人类活动对气候的影响

人类活动对气候的影响有两种：一种是无意识的影响，即在人类活动中对气候产生的副作用；另一种是为了某种目的，采取一定的措施，有意识地改变气候条件。在现阶段以第一种影响占绝对优势，而这种影响在以下三方面表现得最为显著：①在工农业生产中排放至大气中的温室气体和各种污染物质，改变大气的化学组成；②在农牧业发展和其他活动中改变下垫面的性质，如破坏森林和草原植被，海洋石油污染等；③在城市中的城市气候效应。自世界工业革命后的200年间，随着人口的剧增，科学技术发展和生产规模的迅速扩大，人类活动对气候的这种不利影响越来越大。因此，必须加强研究力度，采取措施，有意识地规划和控制各种影响环境和气候的人类活动，使之向有利于改善气候条件的方向发展。

一、改变大气化学组成与气候效应

大量观测资料显示，地球大气组成已经并将持续发生引人注目的变化。受人类活动影响的主要大气温室气体（CO2、CH4、N2O、近地面O3）的全球平均浓度已经从工业革命（1750年）以前的大约280ppmv、0.7ppmv、270ppbv和25ppbv分别增加到2002年的372ppmv、1.7～1.8ppmv、317ppbv和34ppbv（1ppmv＝1000 ppbv＝10-6体积分数）。大气温室气体浓度的变化有可能给地球气候和环境造成深刻的影响。其中，最重要的是增强大气“温室效应”。事实上，近250年来大气温室气体浓度变化所产生的气候变化辐射强度已达＋2.43W／m2，可能是造成全球变暖的主要原因。

大气CO2作为碳元素的一种形态，在地球大气、陆地生态系统、海洋以及岩石圈之间循环。化石燃料的使用和水泥生产等人类活动，直接向大气排放CO2，不仅导致大气浓度的升高，而且也打破了全球碳循环的自然平衡。CH4主要产生于沼泽地、稻田、垃圾处理场、反刍动物消化道等；N2O则主要来自施用氮肥的农田，以及森林、草原、动物废弃物和己二酸生产等。O3本来主要是平流层光化学反应的产物，但是近年来人为排放的大量一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、CH4和非甲烷烃（NMHC）等经过一系列大气化学反应，致使对流层O3浓度增加；而CFCs等含氯氟烃气体，由于在对流层不易分解，将直接进入平流层，并通过催化反应破坏平流层大气中的O3。目前，作为CFCs可能替代物的HCFCs和HFCs，以及PFCs和SF6等，虽然它们的排放量很少，但是在100～500年的时间尺度上，其中某些气体的全球增温潜能（GWP）是大气CO2的几千倍甚至1万倍以上，因此它们对全球气候和环境可能造成的影响不可忽视。

1.二氧化碳（CO2）

碳在较短的时间尺度上，主要以CO2的形式在地球陆地生态系统、海洋与大气三个碳库之间交换。据估算，在20世纪80年代，这三个碳库的碳储量分别为2万亿吨碳、38万亿吨碳和0.73万亿吨碳，而且每年陆地生态系统与大气之间以及海洋与大气之间的交换量高达1200亿吨碳和900亿吨碳。这就意味着，即使陆地生态系统与海洋的碳储量发生微小变化，也有可能导致大气CO2浓度出现巨大变化。研究表明，20世纪八九十年代，化石燃料燃烧和水泥生产等人类活动直接向大气排放的CO2达到53亿～64亿吨碳，其中大约一半滞留在大气中，造成大气CO2浓度的增加，剩余的约50%进入海洋和陆地生态系统，分别为17亿～19亿吨碳和2亿～14亿吨碳（图4-15）。值得注意的是，20世纪90年代与80年代相比，化石燃料燃烧和水泥生产等人类活动直接向大气排放的CO2每年增加了9亿吨碳左右，但其在大气中的滞留量和海洋吸收并无显著变化。这就意味着陆地生态系统必须（或者必定）吸收更多的人为CO2，并可将其归因于大气CO2浓度升高而产生的“增产效应”以及森林生态系统的恢复。

