认识气候变化规律是低碳经济管理的重要前提

               杨学祥¹，杨冬红^2,3,

1 吉林大学 地球探测科学与技术学院, 长春 130026

2 吉林大学 古生物学与地层学研究中心, 长春 130026

3 吉林大学 东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，长春 130026

摘要：太平洋十年涛动是气候自然波动和灾害频发的重要原因。研究发现，低温冻害、强震、沙尘暴和流感世界大流行都集中发生在太平洋十年涛动的冷位相时期，形成有序爆发的灾害链，并与拉尼娜、厄尔尼诺、太阳黑子极值和强潮汐组合密切相关。历史数据表明，太平洋十年涛动与世界经济发展长波有惊人的一致性，表明灾害在社会经济发展中的重要作用。低碳经济的管理首先要认清气候变化的规律性及其对经济发展的影响。

关键词：太平洋十年涛动，灾害链，世界经济发展长波，气候变化

1.      全球持续变暖和气候变冷的大争论

关于气候变化和相关极端灾害事件频发，国内外学者颇多争议，这给灾害预测和预防带来困难。入冬以来，我国平均气温为-5.5℃，为近27年来同期次低值，去年是最低值。与我国类似，欧亚大陆很多国家也正在遭遇寒冬。肆虐欧洲大陆的寒流及其带来的暴雪、狂风已经造成500多人死亡，数十万人受灾。自2009年起，北京连续3年出现冷冬。

世界气象组织指出，对比欧洲2009年至2010年那个冬季，那时寒潮来得更早，持续时间更长，自2009年12月开始，贯穿整个2010年1月和2月的大部分时间。而2006年冬天，情况也比今年严重。国家气候中心王启认为，与近几年相比，2012年这次欧洲暴风雪和寒流造成的灾害比2007年、2008年、2009年严重得多，但还比不上2006年、2010年和2011年，其中2006年的情况基本是最严重的。中国工程院院士丁一汇也认为，全球变暖在时间上并不是均匀的，有相对的冷期，也有相对的暖期，但总体的趋势是上升的^[1]。

国家气候中心张培群指出了一个重要的事实：全球变暖在2000年以前表现为连续发生暖冬，在2000年以后出现了一些阶段性低温，2006年以来基本每年1月份都出现了阶段性低温，有时12月份也有^[2]。他还认为在最近100年全球气温总体变暖的趋势里，我们也曾经历过这种20-30年尺度的气候波动。上世纪20至40年代是一个相对显著偏暖的阶段，之后的50至70年代，就经历了一个相对冷期。但之后的80年代开始，全球又进入一个变暖的时期。最近几年虽然全球气温没有逐年增加（2010年是最暖的一年，2011年依然偏暖，但比2010年有所减弱），但总体增暖的趋势依然没有改变^[3]。

全球变暖在时间上并不是均匀的，有相对的冷期，也有相对的暖期，但总体的趋势是上升的。这一事实与全球温室气体排放的均匀性相矛盾，表明自然因素仍起作用，温室效应不能解释气候变化的短期波动。

了解过去才能理解现在，认识了过去和现在才能预测未来。百年以上的气候变化历史表明，气候冷暖变化符合自然周期规律，分别为3亿年、10万年、1200-1800年、200年和60年。人类活动可以增大了气候波动的强度，但不能改变气候波动规律。

2.       气候变化的原因

2.1太阳活动说

在十五世纪至十七世纪的二百余年内，低温冻害严重，被称为小冰期时期。从1645到1715 年，太阳活动衰微，太阳黑子非常少，持续时间不可思议地持续长达70年。1894年，英国天文学家蒙德把这70年称为太阳黑子“延长极小期”。有人把它看作是小冰期气候产生的原因^{[4, 5]}。

对宇宙飞船测量数据的分析确定，太阳的辐射输出变化于0.1~0.3% 的水平上^[6]。大量观测数据表明，地质环境记录的气候变化与由地球轨道引起的太阳辐射量的变化有较好的一致性^[7~11]。现代科学研究不仅需要相关数据的统计分析，而且需要相关机制的能量计算。这一问题的争论焦点是，地球接收到的太阳能量变化是否足以引起地球气候长周期（冰期和间冰期）和短周期（小冰期与小气候最适期）的相互转变^[6~12]。Eddy等人估计，太阳常数变化引起的气候响应与正常发生的变化相比是很小的——太阳常数的变化至多使地球表面的温度受到零点几度的扰动，问题的关键在于能够激发低层大气发生变化的机制^[13]。宇宙尘埃云说是一种地外机制，但它也受到近期观测资料的挑战^[12]。

