在季节的变化，每70年推迟1天。大约在1万年前，北半球在冬季是处于远日点的位置（现在是近日点），那时北半球冬季比现在要更冷，南半球则相反。

上面三个轨道要素的不同周期的变化，是同时对气候发生影响的。米兰柯维奇曾综合这三者的作用计算出65°N纬度上夏季太阳辐射量在60万年内的变化，并用相对纬度来表示。例如，23万年前在65°N上的太阳辐射量和现在77°N上的一样，而在13万年前又和现在59°N上的一样。他认为当夏季温度降低4～5℃，冬季反而略有升高的年份，冬天降雪较多，而到夏天雪还未来得及融化时，冬天又接着到来，这样反复进行，就会形成冰期。他还绘制成65°N纬度上夏季辐射量在60万年内的变化（用相对纬度表示）图，并在图上标出第四纪冰期中历次亚冰期出现的时期。后按米兰柯维奇的思路，利用大型电子计算机重新计算在距今100万年以前至100万年以后65°N的相对纬度（图4-13），图中相对纬度在68°N以上时涂黑，表示冰期，并标出过去定出的冰期。其计算结果大体上对过去第四纪中几个著名的冰期均有明显的反映。

图4-13中还给出今后100万年由于太阳辐射量的变化还将出现的多次亚冰期和亚间冰期。气候变化受多种因子的制约，这仅是因地球轨道因素改变而引起的太阳辐射量变化的一个值得参考的因子。

图4-13　过去100万年及未来100万年65°N的相对纬度

（二）火山活动引起大气透明度的变化

到达地表的太阳辐射的强弱要受大气透明度的影响。火山活动对大气透明度的影响最大，强火山爆发喷出的火山尘和硫酸气溶胶能喷入平流层，由于不会受雨水冲刷跌落，它们能强烈地反射和散射太阳辐射，削弱到达地面的直接辐射。据分析火山尘在高空停留的时间一般只有几个月，而硫酸气溶胶则可形成火山云在平流层飘浮数年，能长时间对地面产生净冷却效应。据历史记载，1815年4月初Tambora火山（8.25°S，118.0°E）爆发时，500km内有三天不见天日，各方面估计喷出的固体物质可达100～300km。大量浓烟云长期环绕平流层漂浮，显著减弱太阳辐射，欧美各国在1816年普遍出现了“无夏之年”。据Bryson（1977）估计，当年整个北半球中纬度气温平均比常年偏低1℃左右。在英格兰夏季气温偏低3℃，在加拿大6月即开始下雪。再从我国华东沿海各省近500年历史气候资料中可见，在1817年8月11日赣北彭泽（29.9°N，116.0°E）见雪，木棉多冻伤。皖南东至县（30.1°N，117.0°E）在同年8月14日降雨雪，平地寸许。在我国中部夏季有两处以上出现霜雪记载的这类严重冷夏在1500—1865年间竟有35年。这说明“六月雪”是确有其事的，它们绝大多数出现在大火山爆发后的两年间。

20世纪以来，火山强烈喷发后，太阳直接辐射（Q）的减弱有实测记录可查。例如，Santa-Maria火山（14.8°N，91.6°W，1902年）1903年Q比1902年下降15%；St-Helen火山（46.2°N，122.2°W，1980年）1980年我国5站Q下降15%。

1991年6月菲律宾Pinatubo火山爆发是近80年来最强的一次。在热带地区（20°S～30°N）火山爆发后3个月后气溶胶厚度达到峰值，直到1993年5月（亦即约两年后）恢复到正常。南北半球中纬度（40°～80°N，40°～60°S）气溶胶光学厚度的峰值出现较晚，但均在春夏之际。显然，气溶胶光学厚度增大，太阳辐射削弱的程度亦增大。有资料证明，1992年4—10月北半球两个大陆气温距平在-0.5～1.0℃之间。由此可见1990年和1991年曾经是近百年来最暖的两年，但1992年全球平均下降了0.2℃，北半球下降0.4℃。不少学者认为，这主要是Pinatubo爆发的影响。