图4-15　夏威夷Mauna Loa观象台测量的大气CO2浓度逐年变化

2.甲烷（CH4）

1800年以前，大气中甲烷（CH4）的浓度约是0.7ppmv（1ppmv＝10-6体积分数）。目前它正以每年0.6%左右的速度增加。虽然现在CH4的浓度是1.7～2.0ppmv，远小于CO2的浓度372ppmv，但其温室效应却不可忽略，因为单位质量甲烷的全球增温潜能（GWP）约为二氧化碳的23～62倍。迄今为止，CH4对全球变暖的贡献仅次于CO2。

大气CH4约有80%来自地表生物源，20%来源于人为源。其主要自然源是天然湿地，人为源主要包括水稻田、反刍动物消化、动物粪便管理系统、生物质燃烧、天然气管道、油井和煤层泄漏、垃圾处理场等；对全球稻田CH4排放的估算每年大约2000万吨甲烷进入大气。大气CH4最主要的汇是大气中的OH自由基，可将CH4氧化。此外，森林和草原及旱地农业土壤也是大气CH4的汇。

3.臭氧（O3）

臭氧（O3）是一种重要的大气微量气体。O3在红外波段有许多振转吸收带，特别是在9.6μm处有一很强的吸收带，使之成为一种重要的温室气体，在对流层产生增暖效应。近地面O3对人类健康及地表生态系统有直接影响。近地面O3浓度增加对农作物生长发育造成影响，作物（油菜、小麦等）出现退绿、失水等急性伤害症状。O3已成为各国政府和科学家关注和研究的热点。

观测和研究结果表明，就全球总体而言，臭氧总量在减少。从20世纪60年代中期开始全球系统观测以来，全球柱总量年平均值最低发生在1992—1993年，比1980年以前低5%。其后，大气臭氧柱含量的减少趋势有所减缓，在1997—2001年期间大约比1980年以前低3%。但是，臭氧垂直分布的变化是不一致的，甚至呈现相反的趋势。WMO指出，对流层O3增加、平流层O3减少以及总量的减少是O3变化的全球趋势。一些研究显示，北半球中纬度地区的地面O3浓度比130年前增加了1倍多。对雨云7号卫星的TOMS全球O3资料分析后发现，南极上空O3总量呈现每10年减少20%的趋势，北极、南北半球中高纬度O3总量也存在明显下降趋势。利用地面观测资料的研究，也得到类似结果。自1979年以来的13年里，我国大气O3总量年平均递减率为0.077%～0.750%，递减程度随纬度增大而增加，在我国东北地区存在一个明显的递减高值中心。在青藏高原6月份出现了明显的臭氧总量低值中心，这个中心一直维持到9月份，同时在我国东北方向出现了明显的高值中心；10月份以后高原上空的臭氧低值中心逐渐消失。

1998—1999年在拉萨地区进行了大气臭氧、气溶胶及地面化学成分的加强观测，结果表明：①拉萨地区上空大气臭氧总量的长年减少趋势，实际上与整个北半球一致；②1979—2003年25年间拉萨地区（30.0°N，90.0°E）与同纬度西部波斯湾北部（30.0°N，50.0°E）及东部九州南部海洋上空（30.0°N，150.0°E）月平均臭氧总量的季节变化。波斯湾北部上空的大气臭氧总量比拉萨上空高10DU以上，但季节变化趋势非常类似；拉萨地区与东部的九州南部海洋上空相比，冬季与早春的臭氧总量实际上是相同的，仅夏秋季表现出明显不同；③拉萨地区大气臭氧探空的观测结果表明，即使在夏季，大气臭氧的垂直分布也与南极地区臭氧洞的情况明显不同。南极臭氧洞期间，臭氧总量的减少主要出现在中、下部平流层，而拉萨地区的大气臭氧廓线看起来却是“正常”的。因此，形成“青藏高原臭氧低谷”的机制值得进一步研究，有可能是高原上空下级对流活动加强的一种“自然”结果，也可能与其在大气中的化学变化有关。

