近百年氣候變化及可能的自然影響因素研究進展

陳幸榮，張志華，蔡怡

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

1 引言

近年來，關于全球變暖，人們首先想到的是人類活動對它的影響。IPCC在2007年第四次評估報告中[1]，對最近50年氣候變化主要是由人類活動影響結論的可信度，已由原來66%的最低限提高到目前的90%,指出人類活動“很可能”是導致氣候變暖的主要原因。雖然人們確信人類活動是造成目前氣候變暖的主要原因，但是從20世紀氣溫變化分析來看，大致可以分為3個階段，20世紀初到50年代氣溫上升，50—70年代氣溫下降和70年代—21世紀初的氣溫再次上升。而事實上自二次大戰結束以后，全球工業化迅速發展，大氣中二氧化碳的含量也在迅速增加，但是全球氣溫在這一時期（50—70年代）卻是下降的，而這一時期正是全球火山活動較頻繁時期。另外，如果我們把近百年氣候變化放到近千年的氣候變化中去看，對于過去千年的溫度變化，目前的研究結果雖然還不是那么確定，但是在大家比較認可的Mann et al[2],Jones et al[3],Crowley et al[4],Briffa et al[5]和王紹武等人[6]所作的千年溫度曲線中有一致之處在于，從15世紀后半葉到17世紀均存在小冰期，而從11世紀到12世紀氣溫也是比較高稱為中世紀暖期，因為這兩個氣候事件均發生在人類活動可能產生明顯影響之前，所以人們都把它們歸之于自然氣候變化。目前的研究表明，直到20世紀80年代，全球氣溫的變化并沒有超過中世紀暖期氣溫的自然變率，因此人類活動并不能解釋20世紀全球氣溫變化的全部，可以肯定其它的自然因素，在20世紀的氣候變化中仍然產生了影響。因此，近年來關于自然氣候變率在目前氣候變化中的影響也成為研究全球變暖的一個重要方面。

2 百年時間尺度氣候變化

2.1 近百年時間尺度全球氣候變化

IPCC在第四次評估報告中[1]指出，最近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.56℃—0.92℃。統計表明,自1850年以來最暖的12個年份中有11個出現在1995—2006年（除1996年外）,20世紀可能是近千年中地表增溫速率最大的一個世紀,90年代可能是近百年中最暖的一個10年,1998年是同期最暖的一年。過去50年升溫率幾乎是過去100年的2倍。表1[7]為IPCC歷次評估報告提供的觀測近百年全球氣溫變化趨勢，從表中可以看到，隨著觀測資料的推后，全球平均溫度的增溫幅度在加大，表示隨著時間，全球溫度變暖在加劇。圖1[8]為全球平均溫度、海平面和北半球積雪變化。Jones P D等[9]通過對1861—2000年全球地表平均氣溫距平（相對于1961—1990年平均值）變化分析發現,自20世紀50年代以后，全球地表溫度海和海平面都比20世紀的前50年增加要快，在時空變化上，1976—2000年,全球地表冬季平均氣溫升高最為顯著。特別是北半球中高緯度地區更為明顯,春季的增溫幅度次之,秋季最弱。

表1 全球溫度變化（℃/100 a）

關于全球陸地降水的變化，不同的資料給出的結果相差比較大。趙宗慈等[10]分析了全球6套不同來源的降水資料后認為，20世紀全球年平均降水沒有明顯的變化趨勢，但是對于降水空間分布的變化還是比較明確的。北半球中高緯度地區降水增加明顯,30°—85°N地區平均增幅7—12%,且以秋、冬季節增加最為顯著;南半球（0°—55°S）可能增加了2%左右;相反,副熱帶地區（10°—30°N）可能減少了3%,非洲北部、南美的沙漠地區減少更為明顯。20世紀后期,北半球中高緯度地區的極端強降水事件的頻率可能增加了2—4%,亞洲和非洲的部分地區干旱的頻率和強度增加[11-12]。

對于海洋的變化，1961年以來的觀測資料表明,全球海洋溫度的增加已延伸到至少3000 m深度,1961—2003年世界海洋的總熱容量增加了大約14.2±2.4×1022J[13-14]，20世紀全球海平面上升約0.17 m[15]。