火山爆发呈现着周期性的变化，历史上寒冷时期往往同火山爆发次数多、强度大的活跃时期有关。Baldwin等（1976）指出，火山活动的加强可能是小冰期以至最近一次大冰期出现的重要原因。Bray（1977）则指出，过去200万年间几乎每次冰期的建立和急剧变冷都和大规模火山爆发有关。例如，在1912年以前的150年，北半球火山爆发较频，所以气候相对地比较寒冷。1912年以后至20世纪40年代北半球火山活动很少，大气混浊度减小，可以吸收更多的太阳辐射，因此气温增高，形成一温暖时期。

总之，火山活动的这种“阳伞效应”是影响地球上各种空间尺度范围为时数年以上气候变化的重要因子。

（三）太阳活动的变化

太阳黑子活动具有大约11年的周期。据1978年11月16日到1981年7月13日雨云7号卫星（装有空腔辐射仪）共971天的观测，证明太阳黑子峰值时太阳常数减少。最近富卡尔和马利安（1986）的研究指出，太阳黑子使太阳辐射下降只是一个短期行为，但太阳光斑可使太阳辐射增强。太阳活动增强，不仅太阳黑子增加，太阳光斑也增加。光斑增加所造成的太阳辐射增强，抵消掉因黑子增加而造成的削弱还有余。因此，在11年周期太阳活动增强时，太阳辐射也增强，即从长期变化来看太阳辐射与太阳活动为正相关。

据最新研究，太阳常数可能变化在1%～2%。模拟试验证明，太阳常数增加2%，地面气温可能上升3℃，但减少2%，地面气温可能下降4.3℃。我国近500年来的寒冷时期正好处于太阳活动的低水平阶段，其中三次冷期对应着太阳活动的不活跃期。如第一次冷期（1470—1520年）对应着1460—1550年的斯波勒极小期；第二次冷期（1650—1700年）对应着1645—1715年的蒙德尔极小期；第三次冷期（1840—1890年）较弱，也对应着19世纪后半期的一次较弱的太阳活动期。

二、宇宙-地球物理因子

宇宙因子是指月球和太阳的引潮力，地球物理因子是指地球重力空间变化，地球转动瞬时极的运动和地球自转速度的变化等。这些宇宙-地球物理因子的时间或空间变化，引起地球上变形力的产生，从而导致地球上海洋和大气的变形，并进而影响气候发生变化。近年来这方面的研究工作正在大力开展，在我国已有专著出版。

月球和太阳对地球都具有一定的引潮力，月球的质量虽比太阳小得多，但因离地球近，它的引潮力等于太阳引潮力的2.17倍。月球引潮力是重力的0.56‰～1.12‰，其多年变化在海洋中产生多年月球潮汐大尺度的波动，这种波动在极地最显著，可使海平面高度改变40～50mm，因而使海洋环流系统发生变化，进而影响海-气间的热交换，引起气候变化。

天文观测证明，地轴是在不断地移动的，地球自转速度也在变动着，这些都会引起离心力的改变，相应地也会引起海洋和大气的变化，从而导致气候变化。据研究，厄尔尼诺事件的发生与地球自转速度变化有密切联系。从地球自转的年际变化来看，1956年以来发生的8次厄尔尼诺事件，均发生在地球自转速度减慢时段，尤其是自转连续减慢两年之时。再从地球自转的月变化来看，1957年、1963年、1965年、1969年、1972年和1976年6次厄尔尼诺事件，无论是海温开始增暖和最暖的时间，都发生在地球自转开始减慢和最慢之后或处在同时，表明地球自转减慢有可能是形成厄尔尼诺的原因。其物理原因在于，上述6次厄尔尼诺增温都首先开始于赤道太平洋东部的冷水区，海水和大气都是附在地球表面跟随地球自转快速向东旋转，在赤道转速为最大，达465m／s。当地球自转突然减慢时，必然出现“刹车效应”，使大气和海水获得一个向东的惯性力，从而使自东向西流动的赤道洋流和赤道信风减弱，导致赤道太平洋东部的冷水上翻减弱而发生海水增暖的厄尔尼诺现象。1982—1983年和1986—1987年2次厄尔尼诺事件，海水增暖首先开始于赤道中太平洋，这两次地球自转开始减慢时间虽落后于海温增暖，但对其后的赤道东太平洋冷水区的增温以及厄尔尼诺增温抵达盛期，仍有重要贡献。