4.氧化亚氮（N2O）

在大气中，氧化亚氮也是一种重要的温室气体，单位质量N2O的增温潜能是CO2的280～310倍。N2O排放源由自然源和人为源组成，前者包括海洋、天然森林、天然草地，后者包括农田（含施肥果园或林地）、动物废弃物、化石燃料燃烧、生物质燃烧、己二酸生产等。其中农业生产活动导致的N2O排放量占人为源N2O排放量的75%～80%。施肥农田是N2O最主要的人为排放源。迄今为止，我国在主要农作物种植区先后开展了一些N2O排放的田间观测研究；并观测到施入我国农田的肥料氮素，其N2O直接排放因子变化范围很大，介于0.002%～0.026 4%之间。

二、气溶胶

大气中的气溶胶主要源于自然界和人类活动的排放。自然气溶胶的来源包括地表源、大气自身产生和外部空间注入。最重要的自然气溶胶来源是地表源，其中有一些粒子来自地层深处，通过火山爆发进入大气，并可直达平流层。气溶胶粒子也可通过人为机制（有直接和间接两个途径）进入大气。人类活动排放的气体可以通过化学或光化学反应转化为气溶胶粒子。

1.自然气溶胶

对流层中的自然气溶胶主要来源于海洋、土壤、生物圈以及火山灰等，平流层中的气溶胶除了来源于火山灰之外，还源于陨石碎片和宇宙尘埃等。

空气中的总悬浮颗粒物（TSP）80%以上来源于自然环境中地面的排放。沙尘是对流层气溶胶的主要成分之一，在大气化学过程、生态过程以及地气系统能量平衡中起着非常重要的作用。据估计，2000年全球向大气排放的矿物尘埃达10亿～30亿吨，其中直径＜1μm的粒子约占5%，直径1～2μm的粒子占13.5%，而直径2～20μm约占81.4%。全球沙尘主要来自撒哈拉沙漠、美国西南部沙漠和亚洲地区。中国西北地区处于宽广的欧亚大陆中部，该地区被认为是大气中自然沙尘气溶胶的第二大源地（继非洲北部的撒哈拉大沙漠之后）。

近年来，我国北方经常发生的沙尘暴事件已对大气环境和气候产生了明显的影响，引起了科学家和社会各界的广泛关注。1983年6月，在银川用飞机对一次沙尘暴天气过程中的沙尘粒子浓度进行了测量，这是目前看到的沙尘暴期间进行飞机测量的最早也是唯一一次实验。沙尘粒子的质量浓度为1mg／m3，其中50%的粒子直径大于20μm，而3.6km高度有直径350μm的巨形粒子。在一般情况下，如果没有其他的大气净化过程，50%的沙尘粒子可随大气环流输送到1000km，20%的粒子可输送到10 000km。

海洋源气溶胶主要包括海洋表面由于风浪作用使海水泡沫飞溅而生成的海盐粒子，以及海洋生物生理活动产生的有机物通过海-气交换进入大气，并经一系列化学物理转化过程形成的液体或固体粒子等。2000年全球向大气排放的海盐粒子达到10亿～60亿吨，平均值为33亿吨。显然，此估计值的不确定范围很大。在气溶胶自然源中，海盐气溶胶占首位。其中，直径小于1μm的粒子只占总量的约1.6%，直径1～16μm的粒子占98.4%。尽管海洋气溶胶向陆地输送的距离相对来说不是太远，但全球1／3的人口居住在离海洋100km的范围内。海洋气溶胶对沿海陆地环境有着不可忽视的影响。

火山大规模爆炸性喷发后，进入平流层的大量气体形成气溶胶，这是平流层气溶胶的主要来源之一，同时它也会进入对流层。火山气溶胶被认为是地气系统气候变化中一个重要的外因。进入对流层和平流层的强火山喷发出的大量火山灰和气体随风飘浮，几年后才能消失。IPCC报告指出，1991年菲律宾皮纳图博火山喷发后约3个月，经过一系列化学和物理过程在平流层产生的硫酸盐气溶胶及其光学厚度达到峰值（0.55μm波长处为0.1），约4年后才返回到平流层气溶胶光学厚度的背景值0.003。

