全球变化的主要科学问题

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1、第1 8卷 第4期1994年7月大气科学SCIENT IAATMO SPHE R IC ASINICAVol.18,JulyN0.419 94全球变化的主要科学问题叶笃正符涂斌(中国科学院大气物理研究所,北京1 00080 )提要本文 概要地介绍了全球变化国际研究计划发 展的现状,论述了它的科学目标,从地球系统维持 和运行机 制变化规律以及人类对环境的影响等方 面分 析了需要进一步研究的主要科学问题,指出了实现全球变 化研究目标的关键措施。关键词:全球变化;地球系统科学。一引吉、甲娜卜 J自地球诞生之日起,它的环境就在不断变化。在人类出现之前,这种变化纯粹是受自然推动力支配的。例如,近百万年来

2、,冰期和间冰期交替出现,其周期大约为1 0万年。现在普遍认为此种周期是地球轨道参数(黄道偏心率,黄赤交角和岁差)的周期性变化的结果 l 。自人类诞生之日起,人 类就开始干预了地球环境的演变过程。当然在初始时期人类对环境的干预是微不足道的。然而在古 罗马时代,地中海大部分森林已被破坏叭在中国,黄土高原的森林大约在春秋战 国后期已大部分被破坏l 3 。人类活动开始显著地影响生态环境。但是,直到工业革命以前,这种影响还只是局部的。随着人类社会的发展,人类对环境的影响日益增长。早在1972年,联合 国 召开了著名的“人类环境大会”,号召各国政府关注环境问题。但是,当时的注意力还仅限于一个国家和一个地区

3、 的问题,其学科范围主要限于地球科学的各个分支。今天,人类对全球环境问题的严重性、复杂性以及人类 自身对环境影响程度的认识达到 了一个新的高度。全球环境问题已成为人类社会持续发展的一个 中心议题。(l )人类赖以生存的环境是由大气圈、水圈、陆圈和生物圈组成的地球系统的整体行为。在这几个圈 的非常复杂的非线性相互作 用下,人类生存环境继续不断地向前演变。可以说,过去几十年内,人 类对影响地球环境的物理过程和它们之间的联系的认识有很大的长进。但是,全球环境问题要求把物理、化学和生物过程联系起来,研究有生命的行为和无生命的行为 的相互作用,其 中也包括人类本身。正是这种相互作用控制着19 9 3年4

4、月9日收到,1 9 93年9月8日收到修改稿。4期叶笃正等:全球变化的主要科学 问题地球环境的演变。( 2)到现阶段,人类是引起地球环境演变的一个最活跃的 因素。今天,人类活动对环境的影响能力在某些方面已经可以 同自然界的推动力相比,甚至超过它。人对环境的影响不仅是局地的、区域的,而且是全球性的。例如,化石燃料的燃烧、反 当动物的大量饲养和水稻的大量种植等等,大大地增加了大气中温室气体的含量,从而可能影响全球的气候。根据I Pc c的报告 4 。二氧化碳和甲烷含量在1 8世纪之前相对比较稳定,此后缓慢上升,2 0世纪中期之后上升速度急剧增加。氧化氮含量 自1 8世纪中叶就开始上 升,20世纪

5、中期之后猛烈增加。cFcl l在193 0年之前在大气中几乎不存在,5 0年代 之后它的含量直线上升。工业化以来它们的年平 均的增长 速率为:C O:为0 .5%;CH;为o9%;CFCll为4%;CFC12为40 , 0,NZo为0.250 , 03。大气中温室气体 含量的增加将导致气候的变化。如以全球地面平均温度的变化来表示,根据气候模式的计算,随着温室气体的增加全球平均温度亦将上升。图1是186 1一199 0年间全球平均温度的演变 5 。虽然资料来源不一,有些地区资料也缺乏,但这是经过世界各国的专家们努力,在目前水平下最完备的代表性曲线。该图基本上给出 了全球地面平均气温(包括陆地和海

