氣候反饋機制

淺談氣候反饋機制

摘要

：一個完整的氣候氣候系統是由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈五

大部分組成。每個部分的及其組成部分都會對氣候的形成和變化產生一定的影響，

氣候是各個部分相互作用相互影響形成的一個復雜系統。正因為氣候是一個復雜

系統，其中某一部分的變化就有可能引發其它因素產生一系列的變化，從而導致

氣候變化，而氣候的變化也會加強（抑制）這種變化，即氣候系統諸因素之間起

著耦合或者相互組合的補償作用，這種作用和關系即反饋機制。這種反饋可能是

正反饋也可能是負反饋，反饋的周期有長有短。面對全球氣候日益變暖的呼聲，

研究氣候的反饋機制對于預測未來的氣候變化趨勢有重要的作用，為人類活動提

供一個方向，實現人地關系的和諧。

關鍵詞

：氣候系統、氣候反饋、氣候變化

1.引言

近些年來極地冰川融化，海平面上升，全球氣候變暖日益成為全球變化研究

的焦點，引起了各國政府和科學界的重視。為此國際上成立了一系列組織開展了

一些列活動，來應對全球氣候變暖問題，減少氣候變暖的負面效應。對于氣候

[1]

的變化原因和變化趨勢都做了許多研究，在氣候變暖和氣候變冷的問題上一直是

科學界爭論的話題。準確的預測氣候變化趨勢，有助于找出合理的接決策略，減

少人類活動的不確定性和盲目性，以減少損失，達到人與自然的和諧。要準確

[ 2]

氣候變化趨勢，就要對氣候系統之間的相互作用相互影響的程度和機理進行準確

地把握，正因為氣候與氣候系統的因子之間存在一種反饋機制，研究氣候的反饋

機制對于預測全球氣候變化趨勢有重要的作用。

氣候系統是由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈五大部分組成。系統

中各個要素與氣候間存在反饋機制，這種反饋可能是正反饋也可能是負反饋。

[ 3 ]