2.人为气溶胶

人为气溶胶是由人类活动产生的各种粒子，包括原生粒子和污染气体转换的次生气溶胶，主要来自化石燃料的燃烧、工农业生产活动等。工业革命以来，人类活动在向大气排放大量颗粒物的同时，还向大气排放大量的SO2和NOx气体。SO2和NOx在大气中通过化学反应逐渐转化成硫酸盐和硝酸盐粒子，形成次生气溶胶。自工业革命以来，这种污染气体形成的大气气溶胶有大幅度增加，主要源自人口众多的城市和工业发达地区。IPCC给出各种主要人为气溶胶前体物的年排放总量为1.09亿吨／年，其中北半球1.04亿吨／年，南半球500万吨／年。主要来源于化石燃料燃烧、生物质燃烧（秸秆燃烧、烧荒）、硫酸生产以及铜、铅、锌冶炼。硫酸盐是人为大气气溶胶细粒子的重要成分，特别是对于以燃煤为主要能源的城市和工业区具有特殊的重要意义。全球年平均人为SO2排放总量约为0.70～0.90亿吨硫／年，东亚地区占全球排放总量的16.7%～21.5%，我国大陆的排放占东亚排放量的78.8%，且100°E以东的我国东部经济发达地区排放占全国大陆总排放量的97.7%。导致大气中NOx净增长的主要来源是化石燃料燃烧、生物质燃烧、水泥生产、硝酸生产、农田施氮肥等。

黑碳和有机碳是大气气溶胶的重要组成部分，来源于燃料不完全燃烧排放的细颗粒物以及气态含碳化合物（沉积在固体颗粒物上）。黑碳气溶胶在从可见光到近红外的波长范围内对太阳辐射有强烈的吸收作用，其单位质量吸收系数要比沙尘高两个量级，因而，尽管黑碳气溶胶在大气气溶胶中所占的比例较小，但它对区域和全球气候的影响甚大。1995—1999年一个由250位科学家组成的国际科学工作组，对印度洋上空进行科学监测发现，一层3km厚，相当于美国大陆面积的棕色污染云层笼罩在印度洋、南亚、东南亚和我国上空。其中含有大量硫酸盐、硝酸盐、有机物、沙尘及其他颗粒污染物，被形象地称为大气棕色云（简称ABC）。目前，国际社会对此给予了极大关注（图4-16）。

图4-16　青海瓦里关地区大气黑碳气溶胶的增加

三、改变下垫面性质与气候效应

1.土地利用变化

土地利用的变化是多方面的，最突出的有破坏森林、坡地、干旱地的植被。

森林是一种特殊的下垫面，它除了影响大气中CO2的含量以外，还能形成独具特色的森林气候，能够影响附近相当大范围地区的气候条件。森林林冠能大量吸收太阳入射辐射，用以促进光合作用和蒸腾作用，使其本身气温增高不多，林下地表在白天因林冠的阻挡，透入太阳辐射不多，气温不会急剧升高，夜晚因有林冠的保护，有效辐射不强，所以气温不易降低。因此林内气温日（年）较差比林外裸露地区小，气温的大陆度明显减弱。

森林树冠可以截留降水，林下的疏松腐植质层及枯枝落叶层可以蓄水，减少降雨后的地表径流量，因此森林可称为“绿色蓄水库”。雨水缓缓渗透入土壤中使土壤湿度增大，可供蒸发的水分增多，再加上森林的蒸腾作用，导致森林中的绝对湿度和相对湿度都比林外裸地大。

森林可以增加降水量，当气流流经林冠时，因受到森林的阻障和摩擦，有强迫气流的上升作用，并导致湍流加强，加上林区空气湿度大，凝结高度低，因此森林地区降水机会比空旷地多，雨量亦较大。据实测资料，森林区空气湿度可比无林区高15%～25%，年降水量可增加6%～10%。

森林有减低风速的作用，当风吹向森林时，在森林的迎风面，距森林100m左右的地方，风速就发生变化。在穿入森林内，风速很快降低，如果风中挟带泥沙的话，会使流沙下沉并逐渐固定。穿过森林后在森林的背风面在一定距离内风速仍有减小的效应。在干旱地区森林可以减小干旱风的袭击，防风固沙。在沿海大风地区森林可以防御海风的侵袭，保护农田。森林根系的分泌物能促使微生物生长，可以改进土壤结构。森林覆盖区气候湿润，水土保持良好，生态平衡有良性循环，可称为“绿色海洋”。