圖1 溫度、海平面高度和北半球積雪變化；a:全球平均地表溫度；b:由驗潮站和衛星資料得到的全球平均海平面上升;c:3—4月北半球積雪，氣候平均為1961—1990年平均

圖2 中國20世紀年平均氣溫距平變化曲線

2.2 近百年時間尺度中國氣候變化

我國近百年的氣候也發生了明顯變化。總體來說,這種變化的趨勢與全球氣候變化的趨勢一致[16-20]。近100年中國的平均氣溫上升了(0.6±0.1)℃。其中,20世紀20—40年代我國平均氣溫持續偏高,50—80年代初氣溫有所下降,80年代中期開始又持續增溫，90年代是近百年來最暖時期之一,僅次于20—40年代。表2[7]是不同來源觀測的近百年來中國氣溫的變化，圖2[16]是20世紀中國平均氣溫距平隨時間的變化。從圖2和表2中可以看到，與全球氣溫變化一樣，20世紀后50年中國的氣溫上升要比20世紀前50年快，升溫主要發生在1910—1950年和1970—2000年這兩個時間段。與全球平均溫度變化一樣,近100年來中國的增溫也主要發生在冬季和春季,而夏季卻有微弱變涼趨勢[20-22]。研究發現:1951—2000年中,我國大陸35°N以北地區年平均氣溫變暖顯著于35°N以南,即呈現“北暖南寒”的形式,35°N以北地區冬季的變暖速率顯著大于夏季和年平均氣溫的升溫速率[17]。

關于20世紀中國降水變化趙宗慈等[10]分析了四套降水資料，近百年三個時段降水變化趨勢分析見表3[10]，在百年時間段內中國降水無明顯的變化趨勢，而在近25年時間段，降水略有增加，在降水空間分布的變化上，降水大范圍明顯的增加主要發生在西部地區,其中以西北地區尤為顯著[23]，長江中下游到華南地區雨量呈增加趨勢,高值中心在長江中游地區[24-25]，而華北降水則出現干旱化趨勢，呈現“北旱南澇”的模式。

表2 觀測的中國近百年溫度變化[7]

表3 綜合4套資料計算中國和東亞年總降水量在3段時期變化線性趨勢[10]

對于中國近海海洋的氣候變化，由于資料等因素的限制，我國學者的研究工作相對比較少。潘蔚娟[26]等發現華南近海的月和年平均SST皆以上升趨勢為主，年平均SST最近44年的線性增長率為0.12—0.19℃/10年，冬半年的上升幅度普遍高于夏半年。馮琳等[27]對東海近60年的海溫分析發現，在東中國海SST具有明顯的長期升高的線性變化趨勢,平均每年升高0.015℃,1945—2006年共升高了0.9℃。另外，蔡怡等[28-29]通過近40年的數值模擬發現，在太平洋熱帶環流是減弱的，而中高緯度的環流是加強的。

