大规模人类活动对气候的干扰

四、大规模人类活动对气候的干扰

自工业革命以来，尤其是进入20世纪以后，人类所支配的能量与排放的污染物迅速增加，人为活动对大范围气候影响的深度和广度也空前增强。人类在创造辉煌的物质文明的同时，大量环境退化及气候异常的事实也同样引起了人们的担忧。在中南美洲、东南亚及非洲，原始森林的破坏愈演愈烈，草原退化、土地荒漠化有增无减，大城市及工业密集区不断涌现，温室气体大量排放，卤代烷烃等物质对臭氧层耗竭的潜在威胁日益严重等，都将对全球尺度的气候变异产生深远的影响。人们在改造自然的努力中，有许多行为及计划在不同程度上都对气候产生了干扰。

更有甚者，早在半个世纪前就有人从事了“气象武器”(Meteorological Weapons)研究。他们企图把改变气候分布形式和某些灾害性天气过程用做克敌制胜的手段。试图通过播撒催化剂，使台风的能量重新分布并把台风路径引向敌区，造成灾害；设想人工影响臭氧层，利用核爆炸所产生的NO_x或将火箭发射到敌区臭氧层中，释放某些物质使O₃迅速耗竭，以伤害强紫外辐射下敌区的万物生灵；在云中撒播金属丝，改变云中的电场强度，造成一条无线电通道或弱电场通道，以利于飞行器通过；在敌国上空撒播能吸收太阳辐射的物质或吸收地面长波辐射的物质，使其境内产生严寒或酷热天气。此外，还有人工制造酸雨、人工诱发闪电等。上述设想付诸实施的后果，往往被自然天气过程所掩盖而具有一定的隐蔽性。可以断言，这些“气象武器”一旦被投入使用并被扩散，对人类生存环境的威胁并不亚于核武器，对生态环境和自然气候带来的可能冲击和破坏也将难以估算。

(一)大规模改造自然活动的气候影响

人类在长期的进化过程中，为了自身利益，进行了各种改造自然的活动：一方面改善了生态环境，使局地小气候朝符合人们意愿的方向发展；另一方面却在无意中对更大范围的环境系统带来了潜在的不利影响。由于后者的不明显性、复杂性、不确定性及其潜在的风险性，长期以来人们并未引起应有的重视。

修渠灌溉、种植防护林带以防风蚀，可能是人工改造局地气候的最早尝试。早在18世纪，英国诺福克便已开始建造防护林。中国的“三北”防护林体系是一项具有巨大经济效益和环境效益的生态工程，但它对更大范围的地-气系统将产生什么影响还有待进一步研究。

20世纪发展起来的一些局地、短时期的人工影响天气(Weather Modification)的措施正日益普及。如为使机场浓雾消散而设置局地强热源；为保护果园、苗圃免受冻害而施放烟幕；为人工增雨或消雹而在空中撒播AgI、干冰等各种凝结核；为使台风削弱而在其中心释放化合物等，迄今，这些“气象工程”还在不断发展。人工增雨、人工防雹、人工消雾、人工抑制雷电、人工防霜冻等的主要途径都是利用自然云雨过程中的不稳定平衡状态，通过播撒催化剂改变云雾结构的办法来影响其微物理过程和热力、动力结构。这些手段虽然可使局部天气现象朝着有利于人们预定的方向发展，达到防灾减灾、改善环境的目的，但是由于催化剂的大量使用可能干扰某些元素的区域甚至全球循环，因此，科学界对人工控制天气的效果和潜在影响尚存在着不同评价，它们对生物地球化学循环和气候系统将产生什么潜在的、持久的影响，迄今尚未引起足够的重视。

近半个世纪以来，一些国家先后提出了庞大的人工改造天气、气候的方案。Kellogg和Shneider在1974年曾总结过一些超大规模人工改造气候的方案(如建造白令海峡大坝、北冰洋消冰计划、南极冰山运输、非洲人造海、白令海峡巨型水闸、鞑坦海峡填海、在高层大气中播撒箔片以改变大气对太阳辐射的吸收能力等)，并指出在我们能够预报出大范围改造气候计划的长期影响之前，任何将此类计划付诸实施都有风险。