三、下垫面地理条件的变化

在整个地质时期中，下垫面的地理条件发生了多次变化，对气候变化产生了深刻的影响。其中以海陆分布和地形的变化对气候变化影响最大。

1.海陆分布的变化

在各个地质时期地球上海陆分布的形势也是有变化的。以晚石炭纪为例，那时海陆分布和现在完全不同（图4-14），在北半球有古北极洲、北大西洋洲（包括格陵兰和西欧）和安加拉洲三块大陆。前两块大陆是相连的，在三大洲之南为特提斯海。在此海之南为冈瓦纳大陆，这个大陆连接了现在的南美、亚洲和澳大利亚。在这样的海陆分布形势下，有利于赤道太平洋暖流向西流入特提斯海。这个洋流分出一支经伏尔加海向北流去，因此这一带有温暖的气候。从动物化石可以看到，石炭纪北极区和斯匹次卑尔根地区的温度与现代地中海的温度相似，即受此洋流影响的缘故。冈瓦纳大陆由于地势高耸，有冰河遗迹，在其南部由于赤道暖流被东西向的大陆隔断，气候比较寒冷。此外，在古北极洲与北大西洋洲之间有一个向北的海湾，同样由于与暖流隔绝，其附近地区有显著的冰原遗迹。

图4-14　晚石炭世全球海陆分布

例如，大西洋中从格陵兰到欧洲经过冰岛与英国有一条水下高地，这条高地因地壳运动有时会上升到海面之上，而隔断了墨西哥湾流向北流入北冰洋。这时整个欧洲西北部受不到湾流热量的影响，因而形成大量冰川。有不少古气候学者认为，第四纪冰川的形成就与此有密切关系。当此高地下沉到海底时，就给湾流进入北冰洋让出了通道，西北欧气候即转暖。这条通道的阻塞程度与第四纪冰川的强度关系密切。

2.地形变化

在地球史上地形的变化是十分显著的。高大的喜马拉雅山脉，在现代有“世界屋脊”之称，可是在地史上，这里却曾是一片汪洋，称为喜马拉雅海。直到距今约7000万～4000万年的新生代早第三纪，这里地壳才上升变成一片温暖的浅海。在这片浅海里缓慢地沉积着以碳酸盐为主的沉积物，从这个沉积层中发现有不少海生的有孔虫、珊瑚、海胆、介形虫、鹦鹉螺等多种生物的化石，足以证明当时那里确是一片海区。由于这片海区的存在，有海洋湿润气流吹向今日我国西北地区，所以那时新疆、内蒙古一带气候是很湿润的。其后由于造山运动，出现了喜马拉雅山等山脉，这些山脉成了阻止海洋季风进入亚洲中部的障碍，因此新疆和内蒙古的气候才变得干旱。

四、大气环流变化

大气环流形势和大气化学组成成分的变化是导致气候变化和产生气候异常的重要因素。例如近几十年来出现的旱涝异常就与大气环流形势的变化有密切关系。在20世纪五六十年代，北半球大气环流的主要变化，就是北冰洋极地高压的扩大和加强。这种扩大加强对北极区域是不对称的，在极地中心区域平均气压的变化较小，平均气压的主要变化发生在大西洋北部区域，最突出的特点是大西洋50°N以北的极地高压的扩展，它导致北大西洋地面偏北风加强，促使极地海冰南移和气候带向低纬推进。

根据高纬度洋面海冰的观测记录，在北太平区域海冰南线与上一次气候寒冷期（1550—1850年）结束后的海冰南线位置相差无几，而大西洋区域的海冰南线却南进甚多，这是极地高压在北大西洋区域扩大与加强的结果。

北极变冷导致极地高压加强，气候带向南推进，这一过程在大气活动中心的多年变化中也反映出来。从冬季环流形势来看，大西洋上冰岛低压的位置在一段时间内一直是向西南移动的；太平洋上的阿留申低压也同样向西南移动。与此同时，中纬度的纬向环流减弱，经向环流加强，气压带向低纬方向移动。

从1961—1970年这10年是经向环流发展最明显的时期，也是我国气温最低的10年。在转冷最剧的1963年，冰岛地区竟被冷高压所控制，原来的冰岛低压移到了大西洋中部，亚速尔高压也相应南移，这就使得北欧奇冷，撒哈拉沙漠向南扩展。在这一副热带高压中心控制下，盛行下沉气流，再加上前述的生物地球物理反馈机制，因而造成这一区域的持续干旱。而在地中海区域正当冷暖气团交绥的地带，静止锋在此滞留，致使这里暴雨成灾。