3 影響氣候變化的可能自然因素

影響地球氣候系統變化的因子很多,但一般可分為自然因子和人類活動兩大類。就自然因子而言,主要指太陽活動、火山活動及氣候系統內部的多尺度振動。

3.1 太陽活動

關于太陽活動（so1ar activity）對于地球氣候和大氣環流的影響,人們從不同角度進行了探索[31-35]。就百年時間尺度的變化來看，太陽活動主要表現為76年世紀周期、22年磁周期和準11年太陽黑子周期[36],目前有可靠記錄的太陽輻射時間比較短，圖3[37-38]給出了1979—2005年太陽輻射隨時間變化。從圖中可以看到最明顯的周期是11年周期，而且這兩組不同的數據來源在九十年代以后還是有很大的區別。太陽活動對氣候的影響既有增溫方面又有冷卻作用，宇宙射線是一種高能帶電粒子流，不斷轟擊地球，在大氣中產生帶電離子，這些離子像一個個磁體，吸引水蒸氣凝聚，最終形成云。而云層可將太陽光反射到太空，可以起到冷卻地球的作用，它對氣候的影響是負的，目前歐洲粒子物理研究中心（CERN）正在進行的CLOUD項目就是研究宇宙射線和大氣中水滴形成的關系。其次是太陽磁場活動，如果處于太陽活躍期，太陽磁場活動增強，將偏轉宇宙射線撞擊地球的方向，形成較少云層，從而導致地球的溫度上升，它對氣候的影響是正的。另外，近期研究結果表明[39-43]太陽磁場方向變化也是太陽活動影響地球氣候十分關鍵因素,研究認為太陽磁場南向時期與北向時期,將對應著地球磁層獲得太陽輻射能量異常偏多時期和異常偏少時期。但目前尚不清楚上述這些機制能對地球氣候變暖產生多大影響。目前只有太陽輻射強度對氣候的影響是比較明確的，但是有學者認為總太陽輻射的連續直接觀測至今只有28年，其輻射量從最小到最大的周期循環變化率只有0.08%，并且無顯著長期趨勢。計算得到的太陽輸出（從1750年）造成的直接太陽輻射強迫（RF）0.12 w/m2。比溫室氣體的RF要小得多（2.3 w/m2）[8]，所以太陽輻射的變化不是引起近代氣候變暖的主要原因。我國學者曲維政等[44]研究了太陽磁場活動對北半球夏季平流層中部氣溫異常變化的關系，發現太陽磁場磁性指數曲線與濾除CO2影響的北半球10 hPa大氣溫度距平曲線變化趨勢基本一致，太陽磁場強度和磁場方向變化對它的方差貢獻率達21%。

圖3 太陽輻射隨時間變化

3.2 火山爆發

火山爆發對氣候最直接的影響是火山云灰達到大氣層上層形成氣溶膠，它的直接表現是氣溶膠光學厚度增加，減弱了太陽輻射，從而降低了地面的溫度。關于火山爆發所產生的氣溶膠對于氣候的影響，目前許多研究表明有以下四種影響：第一，它直接影響地球的輻射平衡，從而影響地球的溫度；第二，影響水平和垂直方向熱量變化，改變平流層和對流層環流；第三、，影響氣候系統的內部變率，如ENSO、NAO等；第四，影響平流層的臭氧分布，圖4[45-46]是關于火山爆發總可見光厚度隨時間變化。從圖中Sato和Ammann所做的資料來看，兩者還是存在比較大的差別。在目前氣候變化的歸因研究中認為，本世紀50—70年代的全球溫度下降，一個主要原因就是火山爆發引起大氣中氣溶膠含量增加造成的。我國學者曲維政[47]等研究了火山活動對熱帶高空溫度變化的影響，發現火山活動影響最顯著的高度是平流層70 hPa，火山活動將引起平流層大氣升溫、對流層大氣降溫。另外研究發現[48-55]火山爆發可能產生北方冬季的變冷和降水減少，火山除了在高緯爆發以外，隨后會有北大西洋濤動（NAO）的正位相，導致歐亞冬季變暖，抵消氣溶膠產生的全年平均變冷，另外，火山爆發的氣溶膠和溫室氣體能夠改變NAO。

圖4 火山爆發總可見光深度隨時間變化

3.3 海氣相互作用

地球氣候系統變化的另一個影響因素是氣候系統內部的海氣相互作用。隨著觀測數據的增長，人們從近百年的各種觀測資料中，研究發現了不少關于氣候的年代際變率。如從全球氣溫的變化中發現存在15—35年、50—150年和65—70年等振蕩，特別是20世紀70年代的中后期（1976/1977年），全球許多地區，如太平洋、中國等區域，都發生了明顯的年代際變化，這就是在年代際海氣相互作用中一個非常重要的現象—太平洋海溫年代際振蕩（PDO）引起的。對于氣候年代際變化產生的原因，人們從資料診斷、模式模擬和動力學探討等方面都做了大量研究。特別是經過CLIVAR計劃近10年的研究，目前對于百年以下時間尺度的氣候年代際變率，比較一致的研究結果是在不考慮外力的情況下，年代際的氣候變率主要與熱帶海洋的強迫、中緯度的海氣相互作用、大洋的溫鹽環流、熱帶—中緯度的相互作用和海氣之間的隨機強迫作用這五個方面有關，也就是說對于百年以下時間尺度的年代際氣候變率，主要與海洋及海氣相互作用有關。這是因為在海氣耦合系統的變化中，由于海洋有著巨大的熱慣性和動力慣性,能夠通過海氣相互作用對大氣運動進行調諧，高頻大氣變化被減頻,耦合波的頻率變低后再作用于大氣,通過海氣相互作用，使它們的頻率降低。但是目前人們并不清楚高頻大氣運動如何通過海氣相互作用減低為低頻的氣候變率。

