第一章：气候与气候变化——认识我们的行星

第一章：气候与气候变化——认识我们的行星

1.1 引言：为什么我们需要理解气候

当我们每天早上查看天气预报来决定是否带伞，或者在夏季考虑是否去海边度假时，我们实际上是在与气候系统进行日常互动。然而，这种日常接触往往掩盖了一个复杂而精妙系统的本质——这个系统不仅决定了我们每天穿什么衣服，更深刻地影响着农业产量、水资源分布、能源需求，乃至整个人类文明的兴衰走向。

Climate is the long-term pattern of weather conditions in a region, typically measured over periods of 30 years or more. It encompasses average temperatures, precipitation patterns, wind patterns, and other atmospheric variables that characterize a particular area over extended time scales.

理解气候系统不仅是一个科学问题，更是一个关乎人类未来生存与发展的根本性问题。2021年 IPCC 第六次评估报告明确指出，人类活动导致的大气中温室气体浓度已达到至少80万年来的最高水平，全球变暖正在加速进行。这一结论不是某个科学家的个人判断，而是来自全球数千名科学家基于数十年研究积累形成的共识。

本章将作为理解后续内容的基石。我们将首先厘清两个常被混淆的概念——天气与气候，然后系统介绍气候系统的五大组成部分及其相互作用。在此基础上，我们将回顾气候在地质历史时期的变化轨迹，以获得理解当代气候变化的宏观视角。接着，我们将学习如何解读关键气候指标和数据，这对后续章节的分析至关重要。最后，我们将介绍 IPCC 这一全球气候评估的核心框架，为理解后续章节的专业内容做好铺垫。

通过本章的学习，读者将建立起对气候系统的基本认知框架，掌握理解气候变化科学所需的核心概念和术语体系，为深入学习后续章节奠定坚实基础。

1.2 天气与气候：两个常被混淆的概念

1.2.1 定义与核心区别

在日常生活中，人们经常将“天气”和“气候”混为一用，但这两个概念有着本质的区别。准确区分它们对于理解气候变化科学至关重要。

天气（Weather） 是指某一地区在特定时间点的短期大气状态，包括温度、湿度、降水、风速、气压等要素的具体数值。你早上出门时感受到的凉爽空气、午后突然降临的阵雨、或者傍晚吹过的微风，都是天气的具体表现。天气变化的时间尺度通常以分钟、小时、天或周来计算，具有高度的可变性和不可预测性。

气候（Climate） 则是指一个地区多年来的天气统计特征，包括平均状态和极端事件的变化范围。科学家通常使用至少30年的观测记录来定义一个地区的气候。举例来说，北京的温带季风气候意味着这里夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥——这是基于数十年观测得出的稳定统计特征，而非某一天的天气状况。

这种区别可以用一个著名的类比来说明：如果把气候比作一个人的性格，那么天气就是这个人每天的情绪波动。性格稳定的人可能在某天心情不好，但这并不改变其基本性格特征；同样，连续几天的阴雨天气也不意味着当地的气候发生了根本变化。

The distinction between weather and climate is fundamental to understanding climate change science. Weather represents the short-term state of the atmosphere, while climate describes the long-term statistical patterns derived from weather observations over decades.

1.2.2 为什么这个区别如此重要

区分天气与气候对于公众理解和政策制定都具有重要意义。气候变化怀疑论者常常援引某个寒冷的冬天或某一年异常的低温来质疑全球变暖的存在，这种论证方式在逻辑上犯了将天气等同于气候的错误。同样，支持气候变化的倡导者有时也会过度解读某一年创纪录的高温，这种做法同样混淆了两个概念的本质区别。

气候变化科学的核心研究对象是气候的长期变化趋势，而非短期的天气波动。全球平均温度在年际间会有自然的波动起伏（El Niño年份会偏暖，La Niña年份会偏冷），但如果我们观察数十年甚至更长的时间尺度，一个明确的升温趋势就会清晰地呈现出来。