正反饋對氣候變化起加強作用，負反饋對氣候變化起抑制作用。正是因為氣候的

反饋機制使得氣候呈周期性的變化，中國五千年來的每一個暖期和冰期的交替可

能與氣候間的反饋機制有關，由于初始因子不同，再加上人類活動的影響這種變

化周期也會不同，氣候的變暖與變冷可能是某一個時間尺度上的，從長時間尺度

上在天文環境不變的前提下，氣候應在某一平衡位置上不規律的周期性波動。事

實上,人們至今對于這種調節機制并不十分清楚,如何用動力模式對它們進行定量

研究是氣象學、氣候學、海洋學等領域內的科學家目前面臨的一個重要任務。本

文將列舉一些可能的氣候反饋機制,以作為最終必須包含到實際氣候中去的耦合

過程的例子。復雜程度不同的模式包含著反映不同現實程度的各種機制。本文就

以氣候的五大系統為主主線分析其與氣候間的反饋機制。

1.大氣圈與氣候之間的反饋

1.1溫室氣體與氣候間的反饋機制

二氧化碳等溫室氣體的增加將會增強大氣逆輻射對地面起保溫作用，使氣溫

升高，氣候變暖。氣候變暖后動物的呼吸作用增強，將大量排放二氧化碳，海水

的溫度升高，單位海水中所吸收的二氧化碳量將減少，空氣中的二氧化碳濃度升

高，進一步增強溫室效應使氣候繼續變暖。這就是溫室氣體對氣候的正反饋作用。

由于二氧化碳等溫室氣體使全球氣候變暖，由于全球氣候變暖一些的地區的降水

量會增加溫度會升高植被生長時間增長，生長狀況變好將會使光合作用增強，吸

收二氧化碳的能力增強，同時由于氣候變暖巖溶作用和巖石風化作用會加強也會

提高二氧化碳的吸收作用,導致空氣中的二氧化碳濃度降低，溫室作用減弱可能

會只是氣候變冷。這就是溫室氣體對氣候的負反饋作用。

CO2主要是通過15微米附近的吸收對大氣的熱量平衡發生影響。因此,CO2

濃度的變化

會改變大氣對于紅外輻射的不透明度。不管是在對流層內還是平流層內,這種影

響都是非常重要的。據對全球CO2的測量表明 ,近70年來增加了10%。這自然

會導致大氣對地面長波輻射熱量吸收的增多,估計這會使整個大氣低層增溫0.3

度。雖然人們不斷地進行一些敏感性研究,但還是需要搞清楚迄今被忽略的各種

反饋機制的重要性。

1.2粉塵、氣溶膠等的氣候反饋作用

近年來氣象學家的注意力已集中到大氣氣溶膠對地球氣候的潛在影響這個問

題上了，氣溶膠通過對輻射的散射和吸收影響著太陽通量，地面上太陽通量密度

只要有1%或2%的變化,就會對全球氣候產生重大的后果。雖然氣溶膠的散射和

吸收總是減少太陽入射到地面的輻射,但是其吸收增加了氣溶膠層本身的熱能。

氣溶膠粉塵也會對太陽逆輻射產生影響，對地面具有保溫作用。氣溶膠或者粉塵

是通過其他因素來對氣候產生影響，氣候的變化也會對粉塵和氣溶膠的濃度產生

影響。下面舉例來說明，當氣候變暖時，會使得干旱區蒸發更加強烈從而變得更

加干旱會使地面植被發生退化，地面物質容易被風吹蝕是大氣中懸浮物或者氣溶

膠粒子濃度增大，由于氣溶膠和懸浮物質的濃度增大會散射太陽輻射是地面降溫，

減緩變暖趨勢。這是負反饋作用。也會由于粉塵和氣溶膠粒子的濃度升高是溫室

效應增大，使氣候繼續變暖，這是正反饋。此外,氣溶膠對于云的凝結過程也

[20]