3.4 其它的可能影響

對于影響氣候變化的另外一些因子，雖然這些學說不是占主導地位，但是也有不少的研究，在國內研究比較多的是關于郭增建的“深海巨震調溫說”[56-59]。2004年印尼地震海嘯后,全球低溫凍害和暴雪災害頻繁發生。郭增建認為海洋及其周邊地區的強震產生海嘯,可使海洋深處冷水遷到海面,使水面降溫,冷水吸收較多的二氧化碳,從而使地球降溫。另外還有潮汐調溫說，即強潮汐把海洋深處的冷水帶到海面,使全球氣候變冷；還有人認為[60]海洋中中等尺度的渦旋能把海底的碳和營養物質“吸”上來，這些碳并沒有重新沉落海底，而是作為有機物質進行了再循環，它們殘留在海水的表面，并且最終以二氧化碳的方式進入地球大氣。另外，地震學者盧振權（2001）等[60]人的研究發現,地震前會出現低空大氣溫度、地面溫度和衛星熱紅外異常,累積增溫達可達2°—10℃之多。另外，有人認為大氣二氧化碳增加，導致全球氣溫和海溫上升，而海溫的上升又會影響海洋對二氧化碳的吸收，從而使大氣二氧化碳存留增多，又加劇全球氣溫的上升。但是這些學說還缺少大量的觀測資料支持和令人信服的機制研究結果。

4 小結

我們對于近百年的氣候變化特征進行綜述，并對太陽活動、火山爆發以及海氣相互作用等自然因素對近百年氣候變化的影響作了詳細的總結。

（1）最近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.56°—0.92℃，中國的平均氣溫上升了（0.6±0.1）℃，但是20世紀全球和中國年平均降水沒有明顯的變化趨勢；

（2）目前關于氣候變化的自然因素主要有太陽活動、火山爆發和氣候系統內部海氣相互作用對于氣候變化的影響，但是關于它們是如何影響氣候變化的問題，還存在很大的不確定性。

[1]IPCC.IPCC Fourth Assessment Report(AR4)[M].Cambridge:Cambridge University Press.2007.

[2]Jones P D,Briffa K R,Barnett T P,et al.High-resolution paleoclimatic records for the last millennium:Integration,interpretation and comparison with General Circulation Model control run temperatures[J].The Holocene,1998,8:455-471.

[3]Crowley T J,Lowery T S,How warm was the Medieval warm Period?A comment on man-made versus natural climate change[J].Ambio,2000,39:51-54.

[4]Briffa K R.Annual climate variability in the Holocene:Interpreting the message of ancient trees[J].Quarter Sci Rev,2000,19:87-105.

[5]王紹武，葉瑾琳，畢鳴.近千年全球氣溫變化，85-913項目02課題論文編委會。氣候變化規律及其數值模擬研究論文，第三集[M]，北京：氣象出版社，1996，137-147.

[6]Mann M E,Bradley R S.Hughes M K.Northern Hemisphere Temperatures During the Past Millennium:Inferences,Uncertainties,and Limitations[J].Geophys Res Letts,1999,26:759-762.

[7]趙宗慈,王紹武,羅勇.IPCC成立以來對溫度升高的評價與預估[J].氣候變化研究進展,2007,3(3):183-184.

[8]秦大河,羅勇.全球氣候變化的原因和未來變化趨勢[J].科學對社會的影響.2008,2:16-21.

[9]Jones P D,Moberg A.Hemispheric and large-scale surface air temperature variation:an extensive revision and an update to 2001[J].J Climate,2003,16:206-223.

[10]趙宗慈,羅勇,江瀅,等.全球和中國降水、旱澇變化的檢測評估[J].科技導報,2008,26(6):28-30.

[11]Hulme M,Osborn T J,Johns T C.Precipitation sensitivity to global warming:Comparison of observations with HadCM2 sim ulations[J].Geophys Res Lett,1998,25:3379-3382.

