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1、1温室气体与气候变化摘要：随着人类社会经济的发展，环境问题越来越突出，温室气体与气候变化更是成为国际社会关注的焦点。根据政府间气候变化专门委员会 IPCC 第四次评估报告，在过去一百年内，即 19062005 年全球平均气温上升了 0.74，最近 50 年升温约为每 10 年升高 0.13，是过去 100 年升温的 2 倍，未来 20 年全球气温还会以每 10 年 0.2的速度上升。全球变暖不可避免会引发一系列连锁反应，不管是海平面上升还是极端气候增多，其后果都不容忽视。本文将从温室气体和城市热岛两个角度来分析气候变化，对与之相关的盖亚假说也有较详细介绍。关键词：温室效应温室气体源和汇城市热岛
2、气候变化盖亚假说一、温室效应原理正如万物生长靠太阳，太阳辐射穿透大气层到达地球表面后，地球在增温的同时也不断对外辐射能量。研究表明，在漫长的岁月中，地球的能量收入和支出基本上处于平衡状态，地表温度大致上没有什么变化。根据热力学基本定律，任何物体辐射能量的最大值所对应的波长与该物体温度的乘积都等于同一个常数，也就是说，物体的温度越高，其辐射出的电磁波波长越短，反之亦然。太阳表面温度约为 6000K，主要为短波辐射，而地球表面却是长波辐射。地球大气层中有些气体对于太阳的短波辐射几乎是透明，却能强烈吸收地面的长波辐射再以大气逆辐射的形式将大部分热量返还地表，从而使地球表面从太阳辐射获得的能量相对多，
3、而散失到大气层以外的热量相对少，地球表面的温度维持在一个适合人类生存的水平。这就是大气的温室效应，这些气体称为温室气体，主要包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烃、臭氧、水蒸汽、二氧化硫以及一氧化碳等。二、主要温室气体IPCC 第四次评估报告认为，过去 50 年全球平均气温升高其中 90以上与人类燃烧化石燃料排放的温室气体有关。自从 1750 年以来，由于人类活动的影响，全球大气 CO2、CH4、N2O 和 CFCs 的浓度显著增加，目前已经远远超出根据冰芯记录得到的工业化前几千年来的浓度值。全球大气 CO2 的浓度增加主要是由化石燃料的使用和土地利用的变化引起的，而 CH4 和 N2O 浓度
4、的增加主要由农业活动引起，CFCs 从无到有完全是人类制造并在生产和生活中释放到大气中的。其中CO2 浓度从工业化前约 280ppm 增加到 2005 年的 379ppm，CH4 浓度从工业化前约715ppb 增加到 2005 年的 1774ppb，N2O 浓度从工业化前约 270ppb 增加到 2005年的 319ppb，CFCs 从无到有，年平均以 4的速率增长。正因为这样，20 世纪后半期，北半球的平均气温是过去 1300 年间最高的。除 1996 年外，最近 12 年，即 19952006 年全球地面平均气温是 1850 年以来最高的时期。按照这样的趋势2发展下去，21 世纪末全球平均
5、气温将升高 2.46.4。1.二氧化碳 CO2IPCC 第三次气候变化评估报告认为，气候变暖至少 66以上与人类活动排放的二氧化碳有关。全球大气 CO2 浓度从工业革命前的 280ppm 上升到了 2005 年的 379ppm，冰芯研究表明，2005 年大气 CO2 浓度远远超过了过去 65 万年来自然因素引起的变化范围 180300ppm。过去 10 年 CO2 浓度平均每年增长 1.9ppm，而有连续直接测量记录以来的增长率为 1.4ppm/a。18 世纪中叶到 20 世纪 40 年代，大气中的 CO2 含量平均每年增加 0.06，主要是工业革命以来的土地利用变化、毁林造田以及生物质燃烧等