2.2地球轨道变化说

第四纪冰期和间冰期的转换，遵循米兰科维奇的天文冰期理论，具有2、4、10万年的地球轨道周期，分别为近日点近动周期、黄赤交角周期和地球轨道偏心率变化周期^[14]。

据任振球的研究，木星、土星、天王星和海王星使地球冬至时的公转半径发生相当稳定的准周期变化，与全球尤其北半球气温变化的间隔60年振动相一致。在20世纪初的低温期和60~70年代相对偏冷期，当时（1901和1960年）地球冬至时的公转半径分别延长了94(相当于日地距离的0.6%)和57万公里；在30-40年代和80年代后的暖期，地球冬至时的公转半径（1940和2000年）分别缩短了76和44万公里。2000-2020年地球冬至时的公转半径由极小值变为极大值，他推测2020年前后全球气候将进入相对冷期^[15]。

    韩延本等人分析了美国宇航局公布的起自19世纪中期的全球及南北半球的温度异常变化资料，得到它们存在约60年的准周期性波动的初步结果。该周期是它们的中周期波动的主要周期分量之一，它对调制温度的总体变化趋势可起到重要作用。分析表明，该周期分量是时变的，周期长度在19世纪略超过60年，之后缓慢变短，到20世纪后期月在55年至60年间。所谓人类活动造成的温室效应的加剧似乎并未有打乱这一周其分量的存在^[16]。

2.3臭氧洞漏能说

平流层里的臭氧吸收了进入大气层太阳总辐射的2%。臭氧含量减少，降低了平流层吸收太阳能量的能力，并将这部分能量泄漏给对流层。这就是臭氧洞漏能效应。20世纪80年代全球迅速变暖与平流层臭氧急剧减少相关，而60年代降温与同期平流层臭氧含量增加一一对应。平流层臭氧含量增加对应地球低温，平流层臭氧含量减少对应全球增温。全球变暖与南北极臭氧洞扩大相对应^{[17, 18]}。

2.4地磁层漏能说

电离层吸收太阳辐射的7%。地磁场强度越大，电离层的离子密度就越大，吸收太阳辐射的能力就越强。二千年以来全球磁场持续减弱，而最近150多年地磁强度下降了10%~15％。南大西洋出现地磁异常区，其磁场减弱达35％，地球磁极弱化。地磁场强度增强，全球气温变冷；地磁场强度减弱，全球变暖。地磁场强度增强可能是小冰期形成的一个原因^[17-19]。地磁场强度变化也具有2、4、10万年的地球轨道周期，与冰期和间冰期的转换周期对应，表明地磁变化与气候变化的相关性。许多人都注意到强磁场与冷气候的对应关系^[17]。

2.5深海巨震降温说

2002年郭增建提出，海洋及其周边地区的巨震产生海啸，可使海洋深处冷水迁到海面，使水面降温，冷水吸收较多的二氧化碳，从而使地球降温近20年。20世纪80年代以后的气温上升与人类活动使二氧化碳排放量增加有关，同时这一时期也没有发生巨大的海震。巨震指赤道两侧各40°范围内的8.5级和大于8.5级的海震^[20]。

从15至17世纪的小冰期时期，世界上强震很多，中国华北处于第六地震活动期，其间发生了4次8级地震，7次7级地震^[4]。强震频发可导致海洋表面降温。2012年1-2月日本严寒与2011年3月11日9级地震海啸有关，地震海啸不仅造成财产损失和人员伤亡，而且降低海表温度。

2.6火山活动致冷说

现代火山活动有明显致冷的记录：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后，较小的气溶胶可在数月内传播到全球，并可在平流层内持续漂浮1~3年，使太阳直接辐射减弱，造成大气降温。最新发表的研究报告显示火山喷发导致了“小冰期”的到来。研究报告称，1275年到1300年之间，热带地区经历过四次大规模火山喷发，喷发出来的大量硫酸盐颗粒进入大气层上空反射了太阳辐射，使地球气温降低；1430年到1450年，也发生了一轮大规模火山喷发。