[12]Doherty R M,Hulme M,Jones C G.A gridded reconstruction of land and ocean precipitation for the extended tropics from 1974 to 1994[J].Int J Climatol,1999,19:119-142.

[13]Levitus S,Antonov J I,Boyer T P.Warming of the World Ocean,1955-2003[J].Geophys Res Lett,2005,32:L02604.

[14]Levitus S,Antonov J,Boyer T P,et al.Warming of the World Ocean[J].Science,2000:287,2225-2229.

[15]IPCC,IPCC Fourth Assessment Report(AR4)[M].Cambridge:Cambridge University Press.2007.Observations:Oceanic Climate Change and Sea Level.

[16]趙宗慈，王紹武，徐影，等.近百年我國地表氣溫趨勢變化的可能原因[J]，氣候與環境研究，2005,10(4):808-817.

[17]張晶晶,陳爽,趙昕奕.近50年中國氣溫變化的區域差異及其與全球氣候變化的聯系[J]，干旱區資源與環境，2006，20(4):1-6.

[18]唐國利，任國玉.近百年中國地表氣溫變化趨勢的再分析[J].氣候與環境研究，2005,10(4):791-798.

[19]濮冰,聞新宇,王紹武,等.中國氣溫變化的兩個基本模態的診斷和模擬研究[J]，地球科學進展，2007,22(5):456-467.

[20]任國玉，初子瑩，周雅清,等.中國氣溫變化研究最新進展[J].氣候與環境研究，2005,4:701-716.

[21]秦大河.中國氣候與環境演變[M].北京:科學出版社,2005.

[22]王紹武,董光榮.中國西部環境特征及其演變[M].北京:科學技術出版社,2002.

[23]Zhai P M,Zhang X B,Wan H,et al.Trends in total precipitation and frequency of daily precipitation extremes over China[J].J Clim,2005.18(1):1096-1108.

[24]Xu Q.Abrupt change of t he mid2summer climate in central east China by the influence of atmospheric pollution[J].Atmospheric Environment,2001,35(2):5029-5040.

[25]信忠保,謝志仁.ENSO事件對淮河流域降水的影響[J].氣象科學,2005,25(4):346-354.

[26]潘蔚娟，錢光明，余克服，等.華南近海近40年的實測SST變化特征[J].熱帶氣象學報，2007,23(3):271-276

[27]馮琳,林霄沛.1945—2006年東中國海海表溫度的長期變化趨勢[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2009,39(1):13-18.

[28]蔡怡,王彰貴,喬方利.全球變暖背景下最近40年太平洋海溫變化數值模擬[J].海洋學報，2008，30(5):9-16.

[29]蔡怡,李海.全球變暖背景下最近40年太平洋海面高度和熱容量變化數值模擬[J],熱帶海洋學報，2006,4:14-19.

[30]ShutWR.Prospectofspacephysics.AdvanceinEarthSciences[J].2001,16(5):664-672.

[31]Kodera K.Solar cycle modulation of t he North Atlantic Oscillation:Implication in t he spatiall structure of t he NAO[J].Geophysical Research Letters,2002,29,8(10):1057-1061.

[32]Bond G.Persistent solar influencee on North Atlantic climate during the Holocene[J].J of Geophysical Research,2002,107,D14,101:1029-1035.

[33]Ruzmaikin A.Solar influencee on a major mode of atmospheric variability[J].J of Geophysical Research,2003,108,D15(10):1032-1041.

[34]Agnihtri R,Dutta K,Bhushan R,et al.Evidence for solar forcing on the Indian monsoon during the last millennium[J].Earth and Planetary Science Letters,2002,198:521-527.

[35]Min J Z.Rapid mate change and high resolution deep2sea sedimentary records[J].Advance in Eart h Sciences,2003，18(5):674—681

[36]曲維政,黃菲,趙進平,等.影響東海氣候的太陽活動信息分析[J],海洋學報,2006,28(2):39-45.

[37]Willson R C,Mordvinov A V.Secular total solar irradiance trend during solar cycles 21-23[J].Geophys Res Lett,2003:30(5),3-6.