6、人类活动造成的。第二次世界大战之后，人类开始大量使用化石燃料，大气中的 CO2 浓度迅速上升，按照这样的趋势发展下去，全球变暖会越来越明显。表 2 未来大气中的 CO2 浓度值（ppm）年份2025205020752100大气中 CO2 浓度值404425434480456536469614数据来自 IPCC 第四次评估报告，2007大气中的 CO2 主要来源于各种燃烧过程、土壤或其他地方有机物的分解以及3人群和动物的呼吸作用。化石燃料燃烧释放的 CO2 从 20 世纪 90 年代的每年6.06.8GtC 增加到 20002005 年的每年 6.97.5GtC。20 世纪 90 年代，与土地利
7、用有关的 CO2 释放量估计是每年 0.52.7GtC，自然生态系统转化为耕地使土壤碳贮量减少了 38Gt。随着人口剧增，呼吸作用产生的 CO2 也不容忽视。绿色植物通过光合作用会吸收大量 CO2，全球森林生态系统中贮存的碳量为1146Mt，另外海洋也是一个巨大的碳汇。表 3 全球碳的主要源和汇（百万吨/年）源化石燃料燃烧排放5700土地利用变化排放2000汇海洋吸收2500植物生态系统吸收1000CO2 合计自然源人为源年吸收4年增量7700002310078140011700引自王彦佳.气候变化与温室气体减排，20052.甲烷 CH4随着人口剧增、水田耕作以及畜牧业发展，大气中的 CH4
8、浓度越来越高，全球大气 CH4 浓度从工业革命前的 715ppb 增加到了 20 世纪 90 年代的1732ppb，2005 年更是高达 1774ppb，远远超过了过去 65 万年来自然因素引起的变化范围 320790ppb。据联合国预测，21 世纪末大气中的 CH4 浓度将翻一番，达到 3500ppb。表 4 大气中 CH4 的浓度变化（ppb）年份工业革命以前520 世纪 90 年代2005 年21 世纪末大气 CH4 浓度715173217743500数据来自冰芯资料和直接观测与预测大气中 CH4 的每月平均混合比资料显示，北半球大气中 CH4 的平均浓度明显比南半球高，可能是因为北半球
9、受人类活动影响比较大，估计人为源占 60，主要是水田耕作、畜牧业发展、生物质燃烧以及固体废弃物填埋。另外自然湿地由于其良好的厌氧发酵条件而向大气释放大量 CH4，约占 25。大气中的 CH4 可与羟基自由基发生氧化还原反应而去除，少量会向平流层输送，也有部分被土壤吸收。3.一氧化二氮 N2O全球 N2O 浓度从工业革命前的 270ppb 增加到了 2005 年的 319ppb，冰芯分析结果表明，直到 20 世纪中叶，大气中 N2O 的浓度一直处于 285ppb 左右，其后就呈现出明显的增长趋势。目前大气中的 N2O 浓度的年增长率约为 0.25，即平均每年增加 0.8ppb。世界各地的观测资料
10、几乎没有显示出南北半球大气中 N2O 的浓度差，可能是因为它本身浓度很低，人为排放量小，也可能与 N2O 在大气中的寿命较长有关。不过像燃烧化石燃料、施用化学肥料以及生物质燃烧等人类活动无疑会向大气排放 N2O，其中人为源有 6070来自耕作土壤，另外一些工业生产过程如硝酸、尼龙、合成氨和尿素等也会向大气释放 N2O。大气中 N2O 的自然源则主要包括森林、草地和海洋等自然系统，约占总排放量的 60。N2O 在大气中非常稳定，主6要通过光化学反应除去，另外土壤也能吸收少量 N2O。表 6 大气中 N2O 的源和汇（百万吨/年）N2O自然源人为源年吸收年增量9.56.912.63.8引自王彦佳.