1815年，印尼坦博拉火山喷发，火山灰及二氧化硫导致翌年全球气温下降了0.4℃至0.7℃，亚欧美很多地区粮食失收，中国亦有“天气忽然寒如冬”的记载；1783年，冰岛拉卡基格火山喷发使得欧洲大陆被阴霾笼罩，气温下降造成数万人丧生，影响甚至波及日本、印度和非洲；1982年，墨西哥埃尔奇琼火山喷发后，使得到达地面的阳光总量减少了10%至35%，导致全球平均气温下降了0.2℃。

2.7潮汐震荡调温说

杰拉尔德^. 邦德通过分析大西洋底的沉积层，发现地球的寒冷期和温暖期出现有规律的波动，波动周期大约为1500~1800年^{[21, 22]}。

季林认为，地球、月亮和太阳相对位置的变化会引起潮汐强度的逐渐变化，其周期与邦德提出的“气候周期”是一致的。潮汐大时，就有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上的空气。潮汐小时，海洋深处的冷水很难被带到海面，世界就变得暖和。据季林的计算，大约在1425年即小冰期的末期，潮汐达到了最大值，从那以后逐渐减弱，直到3100年潮汐又达到最大值。这个周期是过去1万年气候变迁的主要动力。这个效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪^[23]。

在十五世纪至十七世纪的二百余年内，全球强震发生频繁，其它自然灾害也很集中，如瘟疫流行，低温冻害严重，被称为小冰期时期。这个时期也正是太阳黑子蒙德极小值时期^[4]，太阳活动处于低值状态，有人把它看作是小冰期气候产生的原因。

潮汐高低潮还有200年左右的明显周期变化。其中，1425年、1629年两次峰值对应小冰期时期，1770年的峰值对应18世纪的低温，1974年的峰值对应20世纪70年代的气候变冷。特别是潮汐54-56年周期（与太平洋十年涛动的50-70年周期对应），在全球气候变化中有非常明显的作用^[5]。

图1  潮汐1800、200年周期

2.8 墨西哥湾流減速说

墨西哥湾流挾帶墨西哥湾的暖水北上，使北欧的气温较类似纬度的西伯利亚高了摄氏5至10度。在小冰期间，墨西哥湾流的强度減缓了约10%。这也可能是1200-1850年小冰期的成因。墨西哥湾流在小冰期減速，可能是大西洋风发生起因不明的改变所致。一些研究人员认为这和阳光照射量出現变化有关。

2.9 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

我们在1976年建立了地球内核相对地壳地幔快速旋转的数学模型，当年被地震波测量结果所证实^{[24, 25]}。

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，太阳辐射达到最大值时使核幔角动量交换达到高峰，部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界赤道区（此处核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱（羽）由核幔边界赤道热区升起，在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，消除了海洋藏冷效应的“冷源”，形成全球无冰温暖气候，产生晚白垩纪赤道海洋表层低温之谜（当时温度为摄氏21度，比现代低6.5度）。我们称这个过程为海洋锅炉效应。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15度，大气冷却了10~15度。这是典型的地、海、气相互作用。计算表明，一亿二千万年前形成翁通爪哇海台的海底热幔柱喷发，其释放的热量可使全球海水温度增高33度，喷发过程经历了几百万年时间。有证据表明,在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4度以上。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视^[26]。海底藏冷效应和海洋锅炉效应受太阳活动的驱动，是太阳活动左右小冰期的一个重要附加机制。

2.10 温室效应

几百年前，伽利略最早提出温室效应的时候，认为全球气候变暖将有利于物种的繁衍，并把地球暖化当作直线式的过程。19世纪末，瑞典科学家Svante Arrhenius则认为前者错的离谱，后者则是太过简单的想法，因为这样就是假设气温上升的时候，海洋和土壤还保持原来的状态不变。

二氧化碳（分子式为CO₂）和水汽等被称为温室气体。温室气体有效地吸收地球表面、大气本身相同气体和云所发射出的红外辐射，重新发射红外辐射，其中有一半返回到地表，在夜间持续辐射，使地表不致因缺乏太阳辐射而变得太冷。温室气体这种保护地热量散失的作用，叫温室效应。正是大气中温室气体的存在，使地表维持在15℃的平均温度上，为人类和整个生物圈提供了一个温暖的环境。一百多年前大气中的浓度是非常稳定的。工业革命以来，人类活动产生大量温室气体，CO₂的大气浓度由1800年的280ppmv（即一百万单位体积气体中含有280单位体积的CO₂）增加到2000年的380ppmv。气象专家预测，CO₂浓度增加一倍，全球地面温度将高1-5℃^[27]。