[38]Fr?hlich C,Lean J.Solar radiative output and its variability:Evidence and mechanisms[J].Astron Astrophys Rev,2004,12:273-320.

[39]Zheng Q W,Qu W Z,Deng S G,et al.The influence of magnetic index abnormal change in solar magnetic field on climate at middle latitude of North Hemisphere[J].Chinese Journal of Geophysics,2004,47(3):448-456.

[40]曲維政,鄧聲貴,黃菲,等.深海溫度變化對太陽活動的響應[J].第四紀研究,2004,24(3):1-7.

[41]曲維政,趙進平,趙雪,等.火山活動對南半球平流層大氣溫度異常變化的影響[J].地學前緣,2004,11(2):579-587.

[42]曲維政,王麗楠,黃菲,等.北半球平流層氣候異常變化探索[J].青島海洋大學學報,2003,33(3):229-336.

[43]曲維政,陳璐,黃菲,等.南半球對流層氣候年代際變化及其與太陽活動的聯系[J].地球科學進展,2005,20(7):794-803.

[44]曲維政，劉應辰，黃菲，等.CO2濃度和太陽活動對北半球夏季平流層中部氣溫異常變化的影響[J]，自然科學進展，2008，18(12):1425-1432.

[45]Sato M,Hansen J E,McCormick M P,et al.Stratospheric aerosol optical depths,1850-1990[J].J Geophys Res,1993,98(D12):22987-22994.

[46]Ammann C M,Meehl G A,Washington W M,et al.A monthly and latitudinally varying volcanic forcing dataset in simulations of 20th century climate[J].Geophys Res Lett,2003,30(12):1657.

[47]曲維政,白燕,黃菲,等，火山活動對熱帶高空溫度變化的影響.地球物理學報,2006,49(5):1308-1315.

[48]Perlwitz J,Graf H F,Troposphere-stratosphere dynamic coupling under strong and weak polar vortex conditions[J].Geophys Res Lett,2001:28,271-274.

[49]Stenchikov G,RobockA,Ramaswamy V,et al,et al.Arctic Oscillation response to the 1991 Mount Pinatubo eruption:Effects of volcanic aerosols and ozone depletion[J].J Geophys Res,2002，107：4803-4819.

[50]Shindell D T,Schmidt G A,Miller R L,et al.Volcanic and solar forcing of climate change during the preindustrial era[J].J Clim,2003,16(24):4094-4107.

[51]Stenchikov G,Hamilton K,Robock A,et al.Arctic Oscillation response to the 1991 Pinatubo eruption in the SKYHI GCM with a realistic Quasi-Biennial Oscillation[J].J Geophys Res,2004,109:D03112.

[52]Oman L,Robock A,Stenchikov G,et al,Climatic response to high latitude volcanic eruptions[J].J Geophys Res,2005，110：D13103.

[53]Rind D,Perlwitz J,Lonergan P.AO/NAO response to climate change.Part I:The respective influences of stratospheric and tropospheric climate changes[J].J Geophys Res,2005a:110,D12107.

[54]Miller R L,Schmidt G A,Shindell D T.Forced variations in the annular modes in the 20th century IPCC AR4 simulations[J].J Geophys Res,2006,111:D18101.

[55]Stenchikov G,Hamilton K,Stouffer R G,et al,Arctic Oscillation response to volcanic eruptions in the IPCC AR4 climate models[J].J Geophys Res,2006,111:D07107.

[56]楊冬紅，楊學祥.全球變暖減速與郭增建的“海震調溫假說[J].地球物理學進展，2008，23(6):1813-1818.

[57]楊冬紅,楊學祥,劉財.2004年12月26日印尼地震海嘯與全球低溫[J].地球物理學進展.2006,21(3):1023-1027.

[58]郭增建.海洋中和海洋邊緣的巨震是調節氣候的恒溫器之一[J].西北地震學報,2002,24(3):287.

[59]楊冬紅,楊學祥.潮汐和地震對全球氣候變化的影響[J].沙漠與綠洲氣象,2007,1(4):5-12.

[60]盧振權,強祖基,吳必豪.南海臨震前衛星熱紅外增溫異常原因初探[J].地球學報，2002,23(1):42-46.