理解这一区别还能帮助我们更好地评估气候风险。农民不能仅凭某一天的天气预报来决定年度种植计划，而需要根据长期气候特征来规划作物品种和种植时间。城市规划者设计排水系统时，需要考虑的是数十年一遇的极端降水事件，而非某次具体的暴雨。风险管理需要基于气候尺度的概率评估，而非天气尺度的具体预测。

1.2.3 气候变化的科学含义

当科学家说“气候正在变化”时，他们指的是气候统计特征的持续改变。具体来说，这包括：全球平均温度的升高、极端高温事件频率的增加、冰川和海冰的加速消融、海平面的持续上升、降水模式的改变等。这些变化之所以被称为“气候变化”，是因为它们代表的是气候系统整体统计特征的改变，而非某个具体年份或某个具体地点的异常天气。

科学界使用“气候变率（Climate Variability）”来描述气候的自然波动，包括年际变率（如厄尔尼诺-南方涛动带来的影响）和年代际变率（如太平洋年代际振荡）。而“气候变化（Climate Change）”在现代科学语境中，特指由于人类活动导致的长期气候改变，这一用法在1992年《联合国气候变化框架公约》中得到正式确认。

1.3 气候系统：五大圈层的交响乐章

地球的气候不是由单一因素决定的，而是由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈五个主要组成部分通过复杂的物理、化学和生物过程相互作用而形成的。这些圈层的组合被称为“气候系统（Climate System）”，理解它们各自的特性及其相互作用，是把握气候科学的关键。

1.3.1 大气圈：气候系统的舞台与引擎

大气圈是包围地球的气体层，是气候系统中变化最为迅速的部分，也是人类活动的直接承载体。大气层厚度约为100公里，但99%的质量集中在距离地表约30公里的范围内。对流层是大气圈的最底层，厚度在赤道约为17公里，在两极约为7公里，这里发生着几乎所有的天气现象，也是温室效应最显著的层级。

大气圈的主要组成成分包括氮气（约78%）和氧气（约21%），以及少量的氩气、二氧化碳、水汽和各种微量气体。值得注意的是，水汽虽然在大气中的比例通常只有0.1%-4%，但它是最重要的温室气体之一，对气候系统有着举足轻重的影响。二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等气体虽然含量极低，但由于它们能够吸收和发射红外辐射，对地球能量平衡的贡献却不可忽视。

大气圈在气候系统中扮演着多重角色：它既是能量传输的介质——通过大气环流将赤道地区的热量输送到极地；也是物质循环的载体——水汽在大气中的传输形成降水，CO₂在大气中的分布影响着全球碳循环；还是气候变化的敏感指示器——大气成分的改变直接改变着辐射平衡。

1.3.2 水圈：气候系统的热量调节器

水圈包括海洋、湖泊、河流、地下水等地球表面的所有液态水。海洋覆盖了约71%的地球表面，平均深度约3800米，总体积约13.7亿立方公里。鉴于水的比热容是岩石的4-5倍，海洋成为地球气候系统最重要的热量储存器和调节器。

海洋在气候系统中发挥着核心作用。首先，海洋吸收了大气中约90%的多余热量，扮演着“热量汇”的角色，这使得海洋热容量远超大气。其次，海洋通过洋流系统在全球范围内重新分配热量——温暖的墨西哥湾流将热量从热带大西洋输送到欧洲，使得西北欧的冬天远比同纬度其他地区温和。第三，海洋是二氧化碳的重要吸收器，自工业革命以来，海洋已经吸收了约30%的人类活动排放CO₂，有效减缓了大气温室效应的增强速度。

海洋还通过海-气相互作用影响气候的年际变化。厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）现象就是最典型的例子：太平洋赤道地区海表温度的异常变化会引发大气环流的改变，进而影响全球多个地区的降水和温度模式。ENSO事件的影响范围之广、影响程度之深，充分说明了水圈在气候系统中的枢纽地位。