很重要,它不但會影響到云滴的吸收率,而且還會影響云滴的數量和大小,但是對

這些機制目前了解甚少。

2.水圈對氣候間的反饋

海平面升降對氣候也有反饋作用。當冰期來臨時，氣候變冷，引起大陸冰

蓋的擴展，使得全球海平面降低，海洋面積縮小。據研究，末次冰期最盛期（大

約18000年前）全球蒸發量減少15%，全球降水量減少14%，北半球降水量減

少20%（CLIMAP,1976）。海平面的減低會使海洋面積縮小，使得蒸發區域減少，

大陸地區的大陸度增大，氣候變干。研究表明末次冰期最盛期（大約18000年

前），中國東部大陸架廣泛出露邊緣海面積縮小850000平方公里，蒸發量減少

89億立方米（汪品先，1995）。當氣候變暖，冰蓋融化,海平面上升，海洋面積

增大。海平面上升，是海洋面積增大，又導致全球的蒸發總量和全球氣候變濕。

氣候的冷暖變化，將導致海水的溫度降低或者升高，海水溫度的升高或者降低

將引起海水的收縮或者膨脹，從而導致海平面的升降。海平面的升降和溫度的

高低變化，將會導致洋流的變化，從而通過海氣相互作用導致大氣環流和氣候

的變化。氣候變化引與海平面升降相互作用，相互影響，構成氣候與海平面之

間的一個反饋機制。

水汽含量與氣候間也存在一種反饋機制。當氣候變暖，地面溫度升高，由

于地面蒸發作用增強，在地面水源充足的地區，大氣中水汽的含量會增加。大

氣中水汽增加將會使大氣吸收更多的地面長波輻射，從而使大氣溫度升高，氣

候變暖。反之也成立，這是正反饋機制。實際上水汽含量和氣候之間也存在一

個負反饋機制。當氣候變暖，地面溫度升高，地面蒸發加劇，在水源充足的地

區，大氣的水汽含量將會增大，云量增加。云量的增加又會是到達地面的太陽

輻射減少，氣候變冷。反之當氣候變冷，地面溫度降低，地面蒸發減弱，大氣

的水汽含量將會減少，從而導致云量的減少。云量的減少，將會使到達地面的

太陽輻射增加，氣候變暖。

3.冰雪圈與氣候反饋

冰雪與水面、陸地表面相比,具有較高的反射率,這是支配極地地區氣候的一個

主要因子。但是,‘地球表面冰雪覆蓋的面積卻大大取決于氣溫。因此,如果全球

溫度下降,就會導致地球表面冰雪覆蓋持續增大,從而引起全球反射率增加,這樣

又使地球一一大氣系統所吸收的太陽能量減少,從而又使溫度進一步下降。但是,

冰雪覆蓋一一反射率一氣溫的這種藕合作用還必質與有可能改變上述結論的其

他過程結合起來看。僅當有以雪的形式出現的大量降水時,冰雪覆蓋與局地氣

[18]

溫之間的這種正反饋機制才能發揮。

下面舉例來說明冰雪圈與氣候間的反饋機制，當氣候變冷，就會導致極地和

高山冰雪覆蓋面積增大，由于冰雪面的反射率比較大，使得到達地面太陽輻射被

反射，實際吸收的量將減小，從而使氣候繼續變冷；或者當氣候變暖，會導致極

地和高山地區冰雪覆蓋減少，地面反射率減少，使得地面吸收的太陽輻射增加，

氣候變暖。這是冰雪圈與氣候間的正反饋作用。冰雪圈與氣候間也存在負反饋作

用，當氣候變冷時，或導致高緯度地區的洋面或者湖面結冰，由于湖面于洋面的

結冰會產生一系列環境效應。阻斷了洋流，阻斷了南北的洋流熱量輸送，從而導

致中高緯度地區氣候變冷，增大了洋面的反射率，使得地面接受的太陽輻射減少，

引起氣候的變冷，阻斷了洋面的水分蒸發，使得氣候變干燥，封凍洋面由于缺乏

氧氣與太陽輻射生物生產率將會大幅度降低。喲與生物光合作用的減弱會導致

[19]

吸收二氧化碳的量減少，使得大氣中的二氧化碳的濃度升高，氣候變暖洋面和湖

面解凍。這就是冰雪圈與氣候的負反饋機制。

4.巖石圈和生物圈對氣候的反饋機制

由于生物大多數是活動在地球表面的，與巖石圈相互聯系相互作用，共通過

構成了一切特殊的表層，陸地生態系統。因此考慮綜合考慮它們對氣候的反饋機

制。由于自然和人為原因使得地球表面各地區的巖石圈表面覆蓋植被類型和利用

方式不同，會導致對氣候的影響也不同。植被對于氣候具有重要的反饋作用，

[9]

植被通過陸-氣間水分、能量、動量的交換過程和CO2、CH4排放等各種生物物

理和生物化學過程對氣候產生直接或間接的影響。氣候學家則主要是基于溫室氣

體、氣溶膠、太陽輻射的變化等因素引起的行星能量和大氣環流的改變來認識氣

候變化的，同樣認為植被不具有影響氣候的能力。植被主要通過改變地表能量、

[17]

水分和物質交換等方式，對局地、區域乃至全球尺度的氣候產生影響。大范圍砍

伐森林后，降水有減少趨勢，而降雨強度有所增加，雨日、雨型也發生了不同

[16]

程度的變化。數值模擬顯示，植被增加使得地表粗糙度增大，動量通量、感熱通

量有所增加，蒸散發加強，地表反照率減小，地表凈輻射增加，地表溫度升高；

綠色地球和沙漠地球之間的溫度、降水都存在明顯的差異，植被的存在使得陸地

表面蒸發散增大了三倍以上，降水增加兩倍，溫度下降8℃。也有研究發現在

[10]