举世瞩目的长江三峡水利枢纽无论是在工程的浩繁、技术的复杂、对生态环境影响的深远方面，还是庞大的移民数量等方面，在世界水利工程史上都是空前的。它是长江流域经济开发的主干工程，直接影响到中、下游亿万人民群众的安危祸福。因而围绕着泥沙、移民、航运、防洪、发电、水工建筑、大型设备、生态与环境等七个方面的重大问题，曾进行了长期、反复的研究和论证。其中的专项评价包括全球变暖与区域气候变化模拟及风险评估，以期把长江流域的区域气候、水文、生态环境与全球变暖结合起来，探索大气增温效应可能给库区广大承雨面积上空温度场、湿度场所带来的变化，以及随之产生的旱涝时空分布、水汽输送、云系发展、暴雨生消与强弱等方面的一系列变化。通过前瞻性的评估工作，将填补人们以往认识上的某些空白。一方面使大坝安全、水库调度、电力供应、泄洪防洪的预期目标得以实现；另一方面使该超巨型水利工程与气候、水文、生态、环境得以保持持续协调发展的良性循环关系，为今后同类工作提供借鉴。

(二)下垫面性质变化的气候效应

人类的许多经济活动，诸如毁林开荒、营造防护林、围湖围海、湿地排水造田、大型水库兴建、道路建设、大规模城市化等，都会引起下垫面性质的改变，从而导致局地气候以及生态环境的变化。

1.植被对区域降水量的影响

森林是一种特殊的下垫面，这个“绿色海洋”对于维护地球系统的水分循环、物质循环和辐射平衡，改善局地气候与生态环境，保护生物多样性等均具有极其重要的作用。在历史上，全球森林面积曾占陆地总面积的2/3，但由于人口增加、经济发展、战争破坏等原因，到20世纪初该比例已下降到了37％。目前，除格陵兰和南极洲之外，全球森林覆盖率大约为25％。自1980年以来，工业化国家的森林面积略有增加，发展中国家的森林面积则减少了约10％(世界资源研究所等，2002)。

植被覆盖可增加地表吸收的太阳辐射能，减少地表向下传输的土壤热通量，降低地面有效辐射。在这三者共同作用下，地面向大气传输的感热通量增大，因而使大气边界层内的对流活动相应增强。一旦水汽条件适合，便可以形成对流性降水。一般在晴天的午后，指向大气的感热通量最大，对流性降水也最强。在干旱、半干旱地区，对流性降水在总降水量中占有相当大的比重，所以地表向大气传输的感热通量对局地降水至关重要。撒哈拉地区的研究证明，有植被覆盖后，降水量平均可增加43％。

2.下垫面对气候影响的途径

主要反映在感热通量变化和局地环流变化两方面。

(1)感热通量的变化。与裸地相比，白天植被覆盖减小了地面反射率，也减小了从地面向下传输的土壤热通量。因此，一般在有植被覆盖的区域，地面向上传输的感热通量比裸地要高1.5～2.0倍。由于感热通量是影响局地热力对流发展和对流性降水的一个重要因子，因而人为活动所导致的下垫面改变对于对流性降水也有影响。

(2)局地环流的变化。地表水分的水平差异是影响局地低层大气中风场的水平和垂直结构的重要因子之一。植被覆盖地表与干旱裸地之间的差异以及大面积灌溉地与干旱裸地之间的差异，可以引发出与海陆风环流相同量级的风速。植树造林和大面积灌溉等人类活动均可产生中尺度环流，具有潜在影响和改变局地气候的能力。

(三)热带雨林破坏与气候异常

热带雨林是陆地上物种最多、最稳定的生态系统，在地球演化的进程中具有极其重要的作用。它在维持区域水热平衡、促进生态系统良性循环、维持全球气候形式、供应氧气、保护生物多样性、净化空气、为工农业生产提供原料等方面对人类作出了难以估量的贡献。有人认为，热带雨林经光合作用固定的CO₂数量是整个陆地固碳量的25％。因而大肆破坏热带雨林必然会导致大气中CO₂含量的升高，进而引起全球变暖。滥伐森林对气候的影响主要是地表反射率增高，从而使近地层地-气系统的能量收支平衡关系产生变化。一般热带雨林的反射率为0.07，当其完全消失后则为0.25。