1.3.3 冰雪圈：地球的温度稳定器

冰雪圈包括地球表面的所有冰体和雪盖，主要包括：大陆冰盖（如南极冰盖和格陵兰冰盖）、山地冰川、季节性海冰、永久冻土层以及雪盖。冰雪圈虽然分布零散，但它们对地球能量平衡有着不成比例的巨大影响。

冰雪圈最重要的特性是其高反照率（Albedo）效应。反照率是指表面反射太阳辐射的比例，纯雪和冰的表面反照率可达0.7-0.9（意味着70%-90%的太阳辐射被反射回太空），而海洋或裸露岩石的反照率通常只有0.05-0.15。这种差异意味着，当冰雪覆盖范围扩大时，会有更多的太阳辐射被反射，地球接收的热量减少，气候趋于寒冷；反之，当冰雪融化、地表暴露时，地球吸收的热量增加，气候趋于变暖。这种正反馈机制被称为“冰雪-反照率反馈”，是理解冰河时期和当前气候变化的关键机制之一。

大陆冰盖还通过另一种方式影响气候：它们像巨大的压路机一样，塑造着地表形态。当大陆冰盖形成时，大量海水被转化为冰储存在陆地上，导致全球海平面下降；当冰盖融化时，海水重新回到海洋，导致海平面上升。目前南极冰盖储存的冰量如果全部融化，足以使全球海平面上升约60米；格陵兰冰盖完全融化可使海平面上升约7米。

永久冻土层（Permafrost）是冰雪圈的另一重要组成部分，它覆盖了北半球约25%的陆地面积。永久冻土中封存着大量的有机碳，这些碳是数万年甚至数十万年来植物固定的大气CO₂的累积。当冻土融化时，这些有机物会被微生物分解释放为甲烷和CO₂，形成另一重要正反馈机制。

1.3.4 岩石圈：气候的慢速响应者

岩石圈包括地球的地壳和上地幔的最上层，从地表向下延伸约100-200公里。相对于大气圈和水圈的变化迅速，岩石圈的变化极为缓慢，但其对长期气候的影响不可忽视。

岩石圈通过多种方式影响气候。首先，板块构造运动在数百万年甚至更长时间尺度上改变着大陆和海洋的分布格局。大陆的漂移改变了洋流路径和大气环流模式，山脉的隆起改变了降水分布格局，这些地质过程都对气候产生深远影响。喜马拉雅山脉和青藏高原的隆起被认为是过去4000万年来亚洲季风系统形成的重要原因。

其次，岩石圈中的硅酸盐风化是自然碳循环的重要组成部分。硅酸盐岩石与大气中的CO₂发生化学反应，生成碳酸盐并最终沉积在海洋中，形成石灰岩。这一过程虽然极其缓慢，但却是地球长期气候调节的关键负反馈机制。当大气CO₂浓度升高导致气温上升时，化学风化速率加快，CO₂被更快地移除，气候趋于降温——这是一个跨越百万年时间尺度的天然恒温器。

此外，火山活动作为岩石圈与大气圈相互作用的重要方式，对气候有着显著影响。大型火山喷发会将大量二氧化硫和火山灰注入平流层，二氧化硫形成的气溶胶能够反射太阳辐射，导致喷发后1-2年内全球气温下降。1815年印度尼西亚坦博拉火山的喷发导致次年成为“无夏之年”，全球许多地区出现夏季霜冻和降雪。

1.3.5 生物圈：气候的积极参与者

生物圈包括地球上所有的生命体，从微小的浮游植物到巨大的红杉，从深海热泉口的嗜热细菌到南极大陆的企鹅。生物圈通过多种途径深刻参与气候系统的运行。

光合作用是生物影响气候最基本的方式。绿色植物、藻类和某些细菌通过光合作用吸收CO₂并释放氧气，将大气中的碳转化为有机物质。据估计，全球陆地生态系统每年通过光合作用吸收约1200亿吨碳，其中约一半被呼吸作用释放回大气，其余部分以生物量和土壤有机质的形式储存起来。海洋中的浮游植物同样进行光合作用，每年吸收约500亿吨碳。