熱帶地區植被恢復可以減緩氣候變化，但是在高緯度地區卻使氣候變暖加。

巖石圈與氣候之間也存在反饋作用，當全球氣候變暖，會使溫度升高，會導

致巖溶作用加強和巖石風化作用加強，會增加地質碳匯作用，從而會使大氣中二

氧化碳濃度降低，氣候變冷。氣候變冷會使溫度減低，巖溶作用和巖石風化作用

減弱，將會使碳的吸收量減少濃度增加，會是溫室效應增強，氣候變暖。這是一

個巖石圈對氣候的一個簡單反饋機制。

5.氣候反饋機制的敏感性

所謂敏感性研究就是用氣候的數學模式估計氣候對外部強迫作用或氣候系

統內部反饋機制的靈敏度。例如,用熱量平衡模式估算CO2增長速度對大氣溫度

的影響等。要正確預測氣候變化就要對氣候系統及其組成要素對氣候反饋的敏感

度進行準確的評估。下面是一些關于一些要素對氣候反饋的敏感度研究成果。

[8]

我國的黃土高原．在實施水土保持 措施前其反射率的數值約 0．2 5，而水土保

持措施后的反射率約為0．2 0 ( 前者參考覆蓋細土粒、粘土荒漠表面 、平坦表

面 、 黃沙土 、 灰沙土等；后者參考有植被或農田的數值) 。下墊面反射率

[6]

改變了5％左右。數值模擬顯示，植被增加使得地表粗糙度增大，動量通量、感

熱通量有所增加，蒸散發加強，地表反照率減小，地表凈輻射增加，地表溫度升

高；綠色地球和沙漠地球之間的溫度、降水都存在明顯的差異，植被的存在使

[14]

得陸地表面蒸發散增大了三倍以上，降水增加兩倍，溫度下降8℃。Betts考

[11]

慮農田和牧場草地面積的變化，采用HadAM3大氣環流模式模擬得出土地利用變

化的輻射強迫為-0.18 Wm-2,相對潛在植被為-0.24 Wm-2，研究發現溫帶和北方地

區的人工造林緩減氣候變化的措施會加劇氣候變化，因為反照率輻射強迫的增溫

作用強于碳封存輻射強迫的降溫作用。

[5]

6．氣候反饋研究存在的問題及建議

氣候反饋機制的靈敏度研究尚不成熟，某一要素的變化會對氣候的影響程度

[13]

研究缺乏準確性和有效地數據。在研究氣候反饋機制是僅考慮某一個或者幾個

因素對氣候的影響，通常考慮的是直接影響，而實際上氣候系統中各個要素是相

互聯系的相互影響的，一個要素的改變可能會引起它要素的改變共同影響氣候的

改變。氣候反饋機制還缺乏足夠的理論支撐和實驗數據。氣候系統及其要素對氣

候的反饋存在正負雙重作用，綜合起來是否會導致氣候的大幅度波動尚待研究。

在研究的氣候反饋的機制時要從全球考慮，目前的研究僅限于某些小的地區。因

此今后在研究氣候反饋機制時要從大的尺度進行研究，從全球范圍內進行數據的

[12]

選取和觀測。在研究某一要素的反饋機制時要綜合考慮氣候系統的完整性，綜

合考慮它們的綜合反饋和相互之間的影響，要加快氣候反饋的敏感度研究才能準

確的預測氣候的變化趨勢，以減少人類活動的盲目性，實現人與自然的可持續發

展，氣候反饋為氣候變化研究提供一種思路，預測氣候變化是要考慮在內，才能

提高準度。由于在大的宇宙環境不變的情況下，氣候變化相對處于穩定，由于存

在氣候反饋機制，氣候總是沿著一個平衡點上下不規則的波動，在研究氣候變化

中不能僅依靠短時期的數據便進行預測，要考慮適當的時間尺度。

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