根据考证，历史上世界森林曾占地球陆地面积的2／3，但随着人口增加，农、牧和工业的发展，城市和道路的兴建，再加上战争的破坏，森林面积逐渐减少，到19世纪全球森林面积下降到46%，20世纪初下降到37%，目前全球森林覆盖面积平均约为22%。我国上古时代也有浓密的森林覆盖，其后由于人口繁衍，农田扩展和明清两代战祸频繁，到1949年全国森林覆盖率已下降到8.6%。后来党和政府组织大规模造林，人造林的面积达4.6亿亩，但由于底子薄，毁林情况相当严重，目前森林覆盖面积仅为12%，在世界160个国家中居116位。

由于大面积森林遭到破坏，使气候变旱，风沙尘暴加剧，水土流失，气候恶化。相反，我国在解放后营造了各类防护林，如东北西部防护林、豫东防护林、西北防沙林、冀西防护林、山东沿海防护林等，在改造自然、改造气候条件上已起到显著作用。

在干旱、半干旱地区，原来生长着具有很强耐旱能力的草类和灌木，它们能在干旱地区生存，并保护那里的土壤。但是，由于人口增多，在干旱、半干旱地区的移民增加，他们在那里扩大农牧业，挖掘和采集旱生植物作燃料（特别是坡地上的植物），使当地草原和灌木等自然植被遭到很大破坏。坡地上的雨水汇流迅速，流速快，对泥土的冲刷力强，在失去自然植被的保护和阻挡后，就造成严重的水土流失。在平地上一旦干旱时期到来，农田庄稼不能生长，而开垦后疏松了的土地又没有植被保护，很容易受到风蚀，结果表层肥沃土壤被吹走，而沙粒存留下来，产生沙漠化现象。畜牧业也有类似情况，牧业超过草场的负荷能力，在干旱年份牧草稀疏、土地表层被牲畜践踏破坏，也同样发生严重风蚀，引起沙漠化现象的发生。在沙漠化的土地上，气候更加恶化，具体表现为：雨后径流加大，土壤冲刷加剧，水分减少，使当地土壤和大气变干，地表反射率加大，破坏原有的热量平衡，降水量减少，气候的大陆度加强，地表肥力下降，风沙灾害大量增加，气候更加干旱，反过来更不利于植物的生长。

据联合国环境规划署估计，当前每年世界因沙漠化而丧失的土地达6×104km2，另外还有21×104km2的土地地力衰退，在农、牧业上已无经济价值可言。沙漠化问题也同样威胁我国，在我国北方地区历史时期所形成的沙漠化土地有12×104km2，最近数十年来沙漠化面积逐年递增，因此必须有意识地采取积极措施保护当地自然植被，进行大规模的灌溉，进行人工造林，因地制宜种植防沙固土的耐旱植被等来改善气候条件，防止气候继续恶化。

2.海洋污染

海洋石油污染是当今人类活动改变下垫面性质的一个重要方面。据估计每年大约有10亿吨以上的石油通过海上运往消费地。由于运输不当或油轮失事等原因，每年约有100万吨以上石油流入海洋，另外，还有工业过程中产生的废油排入海洋。有人估计，每年倾注到海洋的石油量达200万～1000万吨。倾注到海中的废油，有一部分形成油膜浮在海面，抑制海水的蒸发，使海上空气变得干燥。同时又减少了海面潜热的转移，导致海水温度的日变化、年变化加大，使海洋失去调节气温的作用，产生“海洋沙漠化效应”。在比较闭塞的海面，如地中海、波罗的海和日本海等海面的废油膜影响比广阔的太平洋和大西洋更为显著。

此外，人类为了生产和交通的需要，填湖造陆，开凿运河以及建造大型水库等，改变下垫面性质，对气候亦产生显著影响。例如我国新安江水库于1960年建成后，其附近淳安县夏季较以前凉爽，冬季比过去暖和，气温年较差变小，初霜推迟，终霜提前，无霜期平均延长20天左右。

3.城市化

城市是现代人类活动的中心，下垫面变化最大，城市里人口密集，工商业和交通运输频繁，耗能最多，是大量温室气体、“人为热”、“人为水汽”、微尘和污染物排放源地。在上一章中有专门的介绍，这里不再叙述。