生物还通过其他方式影响气候。例如，植被通过蒸腾作用向大气释放水汽，影响区域水分循环；森林树冠可以反射部分太阳辐射，影响地表能量平衡；生物活动产生的甲烷、氧化亚氮等气体是重要的温室气体来源。亚马逊雨林被称为“地球之肺”，不仅是全球碳循环的关键环节，还通过蒸发散对区域气候产生显著影响。

人类的土地利用活动是生物圈与气候相互作用的重要组成部分。森林砍伐改变了地表反照率和碳储存量，农业活动改变了土壤有机碳含量和水循环模式，城市化创造了独特的城市热岛效应。据估算，目前全球约40%的陆地表面被人类用于农业或城市发展，人类活动已经成为塑造地球表面最重要的地质力量——“人类世”（Anthropocene）这一术语正是用来描述这一新地质时代的。

1.3.6 圈层相互作用：气候系统的复杂性

气候系统的五大圈层并非孤立存在，而是通过复杂的物理、化学和生物过程紧密相连。正是这种相互作用赋予了气候系统独特的复杂性和动态行为。

海-气相互作用是最重要的圈层耦合之一。海洋表面向大气释放热量和水汽，形成云和降水；大气运动驱动洋流运动，影响海水温度和盐度分布。这种相互作用产生了多种气候现象，如厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、太平洋十年际振荡（PDO）和北大西洋涛动（NAO）。

冰-气相互作用通过冰雪-反照率反馈和冰-海相互作用影响气候。当海冰扩张时，海洋向大气的热量输送减少，大气降温，进一步促进海冰形成；当海冰消融时，深层海洋热量更容易释放到大气，加速变暖。

生物地球化学循环连接着大气、海洋和生物圈。碳循环是最典型的例子：大气中的CO₂被陆地和海洋生态系统吸收，部分碳被封存在生物量和沉积物中；当这些碳被呼吸作用、燃烧或分解释放回大气时，又重新进入大气圈。

了解圈层相互作用对于预测气候变化至关重要。如果只考虑大气中温室气体浓度增加的直接辐射效应，计算出的温度响应会远小于实际观测值。这是因为气候系统存在多种正反馈机制（放大初始变化）和负反馈机制（抵消初始变化），它们共同决定了系统对扰动的敏感程度和响应速度。

1.4 气候的历史：跨越时空的视角

要理解当代气候变化的意义，我们需要将其置于地球气候的漫长历史背景下。地质记录揭示了地球气候曾经经历过的剧烈变化——从炽热的早期大气到多次大规模的冰河时期，这些历史为我们理解当前变化提供了不可或缺的时间维度。

1.4.1 地质时期的气候变迁

地球形成于约45.7亿年前，早期地球的大气层主要由二氧化碳、甲烷、水汽和氨组成，温度极高，没有游离氧气。随着地球逐渐冷却，水汽凝结形成原始海洋，大气中的水汽和二氧化碳开始通过降水和化学风化被移除。大约24亿年前开始的“大氧化事件”彻底改变了大气组成，蓝藻细菌产生的大量氧气改变了地球的面貌，也改变了气候系统的运行方式。

地质记录中最引人注目的气候事件是冰期（Ice Ages）的反复出现。在过去250万年的更新世时期，地球经历了数十次冰期-间冰期的交替旋回。每个旋回持续约10万年，以大约10万年的寒冷冰期和1万年的温暖间冰期为特征。在冰期最盛期，北美和欧洲北部被厚达2-3公里的冰盖覆盖，全球平均气温比现在低约5-8°C，海平面比现在低约120米。