11、气候变化与温室气体减排，20054.氟氯烃 CFCs大气中原本不存在 CFCs，只因为它们是理想的制冷剂和气溶胶喷雾剂，长期以来被广泛应用于制冷、泡沫、消防、气溶胶和清洗等部门。人类活动向大气排放的 CFCs 是一种重要的温室气体，还会破坏臭氧层。近几十年来，大气中的CFC11 和 CFC12 始终以 4左右的年增长率迅速增加，目前已达到 0.4ppb，未来还会缓慢增加。CFCs 在对流层会与羟基自由基反应，在平流层中发生光化学分解而去除。三、城市热岛正如温室气体会导致全球变暖，城市热岛对气候变化也有一定贡献。在人口高度密集、工业集中的城市区域，由人类活动排放的大量热量与其他自然条件的共同作用
12、致使城区气温普遍高于周围郊区，人们把这种现象称为“人造火山” 。7高温的城市处于低温郊区的包围之中，如同汪洋大海中的一个小岛，因此也称为“城市热岛” 。城市热岛强度表现为夜间大于白天，日落以后城郊温差迅速增大，日出以后又明显减小，主要由以下几种因素综合形成。城市建筑物和水泥路面大多导热性好，受热传热快。城市建筑物密度越大，布局越呈团块状，下垫面对太阳辐射吸收就越明显，吸收的太阳辐射总量就越多。布局越呈团块状，下垫面的天穹可见度就越小，地表热量损失的空间就越小，地面通过长波辐射损失的热量就越少，气温就越高。城市建筑物参差不齐，形成许多高宽比不同的城市街谷，这种复杂的立体下垫面在白天能比郊区获得较
13、多的太阳辐射，在夜晚相对于空旷的郊区来说不易散开热量，导致了城市热岛的形成。引自肖荣波等.城市热岛时空特征及其影响因素，2007人口高度密集、工业集中，燃烧的工业锅炉及冷气、采暖等固定热源，机动车辆、人群等流动热源大量释放城市废热。有资料显示，在人口为 50100 万的城市气温要比郊区高 1.11.2，人口超过 100 万的城市城郊温差为1.21.5。高耸入云的建筑物造成近地表通风不良。人类活动释放的废气改变了城市上空的大气组成，使其吸收地面长波辐射的能力增强。总的来说，城市热岛强度与城市规模、人口密度以及气象条件有关，其影响不容忽视，对气候变化也有一定贡献。城市热岛使城区冬季缩短，霜雪减少，
14、有时甚至发生郊区降雪而城内降雨的情况，如上海 1996 年 1 月 1718 日。城市热岛在中低纬城市造成的高温容易导致夏季中暑和死亡的人数增加，1980 年 7 月热浪袭击圣路易斯和堪萨斯，两市商业区死亡率分别提高了 57和64，而附近郊区死亡率只增加 10。热岛效应使城市上空云雾量增多，导致城市的降水量发生变化，形成明显的“雨岛效应”和“雾岛效应” ，2000 年上海市区汛期雨量平均比远郊多 50mm 以上，相当于多下了一场暴雨。城市热岛会使城市耗电量及用水量大增，从而耗掉大量能源，造成更多的废热，进一步加强热岛效应和其他气候效应，形成恶性循环。城市热岛使市区温度高，热空气上升，周围冷空气
15、向市区汇流补充，结果把郊区工厂的烟尘和由市区扩散到郊区的污染物重新聚集到市区上空，加重了大气污染。缓解城市热岛效应需要广泛有效的气象环境监测，减少人为热的排放，开发8新能源，发展温排水冷却技术。此外还要优化城市结构，搞好城市绿化工作，发展城市公共交通系统，减少汽车尾气排放。四、气候变化不管是温室气体还是城市热岛，对气候变化都有不可推卸的责任。IPCC 第四次评估报告指出，21 世纪末气候变暖引起海平面平均升高 2659cm，因海平面升高等异常气象灾害造成的难民将达到 2 亿人。1960 年以来，西半球中纬度西风在加强。1970 年之后，在热带和亚热带地区观测到了更强和更长时间的干旱。强降水的发
16、生频率有所上升，与气候变暖和观测到的大气水气含量增加相一致。近 50 年来已经观测到极端温度的大范围变化，冷昼、冷夜和霜冻更为少见，而热昼、热夜和热浪却更加频繁。1970 年以来全球呈现出热带气旋强度不断增大的趋势，伴随着更大的风速和更强的降水。IPCC 预测，未来多年冻土区的融化深度会广泛增加，南北极海冰将退缩。热带以外的风暴路径会向极地方向移动，引起非热带地区的风、降水和温度场变化。高纬地区的降水量很可能增多，而多数亚热带大陆地区的降水量则有可能减少。气候变化不可避免会引发一系列连锁反应，海平面上升直接威胁到沿海地区人们的生命财产安全。全球变暖和干湿格局变化对动植物适应和农业生产都会产生严重影响。全球水资源分布变化会明显改变河川径流和水分平衡值，进而改变河湖的总水量和水位并由此引发一系列的水文学问题。热带气旋、洪水、雷暴、热浪、雪崩、干旱、泥石流和海啸等与气候变化直接相关的自然灾害频频发生，造成巨大损失。例如 1998 年中国长江流域发