6、洋)变化趋势。可以肯定地说,过去百年来全球温度升高了0 .3一0 .6 oC(误差 小于士0 .05 oC)。这 个数值与三维 气候模 式预报的结果相当吻合。最新的结果表明,8 0年代是近百年来最暖的十年,199 0和199 1年更是两个最高温度年。近百年来,高山冰川平均是后退的 6 1,海平面高度也是升高的 4 ,这些现象说明地球平均温度是升高的。当然,由于近百年来地球增暖 的数值与 自然的气候变率相 当,我们还不能肯定观测到 的全球增暖就是由于温室效应引起的。c Fcs不仅 是温室 气体,这类气0.60.4口。除留一一 一体输送到平流层,还可以引起那里臭氧含量的减少,以南极最为明显,称之谓

7、“南极臭氧洞”现象 7 。近年来发现,除热带以外,两半球中高纬度地区气柱内臭氧总含量均有显著减少趋势 5 。臭氧含量的减少会增加到达地面的太阳紫外辐射,从而对人类和动植物产生严重的危害。又如农业、林业和其他各种土地和水体利用,工业活动、废物处理等严重地影响了陆 地及沿 海的生态系统,进而引起动植物生产力、水资源和大气化学的变化。这些变化有的直接、的减少,给人 类带来严重的 危害。1 87 0图118 901 9 1019 3 01950197019 90年186 0年以来 全球地面平均气温变化1 5 1有的间接地造成酸雨的发生,平流层臭氧含量更引起人 们注意的是,自然界引起的地球环境变化在一定

8、程度上带有循环性质,亦即变坏(对人 类不适宜)之后,还会变好。例如,气候的冷暖、干湿等的交替出现等。然而,人 类作用的影响,如果不加控制,不进行自身的调节,则往往是单一方向的。例大气科学18卷如,工业化引起的大量二氧化碳排放,将可能使大气中的二氧化碳浓度越来越高。即使人类在某个时间之后停止一切影响地球环境的活动,、如停止燃煤(这是不可能的),在其后的一个相当长的时间内,大气也不会返回其原来状态,如恢复到工业化之前的二氧化碳水平。人们认识到 了这个非常严峻的事实。这是一个全球性的共同问题。(3 )人类应该也有能力通过调节自身的行为保护环境,并引导地球环境朝着有利于人类生存的方向发展。人类社会的发

9、展,科学和 技术的进步,为 人类研究和控制全球 环境问题提供了可能。例如,卫星遥感技术有可能从整体上来监测地球环境的变化;高速大容量的计算机有能力传送处理全球环境变化的 巨大信息,诊断和模拟复杂的、高度非线性的地球系统的演变,进行全球环境变化的预测;高度发展的工业技术可以为环境工程提供最先进的设备和方法,以控制环境发展的方向。地球环境变化有各种时 间尺度。但是,对人 类社会最迫切的具有现实意义的是几十年到百年的尺度,这关系到 当代和今后几 代人的生存环境。在这样的时间尺度,由自然因素引起的环境变化振幅相对地较小,这种缓慢的环境变化可以看作为一种相对稳定的状态。而人类活动产生的环境变化,在强度上

10、甚至超过了这种缓慢变化,成为主要因素。例如,10 0年内地球平均温度的变化通常不超过0 .5,但是由于大气中温室气体量变化所造成的50一10 0年内的气候变暖可以达到1.5一4I 5 。因此,从某种意义上来说,在这样一个时间尺度上,控制环境变化的主动权在人类本身。但人类能否很好地使用这个主动权是个非常复杂的社会问题。如何实现环境和经济持续发展,是一个很困难的科学研究问题。现在人类还刚刚开始注意这些问题。然而在这样一些基本认识的指导下,从7 0年代开始世界科学团体经过长期准备酝酿,建立了以整体地球为对象的空前规模的 国际合作研究计划,即全球变化研究,成为当代世界科学的一个前沿领域。各国 的政治家

11、们也在讨论这个问题。二、全球变化研究的科学目标全球变化研究人类赖以生存的整个地球系统维持和运转的机制,它的变化规律以及人类活动对地球环境的影响,从而提高人们对未来几十年至百年尺度地球环境变化的预报能力。它包括了三个相互作用过程的研究:(l )地球系统各组成部分之间的 相互作用,即大气圈、水圈、陆圈和生物圈之间的相互作用;( 2)地球系统中三大基本过程,物理过程、化学过程和生物过程之间的 相互作用;(3 )人与环境的相互作用、即人类活动对地球系统及其演变的影响程度和方式,以及环境因素对人类社会持续发展的影响。因此,全球变化研究强调从总体上来研究整个地球系统的行为。在方法论上,它突破了传统的学科界