亚马孙河流域曾拥有世界2/3的热带雨林以及30％的陆地生物资源，其河水流量比密西西比河大11倍，是一个巨大的淡水资源宝库。巴西科学家推算该流域50％的降水是由原始森林产生的。所降下的雨量中约有一半汇入大西洋，另一半被土壤吸收。土壤中的水分再通过叶面蒸腾返回大气，构成水分循环中的重要一环。

(四)区域尺度灌溉的绿洲效应

对干旱及半干旱土地进行灌溉可使土壤热容量增大、水汽蒸发量增多，从而减小昼夜温差，提高空气湿度，形成与沙漠中绿洲相似的气候效应——“绿洲效应”(Oasis Effect)。大规模灌溉可使区域甚至全球气候发生变化。N.Rosin等曾报道了乌兹别克的对比观测结果：灌溉条件良好的Pakhta－Aral地区0.2～2m高度范围内的气温比周围半沙漠地区低3～5℃，相对湿度高25％以上，表面上土壤温度低13～15℃。这种绿洲效应的影响一直到200m上空仍清晰可辨。

Budyko认为绿洲效应引起地表反射率减小的平均幅度在10％以上，而1％的地表反射率即可导致地面平均温度改变2.3℃。2000年全球灌溉用水大约为3100km³，由此引起的云量、降水及地－气系统辐射收支的改变，将对全球气候产生不可忽视的影响。

生物圈与大气圈的相互作用是地球环境科学中最重要的研究课题之一。一些学者已对生态系统与气候系统的相互作用进行了数值模拟，比如BATS(Dickinson R.E.，et al.，1993)以及SiB(Seller P.J.，1996)，但至今似乎仍停留在起步阶段。

(五)海洋石油污染的“荒漠化”效应

几乎所有的污染物都可通过人工倾倒、船舶排放、战争破坏、石油开采等途径进入海洋。目前，全球每年倒入海洋的废弃物多达2×10¹⁰t，每年泄入海洋的石油约占全球石油总产量的0.5％。此外，陆源性污染、海上漏油、海底油田井喷等都会引起严重的海洋石油污染。日本近海、地中海(尤其是意大利)常常是全球海洋石油污染最严重的海域。

在海面上扩展的石油阻断了海－气之间O₂以及其他物质、能量的交换。海洋生物会因海水缺氧而窒息、中毒死亡。当海鸟接触到漂浮在海面上的油膜后，羽毛就会被粘住而不能飞翔。海洋动物若吞食了那些吸收了石油烃类的蜉蝣生物和藻类，或通过呼吸、饮水等途径将石油带入体内，则可能导致畸形或死亡。海水中如含有1％的柴油乳化液，海藻幼苗的光合作用将被完全阻断。一旦海区被石油严重污染，海洋生物需经过5～7年才能重新繁殖(李爱贞、刘厚风、张桂芹，2003)。

密度小于海水的石油进入海洋后会漂浮在海面并逐渐扩大。每升石油扩展后的面积可达1000～10000m²。这些银白色的油膜层能抑制海水蒸发，使海面空气干燥，并阻碍潜热的转移。从而使海面温度升高，加剧气温的月、年变化，削弱海洋对气候的调节作用，导致降水减少，天气异常，显著地改变下垫面的性质，特别是在比较闭塞的海面，如地中海、波罗的海、波斯湾和日本海等。它一旦出现在相对闭塞的海域，反应往往要比开阔的洋面更为强烈。地中海作为欧洲湿润气候与非洲干热气候的过渡带在气候学上具有重要意义，“海洋荒漠化”(Marine Desertification)效应一旦使地中海的过渡缓冲作用丧失，欧洲与非洲之间气候要素的不连续性现象将加剧，地中海上空的锋面活动将变得频繁，从而可能导致异常气候的产生。如果任凭海上石油污染继续发展下去，不但会给全球气候造成巨大的冲击，还将给海洋生态系统带来灾难。