冰期旋回的主要驱动因素是米兰科维奇周期（Milankovitch Cycles）。塞尔维亚地球物理学家米卢廷·米兰科维奇在20世纪初提出，地球轨道的三个参数——偏心率（轨道形状的椭圆程度）、地轴倾角和岁差（地轴方向的变化）——的周期性变化会改变地球表面不同纬度接收的太阳辐射量，从而触发冰期和间冰期的交替。虽然这些轨道参数变化本身对总太阳辐射量的影响很小（约0.1%），但它们通过改变季节分布和纬度分布，可以放大热带地区和两极地区的季节差异，从而触发冰盖的消长。

进入全新世（Holocene，约11700年前至今），地球处于相对温暖的间冰期。这一时期见证了人类文明的兴起——农业的出现、城市的建立、文字的发明和工业革命的爆发。值得注意的是，IPCC的评估表明，当前的气候变暖已经超出了全新世期间自然气候变率的范围，这是一个需要严肃对待的新变化。

1.4.2 近代气候记录：工业时代的影响

工业革命（大约1760-1840年）开启了人类活动影响气候的新纪元。煤炭的大规模使用标志着化石燃料时代的开始，此后石油和天然气的开采进一步加速了这一进程。人类活动排放的温室气体逐渐改变了大气成分，进而改变了地球的能量平衡。

大气CO₂浓度的变化是这一过程最明显的指标。在工业革命之前，大气CO₂浓度在约280ppm（百万分之一）左右波动，这是过去80万年冰芯记录所显示的冰期-间冰期旋回中的典型间冰期水平。工业革命后，随着化石燃料燃烧和土地利用变化，CO₂浓度开始上升：1920年代超过300ppm，1950年代超过310ppm，1980年代超过340ppm。2015年，大气CO₂浓度突破400ppm，这是至少过去300万年来的最高值。

全球平均温度的变化同样显著。根据NASA戈达德太空研究所（GISS）的数据，2020年全球平均温度比工业化前（1850-1900年）水平高约1.02°C。2020年与2016年并列成为有记录以来最热的年份（2016年部分受强厄尔尼诺事件影响）。过去十年（2011-2020年）是有记录以来最热的十年，而2023年更是突破了1.5°C的阈值。

温度记录还显示了一个重要特征：变暖并不是均匀分布在地球表面的。北极地区的变暖速度是全球平均的2-3倍，这一现象被称为“北极放大效应”（Arctic Amplification）。其原因包括海冰减少导致的反照率下降、大气环流变化引起的热量输送改变，以及永久冻土融化释放的额外热量。北极放大效应可能导致北极航运路线的开通、永久冻土稳定性的下降，以及北半球极端天气事件的增加。

1.4.3 过去与现在的对比

理解地质历史对于评估当代气候变化具有重要意义。这种历史视角帮助我们区分自然变率和人类影响，也为验证气候模型提供了重要的约束条件。

地质证据表明，地球曾经经历过比现在更温暖和更寒冷的时期。例如，5500万年前的古新世-始新世极热事件（Paleocene-Eocene Thermal Maximum）期间，全球平均温度比现在高约5-8°C，两极地区没有永久冰盖，大气CO₂浓度可能达到约2000ppm。恐龙时代的中白垩世也是一段气候温暖的时期，当时大西洋比现在宽得多，北美和欧洲的大部分地区被内陆海覆盖。

然而，当前气候变化的速度是前所未有的。工业时代以来的变暖速率约为每百年1°C，而地质历史时期的快速变暖事件（如古新世-始新世极热事件）的变暖速率约为每千年1°C。这意味着当前的变暖速度是地质历史平均速率的约10倍，是冰期-间冰期过渡期速率的数十倍。

另一个关键区别是当前变暖的原因。地质历史时期的气候变化主要由自然因素驱动——太阳辐射的变化、火山活动、轨道参数的变化等。而当前的气候变暖主要是由人类活动排放的温室气体导致的。科学家通过“归因科学”（Attribution Sci