12、线,不仅强调地球 系统非生命行为之间的相互作用,而且希望从生命世界同非生命世界之间的联系上,揭示地球系统的变化规律和机理。同时,它十分强调人在环境变化中的作用,发展 自然科学同社会科学之间的相互结合,希望人类不断调节4期叶笃正等:全球变化的主要科学问题自身的行为中,使环境朝着有利于人类社会的方 向发展。围绕着全球变化研究的总目标,经过长期的酝酿和可行性研究。已经形成了相 互联结各有重点的三个国际计划。(l)世界气候研究计划(wo rld C limateRese a r ehPr ogr amme,简称wCR P),它是 由国际科联(InternationalCou ncilof scient

13、ineunio n,简称Iesu)和世界气象组织(Wo rldMeteorologie alorgniz ation,简称wMo)联合主持的,以研究物理气候为主要对象的 国际计划。这个计划从7 0年代开始酝酿,8 0年代开始执行,是开展得较早的一个计划,主要研究地球系统 中的物理过程。(2)国际地圈一生物圈相互 作用计划(Intern atio naloe o sphe r e一Br o sphe r ePro-g ram me,简称IGBP ),它是由 国际科联主持的,主 要研究 生物地球化学子系统,以 及这个子系统与物理气候子系统的相互作用。这个计划从8 0年代初开始酝酿,进行可行性论证,

14、于19 86年正式提出科学计划,1990年转入执行阶段,暂定为1 0年。(3)全球环 境变化的 人文科学研究(HumanDime sionofGlobalEnvironme ntalC ha nge,简称HDP/GEC),它是由国际社会科学理事会(Inte rn atio nalSo cialSeien eeCo un ci l,简称I SSC)主 持的,从社会科学的角度来研究全球环境变化的一个国际计划,主要研究人类活动对环境的影响以及环境变化对人类社会发展的制约作用。它是最近几年才提出的一个科学计划,将逐步转入实施。上述三个研究计划,围绕着一个总的 目标,就是逐步减少我们对地球系统演变规律(

15、包括自然的和人为的)认识中的不确定性,从而对未来环境发展趋势,提出科学的预测意见,为全球环境问题上的宏观决策提供科学依据,也为各国政府在资源开发利用、环境保护和治理等方面政策的制定,提出 咨询建议。这就是政府 间气候变化委员会(Intergo V e rmentpa n elf orC limatieC hange,简称xPe e)的任务。它是由联合国环境署(UNEP )领导的。因此,三个计划 的研究成果,就是I PC C的工作基础。图2概括了WCRP,IGB P,HDP/GEC和IPC C的 工作领域和它们之间的关系。世界气象组织世界气候研究计 划:I物理气候子系统国科联攀球变化。 。,科学

16、研羹世 界气 象 组织联合国 环境暑国际地圈一生物圈计划:生物地球化学 子系统政政府 间气候候 变变 化委员会全球环境战略国际社科联全球变化的人文科学计划:人与地球相互作用全 球变化的社会科学研究图2全球变化研究的主要 国际计划及其相互关系示意大气科学18卷三、全球变化 的科学问题为了实现全球变化研究的科学目标,首先要弄清楚其中的科学 问题是什么。根据现有的知识,有以下的科学问题需要回答。WC R P,IGB P和HDP/GEC等国际研究计划正是围绕着这些科学问题来组织项目和课题的。从根本上来说,全球变化是地球系统内在的 动 力和热力作用 以及这种作用对外部作用力响应所决定的。对于几十年到百年尺度变化来说,地球系统可以看作 由慢变化和快变化两个 系统组成,快变化系统由大气,陆面和上层海洋组成,慢变化系统由下层海洋及深海环流,冰川和冰盖等组成。快系统是驱动地球系统其他部分的热机,供给动量、水和能量。如云控制着行星反射率和可到达地面的辐射能量,驱动大气运动,同时也是供给生物生长的主要能源。蒸发和降水控制地球水循环,也控制着地球上生物和需要的淡